杨阳教授是有机和钙钛矿光伏领域的世界顶级科学家，他发表了超过500篇经同行评审的论文、超过80项正在申请或已授权的专利，及超过200次的大会或邀请报告。截至目前，论文被引用超过13万次，H-index指数为169。也就是说，平均每一天全球有超过10个科研团队引用他的研究成果，并且持续了25年！2016年，他被路透社Thomson Reuters评选为全球最具影响力科学家之一。他说：我是一个一次只能专注于一件事情上的人（a one-thing man）。以钙钛矿太阳能电池领域的研究为例，可以看出他的不断创新和持续专注。有机-无机卤化铅钙钛矿(OLHP)半导体材料，因其优异的光电应用，而引起了研究者广泛的兴趣，并在过去十年中飞速发展，不断突破。基于OLHP的光电器件如今已成为一个独立的研究领域，特别是，使用OLHP作为光活性层的太阳能电池已经超过了25%的功率转换效率。然而，如何实现钙钛矿的稳定性，以及切实可行的商业化，至今依然是一个重大挑战。这需要全球科学家和工程师从基础研究和应用研究的角度双管齐下，重新思考，协同攻关。2018年8月31日，加州大学洛杉矶分校Yang Yang和Qifeng Han团队发展了一种高效的钙钛矿/Cu(In,Ga)Se2两节叠层钙钛矿太阳能电池。研究人员以有机无机杂化钙钛矿作为前电池，CIGS作为后电池。通过纳米尺度的界面工程化处理，降低CIGS的表面粗糙度，以及应用重度掺杂的有机空穴传输层PTAA，获得了最佳界面，保留开路电压，同时增强了填充因子和短路电流。最终，研究人员实现了22.43%的转化效率，未封装的电池在1-sun辐照条件下经过500小时老化测试后，效率仍可保持90%左右。Qifeng Han, Yao-Tsung Hsieh, Lei Meng, YangYang et al. High-performance perovskite/Cu(In,Ga)Se2monolithic tandem solarcells. Science 2018, 361, 904-908.http://science.sciencemag.org/content/361/6405/9042019年12月20日，加州大学洛杉矶分校杨阳教授及其合作者系统地研究了茶碱，咖啡因和可可碱（是世界三大饮料的主要成分）的不同化学环境的官能团对缺陷钝化的情况。当分子中N-H和C=O处于最佳构型时，N-H和I之间的氢键形成有助于主要的C=O与铅碘）反位缺陷的结合，从而使得该表面缺陷更难形成。研究结果表明，用茶碱处理的钙钛矿太阳能电池的稳定效率可达到22.6％。探索分子构型对钙钛矿表面缺陷钝化影响的这项研究，无论是研究思路的独特性、创新性，还是实用性，都堪称钙钛矿研究领域难得一见的经典。Constructive molecular configurations for surface-defect passivation ofperovskite photovoltaics，Science，2019DOI: 10.1126/science.aay9698https://science.sciencemag.org/content/366/6472/15092021年2月5日，UCLA杨阳团队等人发现其中的有机阳离子具有“双重人格”，它除了起到保持晶格完整性的作用之外，研究表明它也可以对钙钛矿的带边结构产生影响。该发现将会对未来新型钙钛矿材料的设计提供崭新的思路。杨阳教授团队联合美国可再生能源国家实验室(NREL) Matthew C. Beard团队和美国托莱多大学(Toledo)鄢炎发团队，通过设计一系列具有大π共轭体系的有机铵盐，发现当合理调控芘基共轭铵盐与B-X框架的作用距离，其能对钙钛矿的表面前沿轨道产生影响。