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圖文導(dǎo)讀

近期，蘇州大學(xué)李永舫院士團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池領(lǐng)域再創(chuàng)佳績(jī)，連續(xù)發(fā)表兩篇重量級(jí)論文于國(guó)際頂尖期刊《Nature》！這是該團(tuán)隊(duì)在光電轉(zhuǎn)換材料與器件研究領(lǐng)域取得的重要突破，標(biāo)志著鈣鈦礦材料在高效穩(wěn)定的太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)方面邁出了重要一步。

兩篇文章分別聚焦鈣鈦礦/有機(jī)串聯(lián)太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在晝夜循環(huán)條件下的性能優(yōu)化問(wèn)題。研究顯示，通過(guò)開(kāi)發(fā)新型表面鈍化劑和應(yīng)變調(diào)控技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成功提升了鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率，并大幅延長(zhǎng)了其使用壽命。這一系列成果不僅為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的性能提升提供了全新思路，也為其未來(lái)的商業(yè)化應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。連續(xù)兩篇《Nature》的發(fā)表，不僅展示了李永舫院士團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦領(lǐng)域的卓越科研實(shí)力，也引發(fā)了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

近年來(lái)，鈣鈦礦在單片串聯(lián)太陽(yáng)能電池（TSC）中的應(yīng)用日益廣泛，旨在突破單結(jié)太陽(yáng)能電池的Shockley-Queisser極限。鈣鈦礦/有機(jī)TSC由寬帶隙（WBG）鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（pero-SC）作為前電池和窄帶隙有機(jī)太陽(yáng)能電池（OSC）作為后電池構(gòu)成。由于其優(yōu)異的穩(wěn)定性和潛在的高功率轉(zhuǎn)換效率（PCE），這一組合受到了廣泛關(guān)注。然而，WBG鈣鈦礦SC通常比常規(guī)鈣鈦礦SC表現(xiàn)出更大的電壓損耗，從而限制了TSC的整體性能。鈣鈦礦/C60界面處的界面復(fù)合是其中的一個(gè)主要障礙，因此，開(kāi)發(fā)有效的表面鈍化策略以提高鈣鈦礦/有機(jī)TSC的PCE成為了研究的關(guān)鍵。

為此，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所的李永舫院士、孟磊教授與德國(guó)波茨坦大學(xué)的Felix Lang教授合作，開(kāi)發(fā)了一種全新的表面鈍化劑——環(huán)己烷-1,4-二碘化二銨（CyDAI₂）。該鈍化劑天然存在兩種異構(gòu)體結(jié)構(gòu)，銨基團(tuán)分別位于環(huán)己烷環(huán)的同一側(cè)或相對(duì)側(cè)（即順式-CyDAI₂和反式-CyDAI₂），兩種異構(gòu)體表現(xiàn)出截然不同的表面相互作用行為。研究表明，順式-CyDAI₂的鈍化處理有效降低了帶隙為1.88 eV的WBG鈣鈦礦的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂（QFLS）與開(kāi)路電壓（Voc）之間的失配，使Voc提升至1.36 V。通過(guò)將順式-CyDAI₂處理后的鈣鈦礦與窄帶隙為1.24 eV的有機(jī)活性層結(jié)合，構(gòu)建的單片鈣鈦礦/有機(jī)TSC的PCE達(dá)到了26.4%（認(rèn)證效率為25.7%）。該研究成果以“Isomeric diammonium passivation for perovskite–organic tandem solar cells”為題，發(fā)表在最新一期《Nature》雜志上。

近年來(lái)，隨著硅太陽(yáng)能電池的商業(yè)化經(jīng)驗(yàn)積累，最先進(jìn)的穩(wěn)定性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（ISOS協(xié)議）已被廣泛采用。然而，雖然太陽(yáng)能電池在實(shí)際使用中經(jīng)歷晝夜交替，大多數(shù)加速老化測(cè)試仍然基于ISOS-L或ISOS-LC協(xié)議來(lái)預(yù)測(cè)其壽命。這種連續(xù)光照測(cè)試方法可能會(huì)低估鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（pero-SC）的壽命，因?yàn)樵跁円寡h(huán)中，鈣鈦礦材料中的離子缺陷會(huì)引發(fā)“疲勞”效應(yīng)，導(dǎo)致性能下降，但在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的休息后性能可能會(huì)恢復(fù)。

此外，鈣鈦礦的軟晶格結(jié)構(gòu)使其在晝夜循環(huán)的溫度變化下發(fā)生膨脹和收縮，這對(duì)其性能產(chǎn)生一定的影響。然而，先前的研究往往忽略了溫度變化的影響。最近的研究顯示，經(jīng)過(guò)兩年的晝夜循環(huán)測(cè)試，與持續(xù)光照模式相比，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性存在明顯差異。因此，迫切需要改進(jìn)測(cè)試方法，以更好地理解自然循環(huán)與連續(xù)光照模式對(duì)電池壽命的不同影響。

