近日，由苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）王照奎教授、西湖大学和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）杨阳教授课题组合作撰写的论文在《Science》杂志上发表（Science 366, 1509–1513, 2019）。这是FUNSOM作为通讯单位第二次在《Science》这一国际顶级学术期刊上发表论文。我院王照奎教授为该论文的共同通讯作者。
该论文主要介绍了王照奎教授与杨阳教授课题组合作在钙钛矿太阳能电池表面钝化机制研究中取得的重要成果。钛矿表面钝化机制研究及钝化分子的构型设计是进一步提高钙钛矿太阳能电池光电转换效率的有效途径，该研究发现当钝化分子中N-H和C=O处于最佳构型时，N-H和I（碘）之间的氢键形成有助于C=O与Pb缺陷结合，从而使得钙钛矿表面缺陷的钝化效果达到最大化，为钙钛矿太阳能电池表面钝化的分子构型设计指引了方向。
图1. 钙钛矿表面缺陷类型、表面钝化分子构型及钝化效果
近年来，金属卤化物钙钛矿材料在太阳能电池领域引起了广泛的关注。钙钛矿表面缺陷态的形成会导致载流子的非辐射复合从而限制其光电转换效率。考虑到卤化物钙钛矿材料离子键合的本性，分子修饰成为钝化其表面缺陷的一个重要途径和手段。目前很多含有可以与钙钛矿缺陷结合的官能团的分子被陆续报道，例如羰基等路易斯碱。然而，含有这些有效官能团的分子不计其数，深入系统研究的缺乏使得合理的分子设计从而最大化缺陷钝化的能力仍是一个挑战。
在此次发表的论文中，该国际合作团队通过巧妙地利用一组刚性分子，茶碱，咖啡因和可可碱，系统研究了分子中N-H和C=O的协同作用对钝化钙钛矿缺陷的影响。作者发现，分子中的N-H可以与钙钛矿表面的碘形成氢键从而辅助C=O的缺陷钝化能力，而只有当N-H与C=O形成合适构型的时候，该效应才有利于与缺陷形成最强作用力，从而最大化其缺陷钝化能力。当分子中缺失N-H或者N-H在一个不合适位点上，都会弱化缺陷钝化或更有甚者引入更多的晶格畸变。基于最优势分子构造的茶碱修饰的钙钛矿太阳能电池最终表现出最佳的光电转换效率高达23.48%，电池工作稳定性能提高到500小时。总之，该工作系统研究了钙钛矿太阳能电池表面钝化效果对钝化分子构型的要求，在深入理解表面钝化及缺陷态抑制机制的基础上，设计了表面分子钝化的新策略，并获得了 23.48%的光电转换效率，对进一步发展钝化策略及提高器件效率和稳定性具有重要的借鉴意义。
苏州大学功能纳米与软物质（材料）实验室（Functional Nano & Soft Materials Laboratory；FUNSOM）由中国科学院院士、发展中国家科学院院士李述汤教授于2008年6月领衔组建，根据事业发展需要，2010年4月更名为“苏州大学功能纳米与软物质研究院”（Functional Nano & Soft Materials；FUNSOM）。研究院现有核心研究人员41名，其中包括中科院院士1人、国家杰出青年基金获得者5人、“万人计划”科技创新领军人才5人、优秀青年基金获得者12人、“万人计划”青年拔尖人才2人。全部核心研究人员均具有海外或境外研究经历。研究人员承担多项国家重大科研项目，包括国家重点研发计划重点专项项目、“973计划”项目、“863计划”项目、国家自然科学基金重大或重点项目等。截至2019年，已获批国家和地方各类科研、平台项目共465项，总经费逾7.38 亿元。
研究院已投资逾2亿元，构建了五大实验平台。以功能纳米材料和软物质为主要研究对象，发展了功能纳米材料、有机光电器件、结构化功能表面与界面、纳米生物医学、材料模拟与材料基因组五大研究方向。研究院的组建翻开了我校材料学、化学、纳米科学等学科及其交叉领域学科建设发展的新篇章。据基本科学指标数据库ESI (Essential Science Indicators) 发布的数据：2017年5月起，我校材料科学、化学两个学科同时进入全球排名前千分之一；2019年5月，我校材料科学学科已上升至ESI全球第39名，在中国内地高校中排第9名。研究院与相关协同单位共同成立的“苏州纳米科技协同创新中心”获批教育部“2011计划”首批14家协同创新中心之一。研究院已获批高等学校学科创新引智基地（国家“111计划”）、两部一省科教结合苏州纳米技术产业创新基地、教育部国际合作联合实验室（碳基功能材料与器件）、科技部创新人才推进计划——创新人才培养示范基地、科技部创新人才推进计划——重点领域创新团队、江苏省碳基功能材料与器件重点实验室、江苏省高校优势学科建设工程等。