该种芘基铵盐可以改变钙钛矿的表面价带边结构并影响钙钛矿的载流子动力学。其中，引入芘乙胺的钙钛矿具有更高的空穴迁移率，能量转换效率以及稳定性。该发现为调控钙钛矿的电子结构提供了一个新的自由度。Jingjing Xue et al. Reconfiguring the band-edge states of photovoltaic perovskites by conjugated organic cations. Science 2021, 371, 636-640.https://science.sciencemag.org/content/371/6529/636OLHP的化学通式为ABX3，由于A阳离子本身并不直接影响OLHP的带边结构，因此传统上认为它几乎不会影响OLHP的光电特性。杨阳教授上一篇的Science中研究揭示：A位阳离子在确定OLHP的光电和物理化学本身关系方面的关键作用。2022年2月25日，钙钛矿三大掌门人成均馆大学Sang Il Seok, Nam-Gyu Park和UCLA杨阳教授团队合作，回顾了A阳离子的多功能性所带来的重要突破，并强调了与OLHP中A阳离子相关的潜在机会和未解答的问题。
Jin-Wook Lee, Shaun Tan, Sang Il Seok, Yang Yang, Nam-Gyu Park.Rethinking the A cation in halide perovskites, Science, 2022.https://doi.org/10.1126/science.abj1186仅仅一周之后，2022年3月15日，杨阳教授再次在Nature报道钙钛矿电池最新研究进展。这项研究打破常规，从钙钛矿稳定的本征角度出发，堪称钙钛矿电池稳定性研究有史以来为数不多的里程碑式进展，为钙钛矿电池的稳定性研究和商业化提供了重要指导。第一作者：Shaun Tan, Tianyi Huang, Ilhan Yavuz通讯作者：Yang Yang，Rui Wang, Jin-Wook Lee通讯单位：加州大学洛杉矶分校（第一单位）、成均馆大学、西湖大学光电器件由不同半导体材料之间形成的异质界面组成。为了提高钙钛矿太阳能电池(PSC)的稳定性和性能，顶部钙钛矿表面和电荷传输材料(CTM)之间通常会进行缺陷钝化处理。然而，这种处理可能改变钙钛矿和顶部CTM之间的异质界面能量，从而改变电荷载流子动力学。有鉴于此，加州大学洛杉矶分校杨阳（Yang Yang）教授团队，西湖大学王睿和成均馆大学Jin-Wook Lee等人发现，在钙钛矿太阳能电池顶部钙钛矿表面和电荷传输材料(CTM)之间的异质界面进行缺陷钝化处理，可能引起负功函数偏移（即更多的n型），从而引发卤化物迁移，导致PSC不稳定，并进一步提出了理想钙钛矿/CTM异质界面的设计原则。1. 发现了缺陷钝化处理可能会影响异质界面能量和引起负的功函数偏移（即更多的n型），并激发卤化物迁移以加剧PSC的不稳定性。2. 提出了对缺陷钝化处理引发的有利和不利影响之间的权衡策略，指导如何通过表面处理提高PSC稳定性。紫外光电子能谱（UPS）测量表明，普遍使用的基于碘化物的铵表面处理策略，通常会导致负ΔW（图1a），随着烷基铵链长度的增加，ΔW的大小依次增加。考虑到负ΔW与相对更富电子的表面有关，研究团队推测负ΔW可以通过增加反阴离子来调节。进一步的UPS测量表明（图1b），用溴[Br]-、四氟硼酸盐[BF4]-、或三氟乙酸[TFA]-取代碘化物[I]-，逐渐使OAI处理的负ΔW与参考膜的负ΔW相反，但仅甲苯磺酰[TsO]-取代能完全中和负ΔW。在反阴离子中，[TsO]-具有最强的吸电子特性，这也证明了它在合成异裂裂变化学中作为离开基团的广泛用途。