巾幗不讓須眉！盤點全球鈣鈦礦光伏研究中的明星女科學家

作為最受期待的新型光伏技術之一，鈣鈦礦光伏技術在數以萬計的科學家推動下取得了前所未有的巨大突破，且美國MIT和韓國KRICT合作將小面積（～0.1 cm²）鈣鈦礦光伏電池的轉換效率記錄提升至25.2%，同時大面積（～1.0 cm²）鈣鈦礦光伏電池的轉換效率也被澳洲ANU刷新至21.6%，成績喜人。除了超高的轉換效率，在過去十年中，鈣鈦礦光伏技術的穩定性、大面積產業化以及疊層化方面也實現巨大突破。首先，在穩定性方面，美國UNC大學研究小組制作的封裝鈣鈦礦電池在65 ℃模擬太陽光照射下，MPP追蹤近2個月后仍保持約97％的初始效率。英國牛津大學研究小組制作的封裝電池在大氣環境中85 ℃全光譜模擬太陽光持續照射1200小時后SPO效率衰減不超過5%。其次，在大面積產業化方面，日本松下公司大面積印刷的900 cm²鈣鈦礦模組取得了17.9%的穩態認證效率。另外，杭州纖納光電制作的封裝鈣鈦礦小組件在濕熱實驗測試中，組件老化時間由之前的1000小時提升至3000小時（高于IEC濕熱測試Damp heat test 3倍時長），組件轉化效率無衰減。與此同時，紫外預處理實驗使用了100 kWh的劑量（等同于IEC檢測標準的6.5倍以上），組件效率衰減小于2%，表明鈣鈦礦模組在效率和穩定性方面實現同步提升。最后，在疊層化方面，1 cm²的兩端子鈣鈦礦/晶硅、鈣鈦礦/CIGS和鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層電池效率也已經分別達到了29.1%、24.2%和24.2%。因此，鈣鈦礦光伏技術已經開啟未來新型光伏技術研究的新篇章。在鈣鈦礦光伏技術研究學者中，男性研究者一直是中流砥柱。但近年來，女性科研工作者正在不斷崛起，眾多優秀女科學家在鈣鈦礦電池研究中取得十分重要的成就。正所謂巾幗不讓須眉，本文盤點了全球鈣鈦礦光伏研究中的杰出女科學家代表如下：

1、周歡萍（北京大學）

現任北京大學工程學院材料科學與工程系研究員，曾于2010年至2015年期間在美國加利福尼亞大學洛杉磯分校材料科學與工程系進行博士后研究（Advisor: Pro. Yang Yang），研究總體目標集中在半導體材料的多維控制上，包括納米級（可控制合成，生長機制和自組裝），微米級（膜生長，缺陷鈍化和界面控制）以及宏觀（器件結構）研究。她在《Science》、《Nature Energy》等優質期刊上發表了100多篇論文，論文總被引次數超過20000，涉及材料、化學、物理、納米技術、能源、工程等領域，H指數為52。周歡萍博士曾入選2018年《麻省理工科技評論》全球“35歲以下創新35人”，2019年榮獲“科學探索獎”（獎金300萬）。周歡萍博士領導的研究小組開發了一系列化學工藝，使鈣鈦礦太陽能電池更高效更便宜地生產，同時大幅提高了鈣鈦礦太陽能電池的耐用性。周歡萍研究代表作如下：

A Eu³⁺-Eu²⁺?ion redox shuttle imparts operational durability to Pb-I perovskite solar cells?(通訊作者, Science, 2019)

金屬鹵化物鈣鈦礦通常會在器件制造和器件運行中產生Pb⁰和I⁰缺陷，這些缺陷不僅充當復合中心降低器件效率，還充當降解引發劑阻礙器件壽命。周歡萍小組的研究發現Eu³⁺-Eu²⁺離子對可以充當“氧化還原梭”，可同時選擇性氧化Pb⁰和還原I⁰缺陷，使器件獲得20.52％的認證功率轉換效率，器件在1個太陽連續照射或在85°C下加熱1500小時后分別保留了92％和89％的峰值效率，大大提高其長期耐久性。