作者介绍：
国际团队：王睿、薛晶晶（共同第一作者，排名第一、第二）, 加州大学洛杉矶分校
薛晶晶、Kendall N. Houk、杨阳（通讯作者）, 加州大学洛杉矶分校
Ilhan Yavuz (通讯作者)，土耳其马尔马拉大学
苏州大学：王凯礼（共同第一作者，排名第三）
王照奎（通讯作者）
杨阳（Yang Yang）教授：美国材料研究学会（MRS）会士，美国SPIE学会会士，美国物理学会（APS）会士，美国电磁学院（EM Academy）会士，英国皇家化学学会（RSC）会士，西湖大学国强讲席教授。杨教授在有机光伏（OPV）领域做出了杰出的贡献，对于高分子聚合物的形貌以及其对器件性能影响有着极大的影响力；他发明了倒置有机太阳能电池，这个技术已经备用商业化产品；发明倒置串联太阳能电池以及透明太阳能电池；率先报道了数种具有高输出电压的新型高分子聚合物 (一家德国化学公司即将商业化一个专利)。杨教授的一系列科研成果在OPV历史上一次又一次创造NREL认证的高效率记录：2009年（7％），2011年（8.6％），2012年（10.6％），2018年（11.5％）和（12.6％）。自从2013年起，他还专注于钙钛矿太阳能电池的研究，并在2014年时通过介面工程学的提高达到了19.3%的光电转换效率。2018年，他发明了能量转换效率高达22.4%的钙钛矿/铜铟镓硒串联电池，创造了新的世界纪录。在Nature, Science, Nature Photonics, Nature Materials, Nature Nanotechnology，Journal of the American Chemical Society，Advanced Materials等顶级学术期刊发表论文超过400篇（总引用超过10万次，H-index为147），常年入选汤森路高被引科学家，2016年被选为汤森路透世界最有影响力科学家（全球13人入选），2018年成为汤森路透横跨化学、材料科学、物理三领域高被引学者（全球23人入选）。2019年英国皇家化学学会再生能源奖得主。
王照奎教授：苏州大学功能纳米与软物质研究院教授，博士生导师。于2011年获日本富山大学博士学位；2012-2013年，获日本学术振兴会（JSPS）资助，任富山大学外国人特别研究员。曾获日本文部科学省国费奖学金、“国家优秀自费留学生奖学金”及“富山大学校长奖”等荣誉奖励。主要从事有机/无机光电器件包括OLED、钙钛矿太阳能电池和钙钛矿LED的研究，集中于器件制备、结构优化以及物理机制方面的研究。以第一/通讯作者在Science (1篇)、Joule （1篇）、Adv. Mater. （6篇）、Adv. Energy Mater. （6篇）、Adv. Funct. Mater. （5篇）、J. Am. Chem. Soc. （2）、Nano Lett. （2）、ACS Nano （2）、Appl. Phys. Lett. （16篇）等期刊发表SCI论文100余篇，其中影响因子大于10的论文36篇，总引用3300余次，H-Index为35（Google Scholar）。
文章信息：
文章题目：Constructive molecular configurations for surface-defect passivation of perovskite photovoltaics
Rui Wang1*, Jingjing Xue1 *†, Kai-Li Wang2 *, Zhao-Kui Wang1,2†, Yanqi Luo3, David Fenning3, Guangwei Xu1, Selbi Nuryyeva1,4, Tianyi Huang1, Yepin Zhao1, Jonathan Lee Yang5, Jiahui Zhu1,Minhuan Wang1, Shaun Tan1, Ilhan Yavuz6 † , Kendall N. Houk4 † , Yang Yang1,7†
DOI: 10.1126/science.aay9698
Published: 19 December 2019
本工作得到了纳米科技协同创新中心青年科学家海外交流合作项目的支持。
文章链接：https://science.sciencemag.org/content/366/6472/1509.abstract
责任编辑：朱文昌