研究人员通过开尔文探针力显微镜（KPFM）测量来验证功函数分布。结果表明，OAI处理的薄膜平均功函数从参考薄膜的4.67±0.08 eV降至4.49±0.09 eV，与OATsO处理的薄膜4.77±0.11 eV形成鲜明对比。根据UPS结果构建的能带结构预测，负的ΔEvac可能会产生一个陷阱。随后通过在开路条件下进行照明对横截面进行KPFM测试，研究了平面结构ITO/SnO2/钙钛矿/spiro-MeOTAD/Au完整器件中的实时电荷载流子分布。钙钛矿/spiro-MeOTAD异质界面处测得的器件ΔEvac值与从薄膜中获得的值一致。电荷载流子在开路条件下（分裂准费米能级）是不可追踪的，并且可能在相反极性的接触选择性异质界面处累积（图1h，i）。原则上，理想的光伏材料应具有均匀的电场分布，其异质结上没有电荷积累，这在经过OATsO处理的钙钛矿/spiro-MeOTAD异质界面上可以观察到。光致发光（PL）光谱表明，表面处理的薄膜中的电荷俘获缺陷状态得到了有效抑制（图2a，b）。尽管存在有利的钝化效应，但在所有表面处理的薄膜中，spiro-MeOTAD的电荷提取都会受到不同程度的牺牲性阻碍，其程度与ΔEvac的大小相关（图2c，d）。与参考/spiro-MeOTAD薄膜相比，经OAI处理的薄膜的平均载流子寿命（τave）增加了一倍多，达到8.1纳秒（从3.0纳秒），稳态光致发光强度提高了223%。相比之下，OATsO处理同时抑制了陷阱态，而电荷提取几乎没有受到阻碍，避免了OABF4和OAI处理的权衡。在最大功率点（MPP）测试下（图2f），经过OATsO处理的材料在约800小时后仍能保持其性能。而经过OABF4处理的材料也相对稳定，在约500小时后仍保持91.5%的性能。在经过表面处理的材料中，经过OAI处理的材料在约500小时后性能老化最快。然而，材料性能老化趋势是相同的，并且与ΔEvac的大小相关。在大约1014小时的中间点附近，这些材料保留了平均PCE的94.3%（OATsO处理）、86.2%（OABF4处理）和74.8%（OAI处理）。2092小时后结束，经过OATsO处理的材料平均保留了初始PCE的87.0%。另一方面，在2092小时的老化过程中，经OAI处理的材料的平均PCE（初始值的65.1%）显著下降。最稳定的OATsO处理材料在1014小时和2092小时后分别保留其初始PCE的94.9%和88.5%（图2h）。通过分析老化趋势，得出陷阱和电荷积累可能加速了离子迁移的结论。在钙钛矿/spiro-MeOTAD异质界面处，两个样品表现出显著差异。经OAI处理的材料异质界面的形貌更粗糙。这表明，粗糙化是老化过程固有的，可能与离子迁移引起的异质界面降解有关。通过STEM中的X射线能量色散（EDX），对材料的元素分布进行表征（图3c-f）。尽管在完全消除基于FAPbI3的材料中对溴的需求方面取得了进展，但研究表明，在最先进的设备中，溴可能仍然是稳定α-FAPbI3相所必需的。图3 卤化物钙钛矿钝化材料STEM和EDX表征分析。
使用第一性原理弹性带法（NEB）进一步模拟了离子迁移路径。为了模拟钙钛矿/spiro-MeOTAD异质界面上的电荷积累，计算了中性不带电或带负电环境中卤化物迁移的活化能。晶格内迁移研究了带电环境可能产生的库仑屏蔽效应，以改变键亲和力，从而改变迁移热力学。对于晶格内迁移（图4a），在带负电荷的环境中，碘（-38.7%）和溴（-29.4%）的能垒都显著降低。对于晶格外的迁移（图4b），同样观察到，在带电环境中，碘迁移（-13.3%）和溴迁移（-17.8%）的活化能都较低。根据阿累尼乌斯关系，速率常数与活化能垒成指数关系。