屡遭实验结果不符预期，青椒突破瓶颈后发Science

Original 沈春蕾科学网

文 | 《中国科学报》记者沈春蕾

当实验结果和最初预期结果不一致时，是退还是进？广州大学特聘副教授王亚飞选择迎难而上，并通过多次努力和尝试取得收获。

王亚飞

9月22日，美国莱斯大学教授Aditya D. Mohite领导的团队制备出一种高效稳定的钙钛矿太阳能电池，相关研究成果发表于Science。王亚飞是论文的第二作者，他曾作为访问学者在Mohite团队学习工作了两年。

“研究过程中需要通过不断地试错，更需要鼓起勇气坚持到底。”王亚飞向《中国科学报》介绍，这篇Science论文提及，Mohite团队研制的钙钛矿太阳能电池器件已经达到了24.5%的光电转换效率，相关的延伸性研究工作也在进一步开展中。

光电转换效率达24.5%

这些年来，Mohite领导的MPEM（Materials Physics for Energy Management）团队一直持续进行钙钛矿太阳能电池领域的研究。

“我们主要结合了三维钙钛矿和二维钙钛矿，制备出了双层叠层结构的钙钛矿太阳能电池。”Mohite说，“在进行上层二维钙钛矿调控的时候，我们参考了之前对二维钙钛矿的研究成果，有了最新的这篇Science论文。”

MPEM团队合影

在此前的研究中，MPEM团队分别揭示了二维钙钛矿光照下的晶体结构变化和二维钙钛矿薄膜的结晶生长调控，为太阳能电池高稳定性和高效率的研究打下了基础。

最新研究和以往研究有什么不同呢？王亚飞指出，主要是基于三维钙钛矿和二维钙钛矿的叠层结构，如何对二维三维钙钛矿叠层使用溶液法制备出结晶相、n值、厚度等参数可调的二维钙钛矿覆盖层，并实现效率和稳定性的双向提升。这也是研究的重点和难点。

他进一步介绍，通常研究中采用的二维三维钙钛矿，大多基于二维钙钛矿表面钝化的策略，没有充分利用二维钙钛矿超强稳定性的优势。如果对二维钙钛矿采用的n值和厚度无法进行调控的话，即便得到比较好的稳定性，器件的光电转换效率也无法得到保证。

MPEM团队（右一为Mohite）

那么，稳定和高效如何兼得？

MPEM团队采取了种子法（又叫微晶法）来调控叠层中二维钙钛矿的整体性质，实现了其晶向、相纯度、n值、结晶性等参数的调控，从而在二维钙钛矿厚度为50纳米的情况下，也能促进器件中载流子的传输，突破了太阳能电池效率和稳定性双向提升的瓶颈问题。

谈及钙钛矿太阳能电池距离商业化应用还有多远，王亚飞表示，目前存在的主要问题是怎么得到大面积的薄膜应用在光伏组件，以及如何在保持高效率的同时进一步提升器件的稳定性，还需要进一步研究。

团队付出收获Science论文

这是王亚飞参与的第一篇Science论文。

Mohite介绍，王亚飞主要研究了不同类型的溶剂制备二维三维钙钛矿叠层的基础方法，后期论文第一作者Siraj Sidhik通过种子法，调控了叠层中二维钙钛矿的相关参数，并实现了高效、稳定的钙钛矿太阳能电池的制备，其它的参与者主要进行了相关的表征测试。

在研究过程中也有一些困惑。Mohite告诉《中国科学报》：“项目初期尝试了使用CVD（化学气相沉淀法）的方法，发现效果并不理想，即便王亚飞在改用溶液法制备出了二维三维钙钛矿叠层之后，因为无法对上层二维钙钛矿进行有效的调控，也得不到性能优异的光伏器件。”

当时，Mohite等人都认为只能类似于其它的研究中使用表面的钝化机理进行解释，但后期Siraj在叠层中成功地制备出了性能可控的二维钙钛矿薄膜，解决了上述瓶颈问题。

早在2018年，这项研究的最初创意就被提了出来。经过反复尝试，直到2022年5月才投稿。Mohite表示，“我们的工作解决了钙钛矿太阳能电池稳定性和高效率的关键问题，Science能够帮助我们更好地展示成果，投稿过程也比较顺利。”

通过参与这篇论文，王亚飞认为自己最大的收获是：“一个比较好的科研成果，需要经过很多人不间断的长期努力才能实现。”

结果和预期可能不一致

在这项研究进行的早期，王亚飞和莱斯大学材料学院博士帅信廷一道，进行了大量的CVD实验的尝试，虽然取得了一定的成果，但是还没达到预期的目标。

王亚飞告诉《中国科学报》：“在研究中，我遇到了很难突破的效率和稳定性的瓶颈，最后经过后期Siraj的努力，通过种子法调控了二维钙钛矿的参数，得到了现在比较好的结果。”

从困惑到解惑，王亚飞也感受到团队合作的力量。

他表示，整个研究有大量的合作，像莱斯大学负责TOF-SIMS（飞行时间—二次离子质谱仪）的科学家Tanguy，他对二维三维钙钛矿的界面表征给予了大力支持，以及来自美国阿贡实验室科学家对晶体结构表征也给与了大量支持。当然，还有很多其他知名大学、研究机构的人员参与研究。

王亚飞等人在美国阿贡国家实验室

2018年10月，王亚飞加入 Mohite团队，当时申请了CSC（国家留学基金委）联合培养，同时也得到了Mohite研究助理的职位邀请。两年访学期间，王亚飞在学习生活过程中得到了电子科技大学导师李世彬的支持和指导，尤其在研究遇到挫折和瓶颈的时候。

2020年，王亚飞从电子科技大学光电学院教授李世彬课题组博士毕业。

目前，王亚飞入职广州大学机械与电气工程学院，加入邹涛教授领导的智能制造团队。他表示，现在的团队是一个多元化的团队，未来规划除了沿着现有的方向继续努力。他希望结合团队的特点和优势，在微纳器件研究、智能化装备制造等方向进行更加深入的探索。