Interface engineering of highly efficient perovskite solar cells?(共一作, Science, 2014)

引用次數：5000+

眾所周知，改善鈣鈦礦薄膜質量和調節界面材料能夠提高鈣鈦礦電池效率。周歡萍博士等通過控制薄膜生長濕度來降低薄膜缺陷密度，抑制了吸收劑中載流子的復合，并選擇合適的界面材料修飾，使電池效率超過19％，這種在空氣中低溫溶液制備工藝，簡化了廉價高效鈣鈦礦器件的大面積制造過程。

2、Wanyi?Nie（洛斯阿拉莫斯國家實驗室）

現任洛斯阿拉莫斯國家實驗室研究科學家，曾于2010年至2016年期間在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行博士后研究（Advisor: Pro. Aditya D. Mohite）。她在《Science》、《Nature》等優質期刊上發表了20多篇論文，論文總被引次數超過3000，H指數為23。Wanyi?Nie研究代表作如下：

Light-induced lattice expansion leads to high-efficiency perovskite solar cells?(通訊作者, Science, 2018)

有機-無機鈣鈦礦太陽能電池中的離子遷移限制了器件的穩定性和性能。Nie等研究人員發現銫摻雜的三陽離子混合鈣鈦礦在1個太陽光照下暴露180分鐘后，發生了均勻的晶格膨脹。晶格膨脹導致局部晶格應變的松弛，降低了鈣鈦礦-接觸界面處的高能壘，有利于平面鈣鈦礦器件功率轉換效率從18.5%提高到20.5％，且器件全光譜一個太陽照射下連續工作超過1500小時，高效光電器件的性能幾乎無損害，這種光誘導的結構動力學對于理解鈣鈦礦光電器件的物理特性、器件性能和穩定性起著至關重要的作用。

High-efficiency two-dimensional Ruddlesden–Popper perovskite solar cells?(共一作, Nature, 2016)

引用次數：1000+

三維有機-無機鈣鈦礦雖然具有超高的轉換效率，但其工作條件下的環境穩定性和光穩定性相對不足。與三維相比較，Ruddlesden-Popper相（層狀二維鈣鈦礦膜）表現出令人鼓舞的穩定性，但效率低，相對較差的效率歸因于大有機陽離子對面外電荷傳輸的抑制，大有機陽離子類似于導電無機層之間的絕緣間隔。在這里，Nie等人創造性地采用熱基板工藝制作出近單晶質量的層狀鈣鈦礦薄膜，促進高效的電荷運輸，光伏效率達到了12.52％。更為重要的是，與三維器件相比，層狀鈣鈦礦器件在光、濕和熱應力測試時顯示出極其優越的穩定性。封裝的準二維鈣鈦礦器件在恒定的AM1.5G光照或65％相對濕度下超過2000小時后幾乎不會出現任何退化。

3、Giulia Grancini (帕維亞大學)

現任意大利帕維亞大學物理化學系教授，Giulia Grancini從2012年到2015年一直在意大利理工學院（CNST @ PoliMi）擔任博士后研究員。2015年，她加入了EPFL的Nazeeruddin教授小組，自2016年以來，她領導EPFL的PhysicsSolarLab，致力于解決先進光伏器件背后的基礎物理問題。2017年，她獲得了瑞士Ambizione能源補助金（100萬瑞士法郎）用于能源領域的先進創新項目。Giulia Grancini因其“對光物理特性和超快光致動力學過程的深入了解”而榮獲2017年IUPAP光學青年科學家獎。2018年其因在物理領域的突破性成就而獲得2018年SPS應用物理獎，她提高了人們對新型鈣鈦礦太陽能電池光物理行為的基礎理解，是光伏技術研究領域的“游戲規則改變者”。目前，她還是歐洲LaserLab項目的首席研究員。Giulia Grancini在高影響力期刊上發表了70多篇優秀論文，總被引用次數超過8700，h指數為32。Giulia的工作集中在探索先進光電設備背后的基本光物理過程，并特別關注新一代光伏電池。Giulia Grancini研究代表作如下：

