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西湖大学王睿-浙江大学薛晶晶团队：有机脒在钙钛矿光伏材料中的作用

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-01-15 13:40

正文

近日，西湖大学王睿教授-浙江大学薛晶晶研究员团队的AMR述评文章“The Role of Organic Amidiniums in Perovskite Photovoltaics”在线发表。文章探讨了脒基化合物在铅卤钙钛矿研究中的重要进展，希望有机脒的进一步研发及使用，能够进一步提高薄膜质量并应对降解问题，以克服现有的挑战并推动钙钛矿光伏技术的进一步发展。

关键词：钙钛矿光伏；有机脒；动力学热力学过程；钝化；离子迁移

Amidiniums will be key in addressing the challenge of long-term operational instability in FA-based perovskite solar cells and modules.

文章内容简介

清洁能源是实现可持续发展的基础，而光伏发电作为其中最具前景和影响力的技术之一，正受到广泛关注。铅卤钙钛矿材料因其高吸光系数、高缺陷容忍度、低成本生产及高能量转化效率，成为光伏领域的理想材料。仅仅经过十余年的发展，铅卤钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经突破26%。铅卤钙钛矿的化学式为ABX₃，其中“A”代表一价阳离子，“B”代表二价阳离子（如Pb²⁺或Sn²⁺），而“X”则为卤素阴离子。A阳离子的选择主要包括甲基铵（MA⁺）、甲脒（FA⁺）和铯（Cs⁺），因为这些阳离子的尺寸足够小，能够融入钙钛矿的晶格中。近年的研究发现，一方面，使用较大尺寸的A位阳离子作为添加剂或钝化剂，可以显著调整钙钛矿的性能，从而进一步提升其光电转换效率。另一方面，钙钛矿体系也逐渐从传统的甲铵铅碘（MAPbI₃）转向甲脒铅碘（FAPbI₃），因为后者具有更合适的带隙和更长的载流子寿命，因此表现出更优异的性能。与传统的有机胺相比，有机脒对钙钛矿的光电性能影响更为显著，且能有效改善材料的质量。

在本述评中，我们探讨了脒基化合物在铅卤钙钛矿研究中的重要进展。这些进展包括：（i）通过热力学和动力学调控促进理想的钙钛矿相的成核；（ii）通过应变效应调节体相电子态；以及（iii）通过低维相和多功能基团调控表面电子态。我们认为有机脒的进一步研发及使用，能够进一步提高薄膜质量并应对降解问题，以克服现有的挑战并推动钙钛矿光伏技术的进一步发展。

AMR ：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

我们的研究团队致力于研发更高效、更环保的光伏技术，以应对传统能源如煤炭和石油带来的不可再生性和环境破坏问题。我们深知，减少对化石能源的依赖，推动能源结构的转型，是全球应对气候变化、实现可持续发展的关键所在。因此，选择光伏技术这一领域，是我们团队共同的初心——希望通过科学研究，为社会的可持续发展贡献力量。我们致力于提升光伏技术的效率，降低发电成本，提高能源利用效率，从而推动光伏技术的普及和应用，助力全球能源转型。同时，光伏研究跨越物理学、化学、材料学等多个学科，具有极高的技术性和挑战性。我们的团队成员不仅因对科学研究的热爱而聚集在一起，更因为对未知的探索充满了好奇心。我们在实验室中反复试验、不断优化技术，追求在科学领域取得突破和创新。通过协作与共同努力，我们希望为能源科技的发展做出贡献，并推动光伏技术朝着更高效、更稳定的方向发展。

AMR ：您认为本领域最值得关注的

研究热点是？

作者团队：

在当前钙钛矿太阳能电池的研究中，最值得关注的研究热点之一是如何有效抑制或消除钙钛矿材料的降解问题。钙钛矿太阳能电池虽然在效率上表现出色，但由于环境因素（如湿度、氧气、热等）以及材料本身的稳定性问题，电池性能会随着时间的推移而显著下降。因此，如何提高钙钛矿太阳能电池的长期稳定性，延长其使用寿命，成为了一个亟待解决的挑战。另一个关键问题是当钙钛矿太阳能电池从小面积向大面积组件放大时，常常会面临效率下降的困境。这一问题主要由材料均匀性、薄膜质量以及制造过程中的缺陷等因素导致。如何在保证器件放大的同时，保持与小面积电池一致的优异性能，仍是钙钛矿光伏领域亟待突破的技术瓶颈。因此，未来的研究应聚焦于提升材料的稳定性与均匀性，同时优化制造工艺，解决大面积组件的效率衰减问题，这将是钙钛矿太阳能电池走向商业化和大规模应用的关键。