為此，蘇州大學(xué)李永舫院士、李耀文教授、張曉宏教授與瑞典林雪平大學(xué)的高峰教授聯(lián)合開(kāi)展了相關(guān)研究，重點(diǎn)比較了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在連續(xù)光照模式和自然晝夜循環(huán)模式下的降解行為。研究發(fā)現(xiàn)，在晝夜循環(huán)模式下，電池的降解速度顯著加快。其主要原因是晝夜循環(huán)中的溫度波動(dòng)導(dǎo)致晶格體積變化，進(jìn)而引發(fā)晶格應(yīng)變的累積，而在連續(xù)光照模式下，應(yīng)變逐步釋放。晝夜循環(huán)模式下的晶格應(yīng)變加速了深陷阱的形成，從而導(dǎo)致器件退化加劇。

為了解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種能夠與Pb2?離子強(qiáng)配位的苯基硒化合物，用以優(yōu)化鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)并穩(wěn)定晶界。最終，該改良后的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在認(rèn)證測(cè)試中實(shí)現(xiàn)了26.3%的光電轉(zhuǎn)換效率。更重要的是，在晝夜循環(huán)模式下，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的器件T80壽命延長(zhǎng)了10倍，接近連續(xù)光照模式下的壽命值。這項(xiàng)研究表明，通過(guò)有效調(diào)節(jié)晶格應(yīng)變，可以大幅提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在自然循環(huán)條件下的壽命。

此外，該研究還突出了為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池制定更符合實(shí)際使用條件的加速老化測(cè)試協(xié)議的重要性，為推動(dòng)鈣鈦礦電池的商業(yè)化提供了有力支撐。該研究以“Strain regulation retards natural operation decay of perovskite solar cells”為題，發(fā)表在《Nature》雜志上，Yunxiu Shen、Tiankai Zhang和Guiying Xu為共同第一作者。

總結(jié)展望

綜上所述，蘇州大學(xué)李永舫院士團(tuán)隊(duì)再次引領(lǐng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池（pero-SC）領(lǐng)域，連續(xù)發(fā)表兩篇重磅論文于《Nature》，展示了其在鈣鈦礦穩(wěn)定性與效率提升上的突破性進(jìn)展。第一篇文章揭示了在晝夜循環(huán)下鈣鈦礦電池的獨(dú)特退化機(jī)制，強(qiáng)調(diào)了溫度波動(dòng)引發(fā)的晶格應(yīng)變對(duì)電池性能的影響。通過(guò)引入強(qiáng)配位的苯基硒化合物，團(tuán)隊(duì)成功延長(zhǎng)了電池壽命，使其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到26.3%。第二篇研究中，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了一種新型表面鈍化策略，大幅提升鈣鈦礦/有機(jī)串聯(lián)太陽(yáng)能電池的功率轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到了26.4%。這兩項(xiàng)突破展示了鈣鈦礦電池商業(yè)化的巨大潛力，開(kāi)辟了未來(lái)清潔能源的廣闊前景。

文獻(xiàn)信息

1. Jiang, X., Qin, S., Meng, L. et al. Isomeric diammonium passivation for perovskite–organic tandem solar cells. Nature (2024).?

2. Shen, Y., Zhang, T., Xu, G. et al. Strain regulation retards natural operation decay of perovskite solar cells. Nature (2024).?

勵(lì)志故事

李永舫，1948年8月10日出生于重慶市，高分子化學(xué)家，中國(guó)科學(xué)院院士，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員，蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部特聘教授、博士生導(dǎo)師。

李永舫于1977年考入華東化工學(xué)院抗菌素專業(yè)；1979年經(jīng)學(xué)校推薦提前考取該校物理化學(xué)專業(yè)研究生；1982年獲得華東化工學(xué)院碩士學(xué)位；1986年獲得復(fù)旦大學(xué)博士學(xué)位，之后進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所從事博士后研究工作；1988年博士后出站后留所工作；1988年至1991年到日本文部省分子科學(xué)研究所進(jìn)行訪問(wèn)研究；1993年晉升研究員；1996年被評(píng)為博士生導(dǎo)師；1997年至1998年到美國(guó)加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校進(jìn)行訪問(wèn)研究；1998年擔(dān)任有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任；2012年從中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所退休，被蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部聘為特聘教授；2013年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士。

29歲上大學(xué)

李永舫的成長(zhǎng)經(jīng)歷并不輕松，從小在農(nóng)村長(zhǎng)大，29歲才考上大學(xué)。之后，憑著?“天道酬勤”的信念，他以堅(jiān)強(qiáng)的意志走出了一條屬于自己的科研道路。如今，古稀之年的李永舫仍然撲在教學(xué)、科研的第一線，每周都去實(shí)驗(yàn)室參與科研，期盼著能讓陽(yáng)光成為綠色能源真正走進(jìn)千家萬(wàn)戶。更令人感動(dòng)的是，他還堅(jiān)持給每一屆中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的本科生上《化學(xué)原理》基礎(chǔ)課。李永舫說(shuō)，這些孩子們是國(guó)家未來(lái)科技振興的希望。

農(nóng)藥廠的“叔叔”考上了大學(xué)