Dimensional tailoring of hybrid perovskites for photovoltaics?(通訊作者, Nat. Rev. Mater., 2019)

3D有機-無機雜化鈣鈦礦太陽能電池的性能雖然以驚人的速度被提高，但較差的穩定性阻礙其商業化應用。相對于3D混合鈣鈦礦，低維（即2D）混合鈣鈦礦表現出更高的濕度穩定性，為穩定鈣鈦礦光伏器件提供了新方法。Giulia Grancini等在這篇綜述中討論了二維鈣鈦礦的最新技術，概述了結構和材料工程方面以及光學和光物理性質。此外，文章還討論了3D鈣鈦礦的最新發展及主要局限性，并評估了2D鈣鈦礦在穩定性方面的優勢。最后回顧了3D/2D混合維鈣鈦礦同時提高器件效率和穩定性的方法所取得的最新成就，為鈣鈦礦太陽能電池的商業應用鋪平了道路。

One-Year stable perovskite solar cells by 2D/3D interface engineering?(一作, Nat. Commun., 2017)

引用次數：800+

盡管鈣鈦礦型太陽能電池具有令人印象深刻的光伏性能，但其運行穩定性仍然很差，遠未能滿足市場需求。Giulia Grancini等人設計了一種超穩定的2D/3D （HOOC(CH₂)₄NH₃)₂PbI₄/CH₃NH₃PbI₃混合維鈣鈦礦結構，這種優異的漸進多維鈣鈦礦界面使碳基鈣鈦礦器件的效率高達12.9％。為了展示技術的高端潛力，采用工業印刷工藝制造的10×10 cm²太陽能電池組件在大于10000 h的持續光照內能穩定輸出11.2％的效率，這種獨特的低成本穩定結構強力推動鈣鈦礦太陽能電池的商業化。

4、Olga Malinkiewicz（Saule Technologies）

現任Saule Technologies的聯合創始人兼CTO，她目前管理著一支由20位多國科學家組成的科學團隊，正在建設全球獨一無二的噴墨印刷鈣鈦礦太陽能電池原型生產線。2011年，Olga Malinkiewicz開始在瓦倫西亞大學開展新型鈣鈦礦電池研究（Advisor: Pro. Henk Bolink），并在2014年歐盟舉辦的競賽中獲得Photonics21學生創新獎。不久之后，她聯合Artur Kupczunas和Piotr Krych創立了一家鈣鈦礦光伏初創公司Saule Technologies。Olga Malinkiewicz憑借“成功實現噴墨印刷技術生產廉價柔性的鈣鈦礦電池”而入選2015年《麻省理工科技評論》歐洲區“35歲以下創新35人”。2016年，Olga Malinkiewicz榮獲“For Contribution to Poland and Polish People”獎。2017年，Olga Malinkiewicz榮獲波蘭最具影響力的女性之一。Olga Malinkiewicz研究代表作如下：

Flexible high efficiency perovskite solar cells?(共一作, Energy Environ. Sci., 2014)

引用次數：300+

Olga Malinkiewicz等在基于PET的導電基底上制備出具有7％功率轉換效率的柔性鈣鈦礦太陽能電池，該設備的反復彎曲不會降低其性能，表明其非常適用于卷對卷加工。

High efficiency single-junction semitransparent perovskite solar cells?(共一作, Energy Environ. Sci., 2014)

引用次數：200+

Olga Malinkiewicz等成功制備出30％透明度的半透明鈣鈦礦太陽能電池，并實現了高于6％的功率轉換效率（PCE），表明鈣鈦礦薄層與金屬箔的完美兼容。

5、劉明偵（電子科技大學）

現任電子科技大學材料與能源學院副院長，應用化學中心主任，國家重點研發計劃“納米科技”青年項目首席科學家。曾于2012年至2015年期間，劉明偵在英國牛津大學（Advisor: Pro. Henry J. Snaith）光電光伏研發中心攻讀博士學位，劉明偵教授近年來已在《Nature》、《EES》等高水平雜志上發表多篇論文，劉明偵在2011 獲得由英國工程技術協會頒發的“工程技術獎(IET Prize)”，2011 獲得布里斯托大學授予的“桑德爾獎 (Sander Prize)”，2014 獲得由牛津大學Wolfson學院頒發的學院特別獎，并入選2018年亞洲最具影響力的“30歲以下30人”（醫療與科學版塊），她的研究重點是積極探索當前鈣鈦礦太陽能電池謎團，并實現與新一代薄膜電池疊加新技術。劉明偵研究代表作如下：

