他们刷新了钙钛矿电池效率纪录

本文转自：中国科学报

张硕（左）和叶方圆。受访者供图

■本报记者 李晨阳 张双虎

华东理工大学近日迎来校史上首篇《科学》论文。该校教授吴永真、朱为宏团队与合作者在钙钛矿太阳能电池有机空穴传输材料领域取得新成果，他们基于这项技术得到的太阳能电池的功率转换效率达到了25.4%，创造了世界纪录。

论文的两位共同第一作者都出生于1997年，是博士师兄弟——张硕和叶方圆。

由于张硕的实验目前正处于关键期，刚刚毕业、时间更为充裕的叶方圆接受了《中国科学报》采访。

“一石二鸟”解决两大难题

前不久，叶方圆在华东理工大学完成5年硕博连读，顺利毕业。

尽管从2021年开始，叶方圆已以第一作者或共同第一作者身份在《自然》子刊、Solar RRl等杂志发表6篇论文，但当听到论文即将在《科学》发表时，他依然感到“非常激动”。

这篇论文聚焦的是一个热点领域——钙钛矿太阳能电池。它属于第三代太阳能电池，具备效率上限高、成本低、可叠层、柔性四大优势，被看作是具有革命性的新材料，被业界寄予厚望。

“但钙钛矿电池所谓的‘发电效率高’很大程度上还停留在理论层面。当前钙钛矿电池的发电效率其实还没有达到传统光伏硅片的水平。”叶方圆告诉《中国科学报》。而他们想要做的事，就是让钙钛矿电池的效率高一点、再高一点。

钙钛矿电池的结构像三明治，钙钛矿材料的两边分别覆盖着电子传输材料和空穴传输材料。后者是一种有机半导体材料，在电场作用下可以实现载流子定向有序的可控迁移，从而达到传输电荷的目的。

然而，传统的空穴传输材料要么过于疏水，无法润湿钙钛矿前体，要么与钙钛矿发生反应，从而导致层与层之间的掩埋界面产生限制性能的缺陷。

该研究中，团队创新性地引入氰基膦酸单元，发展出双亲性小分子空穴传输材料，通过动态自组装构筑有序、超薄、表面超浸润层，“一石二鸟”地解决了器件应用中载流子输运和界面缺陷控制两大难题。

值得注意的是，经第三方机构认证，该团队基于有机空穴传输材料制备的反式结构钙钛矿太阳能电池效率达到25.4%，创造了目前该类太阳能电池的最高转化效率。

此外，该新型有机空穴传输材料具有良好的浸润性，十分有利于制备大面积器件。它不仅适用于钙钛矿电池，还可用于有机聚合物太阳能电池，具有很好的通用性。

目前，这项技术已申请发明专利。

“钙钛矿电池如果发展好了，应用场景非常丰富。除了用于光伏电站发电外，还可以用于室内光伏、可穿戴设备等。比如，人们可以在衣服和背包上安装可折叠的柔性电池，就不用再带着沉甸甸的充电宝出门了。”叶方圆说，“做科研，往大里说，是希望推动人类社会的发展，往小里说，是希望生活变得更好，哪怕只好一点点。”

扎得更深，走得更远

今年26岁的叶方圆，本科即就读于华东理工大学。在他看来，化学化工专业一直是母校的优势学科。更幸运的是，他在这里遇到了对自己帮助很大的导师吴永真。

2021年1月，在吴永真的指导下，叶方圆在太阳能领域期刊Solar RRl发表了自己的第一篇论文。该研究提出一种进行底界面电子传输材料设计的锚定组装分子。目前，这个方法已被广泛用于空穴传输材料的设计。

尽管这是一篇“小文章”，但对叶方圆影响很深：“第一次发表论文，我的科研思维、科研能力和英文写作能力都得到了很大的锻炼。更重要的是，这是我第一次依据一个科研想法，创造了可在现实场景中应用的东西。”

在这个低调而务实的课题组里，叶方圆在材料开发领域越扎越深。同时他意识到，除了深度外，科研的宽度也非常重要。在吴永真的支持下，他开始主动寻求在国外交流学习的机会。

叶方圆寻找国外导师的思路非常“特别”——通过阅读大量文献进行“海选”。“钙钛矿太阳能电池是新兴的热门领域，每月都会有大量论文发表，其中哪些文章有‘干货’、哪些文章是‘灌水’的，我们很清楚。” 叶方圆说。

在阅读文献的过程中，德国科学院院士、波茨坦大学教授Dieter Neher引起了叶方圆的注意。“我对他的一些论文印象深刻，Neher对器件物理的理解，以及他的方法和思路对我们一定有帮助。”他说。

顺着论文线索，叶方圆找到Neher的邮箱并发去了邮件。很快，Neher回信邀请他进行面试。面试结果不错，叶方圆便申请了国家留学基金，赴德进行研究工作。

在德国，Neher安排年轻PI——Martin Stolterfoht指导叶方圆。一天晚上工作结束后，Stolterfoht拎着两瓶啤酒过来，问叶方圆“能饮一杯无”，没想到叶方圆也有同好，此后两人经常在下班后聊科研、聊兴趣、聊生活、聊爱好……那段时间，叶方圆觉得收获很大，就像打开了一个新世界。

公派期结束后，在Neher的引荐下，叶方圆又在亥姆霍兹能源与材料研究所教授Steve Albrecht团队进行了为期半年的研究。

“在德国的这段研究生涯让我受益良多，也算打通了一条和国外课题组深入合作的通道。” 叶方圆说。

一切都是最好的“安排”

从选择学校和专业，到确定研究方向，再到决定去国外哪个实验室深造，一路走来，叶方圆都是主动规划、积极争取。“这也算我的人生态度吧。”他说。

一直以来，叶方圆都有属于自己的“时间表”。每天几点起床、几点工作、几点睡觉，包括每天“刷”几次手机都写得清清楚楚。

“这些规划中的很多细节，其实我未必能严格遵守。但心里有了这样一个标准，就会尽量去靠近。”叶方圆说，“做科研必须做好规划，做什么实验、做多少实验、有怎样的进度，都得安排好。只有一丝不苟地完成每个实验，才能保证整个研究的进度。”

博士毕业后，叶方圆选择入职上海电气集团股份有限公司，继续从事钙钛矿和硅异质结太阳能电池研究。

“发展新型光伏技术，防止国家在关键能源技术上被‘卡脖子’至关重要。我选择这个领域，就是希望能用自己的研究成果，作出一些实实在在的贡献。让科研成果走出实验室，实现产业化，这是我的梦想。”他说。