2025年2月3日及2月6日，浙江大学薛晶晶、西湖大学王睿再次合作，连续在Nature Photonics和Nature Chemistry上发表了关于钙钛矿太阳能电池的最新成果，在柔性叠层太阳电池领域及无定形分子策略提升钙钛矿太阳能电池性能方面取得重要突破。二人皆师从半导体光电材料与器件领域国际著名学者Yang Yang教授，长期致力于钙钛矿光电材料与器件的研究。
Nature Chemistry：具有正交π骨架的无定形分子策略提升钙钛矿太阳能电池性能
钙钛矿太阳能电池是一种很有前途的光伏电池，在短时间内实现了卓越的性能水平。如此高的效率通常取决于基于分子的选择性接触，形成高度有序的分子组装。虽然这种高度的有序通常有利于电荷载流子的传输，但当受到外部应力时，它会因结构变形和相变而受到破坏，从而限制了钙钛矿太阳能电池的长期运行稳定性。
针对以上问题，浙江大学杨德仁院士、薛晶晶、邓天琪联合西湖大学王睿团队展示了报道了一种新型分子，即具有正交π骨架的（4-10H-螺[吖啶-9,9′-呫吨]-10-基丁基）膦酸，将其命名为SAX，其垂直交叉的核心骨架阻止了其在基底成膜过程中的有序堆叠，进而使得所制备的薄膜呈现出高度无序的非晶状态。这种状态不仅高度稳定，而且表现出卓越的电荷选择性和传输能力，从而增强了薄膜对外界刺激的抵抗能力。用该正交π-骨架分子制备的钙钛矿太阳能电池在加速老化测试中表现出增强的长期耐久性。该方法为有机电子学中的分子设计应用开辟了新的机会。相关成果以“Molecular contacts with an orthogonal π-skeleton induce amorphization to enhance perovskite solar cell performance”为题，于2025年2月6日发表于Nature Chemistry期刊。西湖大学/浙江大学联合培养的博士研究生周晶晶为本项研究的第一作者，浙江大学博士研究生骆逸欣为共同第一作者。
该项工作设计了一个正交π-骨架，它产生了一个高度无序的分子层结构，同时表现出优异的电荷选择性和传输能力。与常用的有序或结晶结构相反，这种材料的无定形性质使其不受晶格排列的限制。其均匀的能量景观使其更容易适应外部压力，从而使其对各种外部刺激更有弹性。用正交π-骨架材料制备的钙钛矿太阳能电池，其PCE得到了改善，器件耐久性得到了显著提高。虽然使用传统有序组装的MSC控制装置的PCE在约500小时后下降到初始PCE的60%，但在50°C的高温下，在最大功率点跟踪超过2500小时后，非晶MSC控制装置的PCE保持在初始PCE的90%以上。
尽管迄今为止报道的所有用于高效钙钛矿太阳能电池的MSCs都局限于具有强分子包装和结晶能力的共轭部分，但该项工作开发了一种独特的共轭核心，提供非晶结构。这种高度无序的结构，归因于其分子排列和电荷传输途径的更大灵活性，与晶体相比，表现出对外部刺激的增强弹性。制备的钙钛矿太阳能电池器件在PCE和运行稳定性方面均有改善。独特的π-骨架设计能够在形成无序结构的同时不牺牲电学性能，这有望激发研究者对光电器件中此类分子设计更多的探索，以充分发掘这一分子家族在有机电子学中的潜力。
Molecular contacts with an orthogonal π-skeleton induce amorphization to enhance perovskite solar cell performance. Nat. Chem. (2025).
Nature Photonics：二价阳离子替换策略稳定宽带隙钙钛矿/Cu(In,Ga)Se2叠层太阳能电池
尽管钙钛矿太阳能电池（PSCs）的功率转换效率（PCE）有所提高，但离子迁移和相分离引起的稳定性问题仍然是关键问题。考虑到钙钛矿的离子晶体性质，多价阳离子的使用被认为可以有效地抑制离子迁移。然而，多价金属阳离子产生深能级陷阱态，从而损害器件效率。因此，多价阳离子替代策略，以尽量减少间质缺陷是可取的。
基于此，西湖大学王睿联合浙江大学薛晶晶团队开发了一种二价阳离子置换策略，抑制离子迁移，同时限制相分离。证明了用亚甲基二铵阳离子（MDA2+）取代钙钛矿晶格中的A位阳离子可以有效地抑制宽带隙钙钛矿中的上述问题。这主要是由于MDA2+的二价态与无机骨架产生了强烈的相互作用，降低了卤化物离子的迁移率和缺陷的形成。结果表明，制备的PSCs的稳定性和效率得到了显著提高。对于带隙在1.67~1.68 eV之间的单结PSC，获得了23.20%(认证效率为22.71%)的最佳PCE。此外，机械堆叠钙钛矿/Cu(In,Ga)Se2叠层器件的PCE为30.13%，半透明钙钛矿器件的PCE为21.88%。最终获得的柔性单片钙钛矿/Cu(In,Ga)Se2叠层太阳能电池的稳态PCE为23.28%（认证效率为22.79%）。相关成果以“Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells”为题，于2025年2月3日发表于Nature Photonics上。西湖大学/浙江大学联合培养博士研究生田柳文为论文第一作者，宣城先进光伏技术研究院、华晟新能源毕恩兵博士为共同第一作者。
图1 不同有机阳离子与钙钛矿之间相互作用的理论研究
该项工作展示了一种二价阳离子替换策略，创新性引入亚甲基二铵阳离子（MDA²⁺），取代钙钛矿晶格A位阳离子，通过更强的静电作用抑制卤化物迁移，离子迁移活化能从0.43 eV提升至0.75 eV。MDA2+与无机骨架形成氢键网络，显著降低深能级缺陷密度（减少50%以上），载流子寿命延长至114 ns。宽带隙钙钛矿性能跃升，单结宽带隙（1.67–1.68 eV）钙钛矿电池效率达23.20%（认证22.71%），开路电压提升至1.267 V，填充因子（FF）达85.10%。未封装器件在45℃持续光照下运行750小时，效率保持80%（对照组仅50%）；85℃高温老化1200小时，性能衰减显著减缓，具有超强的稳定性。叠层电池效率创纪录，四端钙钛矿/CIGS叠层电池效率突破30.13%，柔性单结叠层电池效率达23.41%（认证22.79%），均为当前同类器件最高水平之一。该方法为稳定钙钛矿在光伏以外的广泛光电应用开辟了新的途径。
Divalent cation replacement strategy stabilizes wide-bandgap perovskite for Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells. Nat. Photon. (2025).
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。入选国家海外高层次人才引进计划、《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科技创新35人” (MIT Technology Review “Innovators Under 35”, Pacific Asian）、福布斯中国30岁以下精英榜（Forbes China 30 under 30）。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。其中以第一或通讯作者在Science、Nature、Nat. Photon.、Nat. Chem.、Nat. Energy、Nat. Comm.、Nat. Rev. Mater.、Adv. Mater.、Joule、J. Am. Chem. Soc.等期刊发表学术论文。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。长期担任Joule, Nat. Comm., Energ. Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., ACS Nano, ACS Energy Lett.等国际著名期刊审稿人。
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。长期从事第三代太阳能电池的研究工作，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。曾以第一作者或通讯作者身份在Nature、Science、Nature Photonics、Joule、Advanced Materials、JACS、Matter、Nano Letters等杂志发表论文。