Unveiling Property of Hydrolysis-Derived DMAPbI₃?for Perovskite Devices: Composition Engineering, Defect Mitigation, and Stability Optimization?(通訊作者, iScience, 2019)

劉明偵研究小組證實了在DMF中溶解PbI₂和HI不會產生HPbI₃，而是水解產物DMAPbI₃((CH3)₂NH₂⁺, DMA⁺)，并對水解衍生材料（即DMAPbI₃）進行深入研究，詳細分析其在制備高效鈣鈦礦電池中的作用。通過改變前體中CsI/DMAPbI₃的比例可以獲得高質量Cs_xDMA_1-xPbI₃鈣鈦礦薄膜，該薄膜具有均勻的形貌、低的陷阱態密度和良好的穩定性，從而使功率轉換效率達到了14.3％，這項發現為生產高質量Cs基鈣鈦礦材料提供了新見解。

Efficient planar heterojunction perovskite solar cells by vapour deposition?(一作, Nature, 2013)

引用次數：6000+

劉明偵博士的實驗表明納米結構對于鈣鈦礦電池實現高效率而言不是必需的，簡單的平面異質結太陽能電池結構，并結合氣相沉積的鈣鈦礦作為吸收層，可以將太陽能轉換效率超過15％。

6、Anita Ho-Baillie (新南威爾士大學)

現任澳大利亞悉尼大學理學院首位John Hooke納米科學主席，且兼任新南威爾士大學光伏和可再生能源工程學院副教授，并于2016年至2019年擔任澳大利亞高級光伏中心鈣鈦礦太陽能電池研究的項目經理。Anita Ho-Baillie曾于2003年至2005年期間在新南威爾士大學（Advisor: Pro. Martin Green）攻讀博士學位。她在光伏領域的研究興趣包括高效硅（Si）太陽能電池、硅串聯太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池。她目前領導著由12名高學位研究學生和5名學術人員組成的鈣鈦礦太陽能電池研究小組（成立于2013年底）。2016年，Ho-Baillie的團隊取得了當時大面積鈣鈦礦太陽能模組的最高認證效率。Anita Ho-Baillie教授近年來已在《Science》、《Nature Materials》等高水平雜志上發表了100多篇論文，論文總被引次數超過10000，H指數為43。Anita Ho-Baillie研究代表作如下：

Gas chromatography–mass spectrometry analyses of encapsulated stable perovskite solar cells?(通訊作者, Science, 2020)

混合鈣鈦礦太陽能電池在太陽光下工作時會發熱，鈣鈦礦材料中有機成分，尤其是常用的甲基銨陽離子，會發生熱分解。封裝可以使這種反應達到平衡來抑制分解，并防止暴露于有害的環境濕氣。Ho-Baillie團隊首創氣相色譜-質譜法來檢測揮發性產物，研究了一系列封裝的鈣鈦礦薄膜和器件。低成本聚合物壓封/玻璃堆疊封裝可有效抑制氣體轉移，并使含甲基銨的鈣鈦礦太陽能電池能夠通過要求苛刻的國際電工委員會（IEC）61215：2016潮濕和濕氣凍結測試，太陽能電池模塊能夠經受1800多個熱循環（–40°至85°C）和75個濕度循環老化測試。

Critical Role of Grain Boundaries for Ion Migration in Formamidinium and Methylammonium Lead Halide Perovskite Solar Cells?(通訊作者, Adv. Energy Mater., 2016)

引用次數：200+

Anita Ho-Baillie小組通過開爾文探針力顯微鏡（KPFM）和原子力顯微鏡（AFM）研究了(FAPbI₃)_0.85(MAPbBr₃)_0.15型鈣鈦礦太陽能電池在偏壓和光照下晶界的關鍵作用。離子遷移在晶界處得到增強。在光照條件下光感電勢會引起離子遷移，從而導致離子分布重新排列，促進光生載流子在晶界處的收集。這些發現為理解鹵化物鈣鈦礦太陽能電池的運行提供了新洞見。

7、Annamaria Petrozza (米蘭理工學院)

????