离子渗透导致与spiro-MeOTAD发生不可逆的化学反应，从而降低其空穴传输功能，以及顶部电极层的化学腐蚀，这可能导致器件的VOC和FF衰变。在这项工作中，研究团队研究了异质界面能量变化对载流子提取、陷阱钝化、电荷积累和离子迁移的影响。并发现负功函数变化（ΔW）会在陷阱中积累电荷，降低卤化物迁移活化能，从而限制PSC的稳定性。负ΔW相当于异质界面处的负真空水平变化（ΔEvac），则ΔW和ΔEvac可互换使用。表面处理的改善方法受到负ΔEvac的牺牲性限制，但调节反阴离子是进一步提高PSC稳定性和性能的简单方法。利用第一性原理初步探索了ΔEvac的可能机制起源，配体诱导的ΔW起源于两个独立的贡献：1）配体固有偶极矩（μ偶极），2）配体表面相互作用和键形成引起的电荷密度位移（μ电荷）。推测μ电荷和μ偶极子对[TsO]-协同平衡[OA]+的同时贡献，导致OATsO处理产生净正ΔEvac。提出了理想钙钛矿/CTM异质界面的设计原则。并初步测试了[TsO]-与不同链长的烷基氨的配对，但OATsO处理材料产生了最佳性能。Tan, S., Huang, T., Yavuz, I.et al. Stability-limiting heterointerfaces of perovskite photovoltaics. Nature2022.https://doi.org/10.1038/s41586-022-04604-51. 纳米人：杨老师，请问这项研究最核心的创新点是什么？UCLA杨阳教授：有机铵盐表面处理是提升钙钛矿太阳能电池光电转换效率的有效手段，但是大多数研究人员把目光聚焦在如苯乙铵，辛铵，油铵等阳离子上，阴离子往往卤素离子（碘离子为多）而未被广泛关注。我们选择另辟蹊径，研究发现这些阴离子的作用并不可以被忽略，反而会造成表面功函的负偏移，使得表面形成电荷积累，从而对钙钛矿太阳能电池的长期稳定造成不良影响。因此我们设计了一系列有机阴离子，处理过后的钙钛矿表面功函并没有明显改变，实现了超过24.4%的光电转换效率，并且经过连续光照2000小时的加速测试后，仍然保持着超过87%的原始转换效率。2. 纳米人：这项研究，对于钙钛矿电池领域可能会产生什么推动作用？UCLA杨阳教授：对钙钛矿电池的领域来说，稳定性问题一直是限制其商业化的最大阻碍。我们所研发的这一简单的策略有效提升了钙钛矿太阳能电池的连续光照稳定性，这为发展更加有效的稳定钙钛矿的策略带来了新的启发。3. 纳米人：钙钛矿电池的稳定性是制约其商业化的关键指标，全球科学家和工程师也提供了许多策略。从基础研究的角度，未来钙钛矿的稳定性研究应该从哪些方面入手？UCLA杨阳教授：我觉得对于钙钛矿来说，解决稳定性的关键在于“对症下药”。需要知道病灶在哪里，才能去更好的治病，真正的解决问题。目前来看，离子迁移是影响稳定性的大问题，我们需要更加深入的研究离子迁移的来源，开发出最合适的手段去抑制它，这需要全世界科研人员的共同努力。4. 纳米人：从实用的角度考虑，您觉得有哪些切实可行的稳定化策略，可以尽快保障钙钛矿电池的商业化？UCLA杨阳教授：表面处理就是一个很好的手段，简单且有效，关键是找到最合适的材料。此外封装技术的发展也要给予一定的重视。5. 纳米人：您长期专注钙钛矿电池的研究，请问这个研究领域最吸引您的地方是什么？UCLA杨阳教授：钙钛矿太阳能电池的研究是充实和富有新鲜感的。我从事太阳能电池研究多年，从来没有一种材料可以仅仅经过短短10年就达到了25%的转换效率，和硅太阳能电池相媲美，超过了同代所有电池材料。而且对于这个领域来说，还有很多未知的性质等待我们的探索，比如A位阳离子对电子结构的作用和卤素阴离子对表面能带的影响等等，这使我对钙钛矿这一研究领域一直充满热情和新鲜感。