李永舫生于1948年。對(duì)于名字中的“舫”字，他說(shuō)還有一段淵源。自己出生時(shí)，父親正從南京前往川渝地區(qū)公干，隨同前往的母親臨產(chǎn)，他就降生在四川渠江上的一條船里?！昂髞?lái)起名字，就專門(mén)帶了一個(gè)‘舟’偏旁，以示紀(jì)念。”李永舫說(shuō)。

童年的李永舫跟隨父親回到了河南睢縣老家，成為了農(nóng)家子弟。他很聰明，從小學(xué)、初中到高中，學(xué)習(xí)成績(jī)?cè)趯W(xué)校一直名列前茅。當(dāng)時(shí)，李永舫的夢(mèng)想就是考上清華大學(xué)。但是，1966年高中畢業(yè)時(shí)，他卻在“文革”的大潮中失去了高考的機(jī)會(huì)。1968年，李永舫回到農(nóng)村做農(nóng)民。兩年后，一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，他來(lái)到縣城的微生物農(nóng)藥廠當(dāng)上了化驗(yàn)員。“想上大學(xué)，但是沒(méi)辦法，有時(shí)候廠里來(lái)大學(xué)生實(shí)習(xí)，不管是哪個(gè)學(xué)校的，我都非常羨慕。”李永舫說(shuō)。

一晃到了1977年，29歲的李永舫業(yè)已成家，有了孩子。就在這一年，中斷已久的高考重新恢復(fù)。得知消息的李永舫第一時(shí)間報(bào)了名。那一年，他和全國(guó)570多萬(wàn)考生一起走進(jìn)了考場(chǎng)。雖然高中畢業(yè)已11年，但李永舫的知識(shí)積累并沒(méi)有減少，加上充分的備考，最后四門(mén)科目總分超過(guò)350分，其中，數(shù)學(xué)考了99分、理化考了94分。就這樣，他被當(dāng)時(shí)的華東化工學(xué)院錄取。

1978年2月，29歲的李永舫辭去了微生物農(nóng)藥廠的工作，告別父母和自己農(nóng)村家里的妻兒，懷揣錄取通知書(shū)登上了商丘開(kāi)往上海的火車(chē)。這趟開(kāi)往大學(xué)的“列車(chē)”遲到了11年半，也從此指引他走上了學(xué)術(shù)研究的道路。

年齡差異巨大是那屆大學(xué)生的普遍特點(diǎn)。李永舫笑道，他們班既有他這樣的“叔叔”，也有1960年出生，當(dāng)時(shí)才18歲的小姑娘、小伙子，“同宿舍的6位同學(xué)里就數(shù)我年齡最大?！?/span>

八年時(shí)間完成本碩博“三級(jí)跳”

在大學(xué)里，李永舫攻讀的是抗菌素專業(yè)。他坦言，自己最喜歡的是數(shù)學(xué)和物理。之所以第一志愿報(bào)考這個(gè)專業(yè)，與上大學(xué)前自己在微生物農(nóng)藥廠化驗(yàn)室的工作有很大關(guān)系，希望自己的工作經(jīng)歷能夠增加被抗菌素專業(yè)錄取的可能性。

象牙塔的學(xué)術(shù)世界向李永舫打開(kāi)了全新的大門(mén)，他如饑似渴地學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)已經(jīng)錯(cuò)失的11年學(xué)習(xí)時(shí)光。不論嚴(yán)寒酷暑，李永舫堅(jiān)持每天早晨4點(diǎn)起床，夜里10點(diǎn)就寢。當(dāng)時(shí)的上海是全中國(guó)最洋氣的城市，但是從農(nóng)村出來(lái)的李永舫入學(xué)一年半，從沒(méi)到市區(qū)玩過(guò)一次。

1979年，憑借優(yōu)異的學(xué)習(xí)成績(jī)，李永舫入學(xué)僅一年半就提前轉(zhuǎn)入該?；瘜W(xué)系物理化學(xué)專業(yè)攻讀研究生。1982年，與他同屆入學(xué)的本科同學(xué)年初大學(xué)畢業(yè)，而李永舫卻在當(dāng)年秋季獲得碩士學(xué)位。研究生畢業(yè)后，李永舫來(lái)到復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系繼續(xù)深造，并在1986年取得了博士學(xué)位。

8年時(shí)間完成本碩博連讀，這幾乎是不可能完成的任務(wù)?？墒?，李永舫做到了。從一位莊稼漢到一位科研學(xué)者，他完成了蛻變。用李永舫的話說(shuō)，這靠的是天道酬勤。

1986年，李永舫進(jìn)入中科院化學(xué)所，跟隨錢(qián)人元先生進(jìn)行導(dǎo)電聚合物電化學(xué)方面的博士后研究。1988年，他留在化學(xué)所工作。在此后的30年間，李永舫一直致力于共軛高分子和聚合物太陽(yáng)能電池光伏材料和器件的研究，并取得了豐碩的成果。從學(xué)至今，他先后發(fā)表SCI科研論文700多篇，絕對(duì)屬于高產(chǎn)學(xué)者。2013年，李永舫成為中國(guó)科學(xué)院院士。

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炸裂！李永舫院士團(tuán)隊(duì)，一天2篇Nature正刊！

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