AMR ：您觉得该领域有哪些可能 的

研究机会？

作者团队：

为了克服钙钛矿太阳能电池降解和效率降低的问题，我们认为有机脒的掺杂和处理已经在一定程度上提供了有效的解决方案。通过有机脒处理，我们显著提升了钙钛矿吸光层的本征性能和运行稳定性，同时抑制了其他功能层对钙钛矿吸光层的侵蚀。更重要的是，有机脒的处理还大大抑制了钙钛矿表面的不均匀电势分布，从而显著提升了大面积组件的光电转换效率。这一策略不仅在稳定性和效率上取得了突破，还为大规模应用奠定了基础。未来，我们相信，随着有机脒化合物的进一步优化和新型功能基团的引入，将为钙钛矿太阳能电池的稳定性、效率以及大面积制造提供更强的支持。我们期待有机脒在钙钛矿光伏领域的应用能够继续推动技术进步，助力钙钛矿太阳能电池的商业化进程。

作者团队简介

王睿，西湖大学工学院助理教授，独立PI。2015年获吉林大学工学学士学位，2016年获加州大学伯克利分校硕士学位。2016.9-2019.12就读于加州大学洛杉矶分校，师从Yang Yang教授，获博士学位。随后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。2021年4月全职加入西湖大学工学院。曾入选福布斯中国及亚太30岁以下30人，麻省理工科技评论全球科技创新35人以及阿里巴巴达摩院青橙奖等。王睿博士长期从事第三代太阳能电池的研究工作，曾以第一作者或通讯作者身份在 Nature (3篇)， Science (3篇)， Nat. Photonics (3篇), Nat. Chem. ， Joule ， Adv. Mater. ， JACS ， Matter ， Nano Lett. 等旗舰期刊发表论文近40篇，研究成果被包括《科学美国人》，《福布斯》等多家知名媒体报道。课题组主要研究方向: （1）钙钛矿光电器件的制备与表征：包括太阳能电池（单节，叠层），发光二极管，以及光电探测器等；（2）钙钛矿材料的稳定性和缺陷态的机理研究；（3）寻找新型有机无机杂化光伏材料；（4）其他光伏电池研究。

薛晶晶 ，浙江大学材料科学与工程学院、硅材料国家重点实验室“百人计划”研究员、博士生导师。入选《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科技创新35人”、福布斯中国30岁以下精英榜。2016年9月于南京大学化学化工学院取得学士学位，2020年5月于加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院取得博士学位，师从半导体光电材料与器件领域国际著名学者Yang Yang教授，期间曾赴斯坦福大学材料科学与工程学院崔屹教授课题组访学，博士毕业后在加州大学洛杉矶分校继续博士后研究工作。于2021年全职加入浙江大学材料科学与工程学院。目前主要从事金属卤化物钙钛矿光电材料与器件研究。先后共发表SCI论文40余篇，其中以第一或通讯作者在 Science 、 Nature 、 Nat. Photonics 、 Nat. Chem. 、 Nat. Energy 、 Nat. Commun. 、 Nat. Rev. Mater. 、 Adv. Mater. 、 Joule 、 J. Am. Chem. Soc. 等高水平期刊发表学术论文近30篇。多篇论文入选ESI热点和高被引论文，成果曾受到包括《科学美国人》、《福布斯》等多家国际知名媒体的广泛报道。担任 Nature , Nat. Commun. , Joule , Energ. Environ. Sci. , J. Am. Chem. Soc. 等国际著名期刊审稿人。

石鹏举 ，美国西北大学博士后，2024届西湖大学博士毕业生。石鹏举分别获得了华北电力大学学士学位（2017年）和硕士学位（2020年）。随后，他加入了西湖大学王睿教授的团队，并接受了浙江大学薛晶晶教授的联合指导。他于2024年获得材料科学与工程博士学位。他的研究重点是开发高效的钙钛矿叠层电池。

许嘉哲 ，西湖大学工学院在读博士研究生。他分别获得了南京理工大学和中山大学的学士学位（2018年）和硕士学位（2021年）。随后，他加入了西湖大学王睿教授的团队，并接受了浙江大学薛晶晶教授的联合指导。他的研究重点是开发高效稳定的大面积钙钛矿太阳能电池。

团队合影

扫码阅读王睿教授团队的精彩Account文章：

The Role of Organic Amidiniums in Perovskite Photovoltaics

Jiazhe Xu, Pengju Shi, Jingjing Xue, and Rui Wang*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00288

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