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。

　　2023年6月21日，Nature期刊在线发表了一篇题为“Oriented nucleation in formamidinium perovskite for photovoltaics”的重要研究成果。这项研究通过对钙钛矿结晶过程进行原位监测，揭示了一种关键的取向成核机制，能够有效避免产生非光活性相，从而显着提升光伏电池的效率。这一重要研究成果的发表必将为光伏领域的进一步发展提供有力的理论和实践基础。

　　这项研究是西湖大学王睿教授和浙江大学薛晶晶教授联手发的第三篇NS顶刊。石鹏举、丁勇、丁斌、邢奇宇为共同第一作者。浙江大学薛晶晶、洛桑联邦理工学院的MohammadK.Nazeeruddin、加州大学洛杉矶分校的杨阳以及西湖大学王睿则共同担任该论文的通讯作者。

　　值得一提的是，王睿教授和薛晶晶教授是两名“93后”博导，均师从杨阳教授！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。2021年度福布斯中国30Under30榜单，在科学和医疗健康30人名单里，他两又双双入选。两人还入选了麻省理工科技评论全球科技创新35人。果然成功的人都是相似的！年少有为！

　　如今，光伏领域最有潜力的材料之一是光活性的黑相甲脒铅碘钙钛矿（FAPbI3）。该材料在钙钛矿光伏中展现出巨大的前景。

　　有趣的是，从钙钛矿的“面貌”可以窥见其性能。优质的甲脒铅碘钙钛矿呈现出黑色，专业术语称之为“黑相”；而晶体质量较差的则呈现黄色，被称为“黄相”。黑相材料通常具有良好的光吸收性能，这与我们日常生活的经验相一致。科学解释认为，“黑相”意味着钙钛矿晶体结构的完整和有序，使电流能够顺畅流动而无阻碍。

　　在手套箱内，研究人员滴加PbI2溶液于玻璃片上，随后将玻璃片放在高速旋转的匀胶机上。随后，他们注入含碘甲脒的有机溶剂，两种溶液相遇后形成大约700 nm厚的甲脒铅碘钙钛矿薄膜。在晶体生长过程中，研究人员引入三种带有相同烷基链的有机分子（丙脒、丁脒和戊脒）作为添加剂。令人惊喜的是，戊脒，具有最长的烷基链，表现出最佳效果。

　　为了捕捉甲脒铅碘钙钛矿形成过程的快速变化，研究团队采用了X射线衍射（XRD）、傅立叶变换（FTIR）光谱、原位光致发光（PL）测量和导电原子力显微镜（c-AFM）等实验手段，并将测量频率提高到每0.18秒一次。同时，密度泛函理论（DFT）计算方法也与实验结果相互验证。

　　他们发现，戊脒的带电脒基阳离子头部通过静电和氢键相互作用，固定在“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有序堆迭在黑相钙钛矿（100）平面上。疏水烷基链的存在导致（100）平面的表面能降低了64%，这是最显着的效果。

　　表面能是衡量分子间化学键破坏程度的指标，低表面能意味着更容易在表面形成化学键。简单来说，晶体在（100）平面上的继续生长“成本”更低，因此更倾向于选择在这个平面上生长。

　　这种被称为“取向成核结晶”的调控使甲脒铅碘钙钛矿在戊脒的烷基链引导下有序生长，避免了不规则生长。有序生长的晶体结构提高了运输载流子的能力，从而提升了光电转化性能。

　　研究团队最新的突破性研究在钙钛矿薄膜沉积策略方面进行了优化，以实现更高的光电转换效率。他们在两步法和一步法沉积工艺中分别实现了超过24%和25%的出色光电转换效率。

　　更令人振奋的是，研究团队将这一成果成功应用于太阳能电池模组的制备中。他们在面积达到27.83 cm²的孔径上实现了惊人的21.4%孔径效率，并且通过第三方机构认证。制备出的太阳能电池器件不仅在效率上有了显着提升，还展现出了卓越的工作稳定性。

　　在恒定照明条件下以最大功率点进行跟踪时，这些器件在30±3 ℃的环境下经过1000多小时的测试，仍然保持了初始效率的95%。与之相比，相同条件下的对照组器件光电转换效率下降了30%。这一令人鼓舞的结果进一步证明了该研究团队的太阳能电池技术在工作稳定性方面的优势。

　　研究团队发现了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”，就可以带来更好的结晶度、更低的缺陷，也意味着更高的光电效率和更强的稳定性。此外，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。知其然，并知其所以然。总的来说，这是一次原创发现和原理研究相结合的成功探索。

　　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。入选国家级青年人才计划。

　　王睿，西湖大学工学院助理教授，独立PI，1993年生。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，以及麻省理工科技评论全球科技创新35人等。

　　杨阳，加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系Carol和LawrenceE.TannasJr.讲座教授。他对有机光伏(OPV)领域的显着贡献是加深了对聚合物形态及其对器件性能影响的理解；发明了倒置有机太阳能电池、倒置串联太阳能电池、用于LCD应用的光伏偏光片以及透明OPV器件。