現任意大利米蘭理工學院納米科學與技術中心高級研究員，并自2013年10月起擔任終身教授。她的研究工作集中在闡明界面光電機制以提高可溶液加工半導體和器件的效率和穩定性，并特別著重于高效第三代太陽能電池。Annamaria Petrozza于2005年至2008年期間前往英國劍橋大學（Advisor: Pro. Richard H. Friend）攻讀物理學博士學位。由于在鈣鈦礦方面的開拓性工作，她被授予2014年《麻省理工科技評論》歐洲區“35歲以下創新35人”。2017年，Annamaria又入選皇家化學學會“新興研究者”之列。Annamaria教授近年來已在《Nature Energy》、《Nature Photonics》等高水平雜志上發表了200多篇論文，論文總被引次數超過17000，H指數為44。Annamaria Petrozza研究代表作如下：

Controlling competing photochemical reactions stabilizes perovskite solar cells?(通訊作者, Nat. Photonics, 2019)

金屬鹵化物鈣鈦礦在長期光照下會發生離子遷移和解離，這可能導致材料降解。然而，另類的報道表明光照下的離子遷移有利于修復缺陷。Annamaria小組通過結合模擬計算與可控光致發光測量證明了光誘導鈣鈦礦材料缺陷形成和淬滅，這些載流子缺陷態導致光不穩定性。與鹵化物缺陷有關的長壽命載流子陷阱觸發了光誘導的材料轉變，從而驅動了這兩個過程。使用鈍化策略可以通過抑制非共價表面態來控制缺陷的形成，進而能夠穩定鈣鈦礦層，并增強了鈣鈦礦太陽能電池的光穩定性。

Excitons versus free charges in organo-lead tri-halide perovskites?(通訊作者, Nat. Commun., 2014)

引用次數：1000+

在過去的二十年中，由于低成本太陽能的誘人前景，激子型太陽能電池已經成為了研究的熱點。 但是，在這種電池中，激子解離和電荷收集發生時會導致能量顯著損失，而有機-無機雜化鈣鈦礦材料有望克服這些局限。Annamaria小組使用光譜法估算出混合鹵化物晶體中的激子結合能為55±20 meV，這預示著在光伏電池工作條件下激子幾乎完全解離，類似于常規的無機半導體薄膜太陽能電池。同時這也表明異質結在鈣鈦礦太陽能電池中的作用僅是為了實現選擇性電荷收集，而不是促進激子解離。值得注意的是，盡管鈣鈦礦電池在工作原理上并非是激子型，但它們仍可在能帶邊緣保持較大的吸收振子強度，讓人聯想到潛在的激子躍遷。

8、Laura Herz (牛津大學)

現任英國牛津大學物理系教授，并兼任牛津大學數學，物理與生命科學（MPLS）部門副主任。Laura Herz于2002年取得英國劍橋大學卡文迪許實驗室物理學博士學位，曾先后榮獲Nevill Mott獎章、Friedrich-Wilhelm-Bessel獎等諸多獎項。Laura Herz教授近年來已在《Nature Materials》、《Nature Communications》等高水平雜志上發表了180多篇論文，論文總被引次數超過23000，H指數為61。Laura Herz研究代表作如下：

Intrinsic quantum confinement in formamidinium lead triiodide perovskite?(通訊作者, Nat. Mater., 2020)

了解金屬鹵化物鈣鈦礦中的電子能譜對于進一步改善薄膜光伏性能至關重要。Laura Herz小組發現FAPbI₃薄膜的吸收光譜中存在帶隙以上的振蕩特征，并將這些離散特征歸因于內在量子約束效應，隨溫度引起的相關能量變化與本征晶格參數的平方成反比，且與峰值呈二次指數變化。通過確定導致峰值強度明顯減小的閾值薄膜厚度以及理論計算吸收特征模擬可以估算出量子約束尺度為10–20 nm。

