如果人类和能源问题之间是一场赛跑，那么太阳能电池就像是百米飞人大战，小数点后的每一个数字，都是科学家争夺的焦点。
伦敦时间6月21日16点，Nature杂志在线发布了西湖大学王睿实验室的最新研究成果，他们找到一种新的甲脒铅碘钙钛矿取向成核方法——加入一种叫“戊脒”的“添加剂”，将为钙钛矿太阳能电池带来更好的结晶度、更低的缺陷。更高的光电效率和更强的稳定性，也让钙钛矿太阳能电池普及更进一步。
研究团队还通过0.18秒每次的实验测量频率和理论计算，看清了为什么加入“戊脒”就可以实现取向成核——它可以控制住“肆意生长”的晶体生长方向，为钙钛矿太阳能电池的转化效率拓展出更大空间。
西湖大学王睿实验室内，添加戊脒(PAD)的黑相甲脒铅碘钙钛矿，它是一种附着在玻璃片上的薄膜，厚度约为700纳米。(彩色为拍摄背景，和材料本身无关)
钙钛矿太阳能电池：更轻薄、高效、低成本
在很多城市和村落随处可见的“蓝色屋顶”，就是已出现多年的硅太阳能电池。那么，为什么科学家们要努力研究钙钛矿太阳能电池?
想象一下，如果能像刷墙漆一样，在建筑物外面涂上钙钛矿太阳能电池，就能给房子供电，是否将为供电模式带来大变革?科学家研究发现，理论上，钙钛矿太阳能电池通过叠层方法，光电转化率可以超过40%。并且与硅太阳能电池材料相比，更轻薄、高效、低成本，甚至可以是柔性的。
钙钛矿结构示意
但这种被科学家寄予厚望的“明星材料”，却有一个致命的缺陷，它不是很稳定，在低温下形成，也容易在低温下分解，且怕水怕氧。所以王睿实验室内大部分的操作，需要在手套箱里完成，那里充入了氮气，隔绝了水和氧。
“我们的任务就是对症下药，提高钙钛矿太阳能电池的转化率和稳定性，直至它能真正进入并改变人类生活。”王睿说。
光伏材料生成过程：就像“摊煎饼”
当前，光活性黑相甲脒铅碘钙钛矿(FAPbI3)是高效钙钛矿光伏最有前景的材料。
有趣的是，从钙钛矿的“面相”，能看出它的性能。长得好的甲脒铅碘钙钛矿，呈现黑色，专业上叫“黑相”;长得不好的晶体，会呈现黄色，专业上叫“黄相”。黑色材料往往吸光性能好，这与我们的日常生活经验相符。科学上的解释为：“黑相”意味着整齐完整的钙钛矿晶体结构，电流产生时可以畅通无阻。
但现实总不会完美。甲脒铅碘钙钛矿晶体在形成过程中，常常会出现“黑黄相间”的现象。虽然之前的研究者已经开发出一些方法来避免这样的杂糅，但甲脒铅碘钙钛矿结晶的速度太快，在数秒内就可以完成，这使得人们一直未能“看清”结晶过程中的变化机理。
“甲脒铅碘钙钛矿结晶的整个过程，有点像‘摊煎饼’，不过非常精细且非常快。”本项研究的第一作者石鹏举开玩笑说。在手套箱里，研究人员先把PbI2(碘化铅)溶液滴在玻璃片上。此时的玻璃片放在匀胶机上，正在高速自转。然后，再加入带有碘甲脒的有机溶剂，当两种溶液相遇，就会生成甲脒铅碘钙钛矿——一层大约700纳米厚的薄膜。
戊脒(PAD)化学结构示意
0.18秒的实验：发现长尾巴“戊脒”的特效
如何在这个过程中控制只产生“纯黑相”的甲脒铅碘钙钛矿?
团队在“摊煎饼”的过程中试图加入了“添加剂”——把三种同样带有“烷基链”的有机分子丙脒(PRD)、丁脒(BAD)、戊脒(PAD)，分别添加到甲脒铅碘钙钛矿晶体生长过程中。结果发现，拥有最长“烷基链”的戊脒，果然效果最好。
研究团队还欣喜地发现，在戊脒的调控下，成核过程也相应减缓，薄膜的晶粒尺寸也较大，这预示着更好的使用寿命。
为什么“长尾巴”戊脒可以诱导晶体的生长?
鉴于甲脒铅碘钙钛矿形成过程非常快，研究团队引入了X射线衍射(XRD)、傅立叶变换(FTIR)光谱、原位光致发光(PL)测量、导电原子力显微镜(c-AFM)等多种实验观测手段全力捕捉，把测量频率提到0.18秒每次，然后结合密度泛函理论(DFT)理论计算方法相互印证。
他们发现，戊脒的带电脒基阳离子头部能够通过静电和氢键相互作用，锚定在“黑相”钙钛矿的八面体空腔中。这种相互作用使戊脒的疏水烷基链暴露出来，使其有序堆叠在黑相钙钛矿(100)平面上。
通俗地讲，就是晶体更喜欢生长“成本”更低的地方上“安家落户”。这就是一种被称为“取向成核结晶”的调控。而有序生长的晶体结构，可以提升运输载流子的能力，从而提高光电转化的性能。
甲脒铅碘钙钛矿太阳能电池器件
年轻有为：“93”后博导携手发布成果
本项研究的第一作者为西湖大学和浙江大学联合培养的博士研究生石鹏举，丁勇、丁斌、邢奇宇为共同第一作者。西湖大学王睿、浙江大学薛晶晶、加利福尼亚大学洛杉矶分校UCLA
Yang Yang和洛桑联邦理工学院EPFL Mohammad Khaja
Nazeeruddin为共同通讯作者。劳伦斯伯克利实验室、华北电力大学、复旦大学、马尔马拉大学为合作单位。该工作受到了西湖大学未来产业研究中心、西湖大学物质科学和分子科学实验平台以及白马湖实验室的支持。
值得一提的是，本次研究成果的主要代表，西湖大学王睿教授和浙江大学薛晶晶教授是两名“93后”博导，在2021年，他们以28岁的年纪，分别成为西湖大学和浙江大学最年轻博导。“这仅仅是戊脒优化策略的‘第一次’成绩”，王睿说，未来它还有很大的提升空间。“这项研究更重要的意义在于方法优化和原理探索同时进行，为接下来的探索铺平了道路。”
就像人类百米赛跑的成绩，科学家们一直在努力突破钙钛矿太阳能电池性能的极限值，有了更多年轻力量的加入，代代传承，相信终有一天，它会照亮我们的生活。