High Charge Carrier Mobilities and Lifetimes in Organolead Trihalide Perovskites?(通訊作者, Adv. Mater., 2013)

引用次數：2000+

Laura Herz小組發現有機鉛鹵化物鈣鈦礦材料CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃PbI_3-xCl_x顯示出接近10 cm²?V^-1?s^-1的高電荷載流子遷移率和低雙分子電荷復合數，兩者均比由郎之萬電荷俘獲動力學方程得到的極限值還高出四個量級以上，進而導致出乎意料的長載流子擴散長度（超過1微米）。這種效應很可能是由金屬鹵化物鈣鈦礦結構內或整個晶域中相反電荷載流子的空間分離而產生的。這種長（微米）電荷載流子擴散長度對于平面異質結光伏電池至關重要。

9、Maria Antonietta Loi?(格羅寧根大學)

現任荷蘭格羅寧根大學科學與工程學院光物理與光電子學教授。Maria Antonietta Loi曾于2001年取得意大利卡利亞里大學物理學博士學位。Maria Loi是光電領域的先驅和創新專家，她在光電領域的貢獻在于始終使用創新的材料組合，形成獨特的混合系統，進而產生與眾不同的新特征。2018年，她因在有機-無機雜化材料方面的杰出工作而獲得荷蘭物理學會頒發的《物理學獎》。Maria Antonietta Loi教授近年來已在《Energy & Environmental Science》、《Nature Materials》等高水平雜志上發表了200多篇論文，論文總被引次數超過10000，H指數為60。Maria Antonietta Loi研究代表作如下：

Extrinsic nature of the broad photoluminescence in lead iodide-based Ruddlesden–Popper perovskites?(通訊作者, Nat. Commun., 2020)

二維Ruddlesden–Popper型金屬鹵化物鈣鈦礦因其優異的光穩定性而成為鈣鈦礦研究焦點，這歸因于它們中的強載流子-聲子相互作用形成自陷激子，從而產生大斯托克斯位移和寬發光。與大多數報道不同，Maria Antonietta Loi小組仔細研究了兩種不同類型2D鈣鈦礦(PEA)₂PbI₄和(FPEA)₂PbI₄，它們都能在室溫下顯示出較寬的發射帶。首先通過研究單晶行為可以排除晶界和表面作為斯托克斯位移發射帶的起源，然后通過光譜技術發現固有自陷并非會誘導這些材料寬光發射。相反，外部因素決定了寬發射帶的存在與否，且它們與缺陷引起的間隙態相關。溫度相關分析和低能激發確定了在這些材料的帶隙中存在幾種發射態。因此，激子自陷及其在鹵化物鈣鈦礦中的重要性不能被預先假定。

Highly Reproducible Sn‐Based Hybrid Perovskite Solar Cells with 9% Efficiency (通訊作者, Adv. Energy Mater., 2017)

引用次數：300+

錫基鈣鈦礦太陽能電池的低效率主要歸因于高暗電流密度，這是源于超高固有缺陷密度（如Sn空位和Sn⁴⁺）所致。Loi小組通過在面外方向上以正交a軸沉積準單晶FASnI₃膜，成功地將暗態載流子密度降低了一個量級以上。使用這些高度結晶的2D/3D混合FASnI₃膜，首次將平面p–i–n結構錫基鈣鈦礦電池的效率提升至9.0％。這些器件具有極低的缺陷誘導復合、超低的分流損耗和很高的電荷收集能力，使器件遲滯效應可忽略不計。晶體有序排列和堆積提高了鈣鈦礦結構的堅固性和完整性，并有助于抑制Sn空位的形成并抑制暗態載流子密度。高結晶度和優先的晶體取向使這種錫基鈣鈦礦電池在光照和環境條件下具有更高的穩定性。

本文由bbbbbbioy供稿。

本內容為作者獨立觀點，不代表材料人網立場。

未經允許不得轉載，授權事宜請聯系kefu@cailiaoren.com。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP。