巾帼不让须眉！盘点全球钙钛矿光伏研究中的明星女科学家

作为最受期待的新型光伏技术之一，钙钛矿光伏技术在数以万计的科学家推动下取得了前所未有的巨大突破，且美国MIT和韩国KRICT合作将小面积（～0.1 cm²）钙钛矿光伏电池的转换效率记录提升至25.2%，同时大面积（～1.0 cm²）钙钛矿光伏电池的转换效率也被澳洲ANU刷新至21.6%，成绩喜人。除了超高的转换效率，在过去十年中，钙钛矿光伏技术的稳定性、大面积产业化以及叠层化方面也实现巨大突破。首先，在稳定性方面，美国UNC大学研究小组制作的封装钙钛矿电池在65 ℃模拟太阳光照射下，MPP追踪近2个月后仍保持约97％的初始效率。英国牛津大学研究小组制作的封装电池在大气环境中85 ℃全光谱模拟太阳光持续照射1200小时后SPO效率衰减不超过5%。其次，在大面积产业化方面，日本松下公司大面积印刷的900 cm²钙钛矿模组取得了17.9%的稳态认证效率。另外，杭州纤纳光电制作的封装钙钛矿小组件在湿热实验测试中，组件老化时间由之前的1000小时提升至3000小时（高于IEC湿热测试Damp heat test 3倍时长），组件转化效率无衰减。与此同时，紫外预处理实验使用了100 kWh的剂量（等同于IEC检测标准的6.5倍以上），组件效率衰减小于2%，表明钙钛矿模组在效率和稳定性方面实现同步提升。最后，在叠层化方面，1 cm²的两端子钙钛矿/晶硅、钙钛矿/CIGS和钙钛矿/钙钛矿叠层电池效率也已经分别达到了29.1%、24.2%和24.2%。因此，钙钛矿光伏技术已经开启未来新型光伏技术研究的新篇章。在钙钛矿光伏技术研究学者中，男性研究者一直是中流砥柱。但近年来，女性科研工作者正在不断崛起，众多优秀女科学家在钙钛矿电池研究中取得十分重要的成就。正所谓巾帼不让须眉，本文盘点了全球钙钛矿光伏研究中的杰出女科学家代表如下：

1、周欢萍（北京大学）

现任北京大学工程学院材料科学与工程系研究员，曾于2010年至2015年期间在美国加利福尼亚大学洛杉矶分校材料科学与工程系进行博士后研究（Advisor: Pro. Yang Yang），研究总体目标集中在半导体材料的多维控制上，包括纳米级（可控制合成，生长机制和自组装），微米级（膜生长，缺陷钝化和界面控制）以及宏观（器件结构）研究。她在《Science》、《Nature Energy》等优质期刊上发表了100多篇论文，论文总被引次数超过20000，涉及材料、化学、物理、纳米技术、能源、工程等领域，H指数为52。周欢萍博士曾入选2018年《麻省理工科技评论》全球“35岁以下创新35人”，2019年荣获“科学探索奖”（奖金300万）。周欢萍博士领导的研究小组开发了一系列化学工艺，使钙钛矿太阳能电池更高效更便宜地生产，同时大幅提高了钙钛矿太阳能电池的耐用性。周欢萍研究代表作如下：

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

金属卤化物钙钛矿通常会在器件制造和器件运行中产生Pb⁰和I⁰缺陷，这些缺陷不仅充当复合中心降低器件效率，还充当降解引发剂阻碍器件寿命。周欢萍小组的研究发现Eu³⁺-Eu²⁺离子对可以充当“氧化还原梭”，可同时选择性氧化Pb⁰和还原I⁰缺陷，使器件获得20.52％的认证功率转换效率，器件在1个太阳连续照射或在85°C下加热1500小时后分别保留了92％和89％的峰值效率，大大提高其长期耐久性。

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

引用次数：5000+

众所周知，改善钙钛矿薄膜质量和调节界面材料能够提高钙钛矿电池效率。周欢萍博士等通过控制薄膜生长湿度来降低薄膜缺陷密度，抑制了吸收剂中载流子的复合，并选择合适的界面材料修饰，使电池效率超过19％，这种在空气中低温溶液制备工艺，简化了廉价高效钙钛矿器件的大面积制造过程。

2、Wanyi Nie（洛斯阿拉莫斯国家实验室）

现任洛斯阿拉莫斯国家实验室研究科学家，曾于2010年至2016年期间在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室进行博士后研究（Advisor: Pro. Aditya D. Mohite）。她在《Science》、《Nature》等优质期刊上发表了20多篇论文，论文总被引次数超过3000，H指数为23。Wanyi Nie研究代表作如下：

Light-induced lattice expansion leads to high-efficiency perovskite solar cells (通讯作者, Science, 2018)

有机-无机钙钛矿太阳能电池中的离子迁移限制了器件的稳定性和性能。Nie等研究人员发现铯掺杂的三阳离子混合钙钛矿在1个太阳光照下暴露180分钟后，发生了均匀的晶格膨胀。晶格膨胀导致局部晶格应变的松弛，降低了钙钛矿-接触界面处的高能垒，有利于平面钙钛矿器件功率转换效率从18.5%提高到20.5％，且器件全光谱一个太阳照射下连续工作超过1500小时，高效光电器件的性能几乎无损害，这种光诱导的结构动力学对于理解钙钛矿光电器件的物理特性、器件性能和稳定性起着至关重要的作用。

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

引用次数：1000+

三维有机-无机钙钛矿虽然具有超高的转换效率，但其工作条件下的环境稳定性和光稳定性相对不足。与三维相比较，Ruddlesden-Popper相（层状二维钙钛矿膜）表现出令人鼓舞的稳定性，但效率低，相对较差的效率归因于大有机阳离子对面外电荷传输的抑制，大有机阳离子类似于导电无机层之间的绝缘间隔。在这里，Nie等人创造性地采用热基板工艺制作出近单晶质量的层状钙钛矿薄膜，促进高效的电荷运输，光伏效率达到了12.52％。更为重要的是，与三维器件相比，层状钙钛矿器件在光、湿和热应力测试时显示出极其优越的稳定性。封装的准二维钙钛矿器件在恒定的AM1.5G光照或65％相对湿度下超过2000小时后几乎不会出现任何退化。

3、Giulia Grancini (帕维亚大学)

现任意大利帕维亚大学物理化学系教授，Giulia Grancini从2012年到2015年一直在意大利理工学院（CNST @ PoliMi）担任博士后研究员。2015年，她加入了EPFL的Nazeeruddin教授小组，自2016年以来，她领导EPFL的PhysicsSolarLab，致力于解决先进光伏器件背后的基础物理问题。2017年，她获得了瑞士Ambizione能源补助金（100万瑞士法郎）用于能源领域的先进创新项目。Giulia Grancini因其“对光物理特性和超快光致动力学过程的深入了解”而荣获2017年IUPAP光学青年科学家奖。2018年其因在物理领域的突破性成就而获得2018年SPS应用物理奖，她提高了人们对新型钙钛矿太阳能电池光物理行为的基础理解，是光伏技术研究领域的“游戏规则改变者”。目前，她还是欧洲LaserLab项目的首席研究员。Giulia Grancini在高影响力期刊上发表了70多篇优秀论文，总被引用次数超过8700，h指数为32。Giulia的工作集中在探索先进光电设备背后的基本光物理过程，并特别关注新一代光伏电池。Giulia Grancini研究代表作如下：

Dimensional tailoring of hybrid perovskites for photovoltaics (通讯作者, Nat. Rev. Mater., 2019)

3D有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的性能虽然以惊人的速度被提高，但较差的稳定性阻碍其商业化应用。相对于3D混合钙钛矿，低维（即2D）混合钙钛矿表现出更高的湿度稳定性，为稳定钙钛矿光伏器件提供了新方法。Giulia Grancini等在这篇综述中讨论了二维钙钛矿的最新技术，概述了结构和材料工程方面以及光学和光物理性质。此外，文章还讨论了3D钙钛矿的最新发展及主要局限性，并评估了2D钙钛矿在稳定性方面的优势。最后回顾了3D/2D混合维钙钛矿同时提高器件效率和稳定性的方法所取得的最新成就，为钙钛矿太阳能电池的商业应用铺平了道路。

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

引用次数：800+

尽管钙钛矿型太阳能电池具有令人印象深刻的光伏性能，但其运行稳定性仍然很差，远未能满足市场需求。Giulia Grancini等人设计了一种超稳定的2D/3D （HOOC(CH₂)₄NH₃)₂PbI₄/CH₃NH₃PbI₃混合维钙钛矿结构，这种优异的渐进多维钙钛矿界面使碳基钙钛矿器件的效率高达12.9％。为了展示技术的高端潜力，采用工业印刷工艺制造的10×10 cm²太阳能电池组件在大于10000 h的持续光照内能稳定输出11.2％的效率，这种独特的低成本稳定结构强力推动钙钛矿太阳能电池的商业化。

4、Olga Malinkiewicz（Saule Technologies）

现任Saule Technologies的联合创始人兼CTO，她目前管理着一支由20位多国科学家组成的科学团队，正在建设全球独一无二的喷墨印刷钙钛矿太阳能电池原型生产线。2011年，Olga Malinkiewicz开始在瓦伦西亚大学开展新型钙钛矿电池研究（Advisor: Pro. Henk Bolink），并在2014年欧盟举办的竞赛中获得Photonics21学生创新奖。不久之后，她联合Artur Kupczunas和Piotr Krych创立了一家钙钛矿光伏初创公司Saule Technologies。Olga Malinkiewicz凭借“成功实现喷墨印刷技术生产廉价柔性的钙钛矿电池”而入选2015年《麻省理工科技评论》欧洲区“35岁以下创新35人”。2016年，Olga Malinkiewicz荣获“For Contribution to Poland and Polish People”奖。2017年，Olga Malinkiewicz荣获波兰最具影响力的女性之一。Olga Malinkiewicz研究代表作如下：

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

引用次数：300+

Olga Malinkiewicz等在基于PET的导电基底上制备出具有7％功率转换效率的柔性钙钛矿太阳能电池，该设备的反复弯曲不会降低其性能，表明其非常适用于卷对卷加工。

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

引用次数：200+

Olga Malinkiewicz等成功制备出30％透明度的半透明钙钛矿太阳能电池，并实现了高于6％的功率转换效率（PCE），表明钙钛矿薄层与金属箔的完美兼容。

5、刘明侦（电子科技大学）

现任电子科技大学材料与能源学院副院长，应用化学中心主任，国家重点研发计划“纳米科技”青年项目首席科学家。曾于2012年至2015年期间，刘明侦在英国牛津大学（Advisor: Pro. Henry J. Snaith）光电光伏研发中心攻读博士学位，刘明侦教授近年来已在《Nature》、《EES》等高水平杂志上发表多篇论文，刘明侦在2011 获得由英国工程技术协会颁发的“工程技术奖(IET Prize)”，2011 获得布里斯托大学授予的“桑德尔奖 (Sander Prize)”，2014 获得由牛津大学Wolfson学院颁发的学院特别奖，并入选2018年亚洲最具影响力的“30岁以下30人”（医疗与科学版块），她的研究重点是积极探索当前钙钛矿太阳能电池谜团，并实现与新一代薄膜电池叠加新技术。刘明侦研究代表作如下：

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

刘明侦研究小组证实了在DMF中溶解PbI₂和HI不会产生HPbI₃，而是水解产物DMAPbI₃((CH3)₂NH₂⁺, DMA⁺)，并对水解衍生材料（即DMAPbI₃）进行深入研究，详细分析其在制备高效钙钛矿电池中的作用。通过改变前体中CsI/DMAPbI₃的比例可以获得高质量Cs_xDMA_1-xPbI₃钙钛矿薄膜，该薄膜具有均匀的形貌、低的陷阱态密度和良好的稳定性，从而使功率转换效率达到了14.3％，这项发现为生产高质量Cs基钙钛矿材料提供了新见解。

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

引用次数：6000+

刘明侦博士的实验表明纳米结构对于钙钛矿电池实现高效率而言不是必需的，简单的平面异质结太阳能电池结构，并结合气相沉积的钙钛矿作为吸收层，可以将太阳能转换效率超过15％。

6、Anita Ho-Baillie (新南威尔士大学)

现任澳大利亚悉尼大学理学院首位John Hooke纳米科学主席，且兼任新南威尔士大学光伏和可再生能源工程学院副教授，并于2016年至2019年担任澳大利亚高级光伏中心钙钛矿太阳能电池研究的项目经理。Anita Ho-Baillie曾于2003年至2005年期间在新南威尔士大学（Advisor: Pro. Martin Green）攻读博士学位。她在光伏领域的研究兴趣包括高效硅（Si）太阳能电池、硅串联太阳能电池和钙钛矿太阳能电池。她目前领导着由12名高学位研究学生和5名学术人员组成的钙钛矿太阳能电池研究小组（成立于2013年底）。2016年，Ho-Baillie的团队取得了当时大面积钙钛矿太阳能模组的最高认证效率。Anita Ho-Baillie教授近年来已在《Science》、《Nature Materials》等高水平杂志上发表了100多篇论文，论文总被引次数超过10000，H指数为43。Anita Ho-Baillie研究代表作如下：

Gas chromatography–mass spectrometry analyses of encapsulated stable perovskite solar cells (通讯作者, Science, 2020)

混合钙钛矿太阳能电池在太阳光下工作时会发热，钙钛矿材料中有机成分，尤其是常用的甲基铵阳离子，会发生热分解。封装可以使这种反应达到平衡来抑制分解，并防止暴露于有害的环境湿气。Ho-Baillie团队首创气相色谱-质谱法来检测挥发性产物，研究了一系列封装的钙钛矿薄膜和器件。低成本聚合物压封/玻璃堆叠封装可有效抑制气体转移，并使含甲基铵的钙钛矿太阳能电池能够通过要求苛刻的国际电工委员会（IEC）61215：2016潮湿和湿气冻结测试，太阳能电池模块能够经受1800多个热循环（–40°至85°C）和75个湿度循环老化测试。

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

引用次数：200+

Anita Ho-Baillie小组通过开尔文探针力显微镜（KPFM）和原子力显微镜（AFM）研究了(FAPbI₃)_0.85(MAPbBr₃)_0.15型钙钛矿太阳能电池在偏压和光照下晶界的关键作用。离子迁移在晶界处得到增强。在光照条件下光感电势会引起离子迁移，从而导致离子分布重新排列，促进光生载流子在晶界处的收集。这些发现为理解卤化物钙钛矿太阳能电池的运行提供了新洞见。

7、Annamaria Petrozza (米兰理工学院)

现任意大利米兰理工学院纳米科学与技术中心高级研究员，并自2013年10月起担任终身教授。她的研究工作集中在阐明界面光电机制以提高可溶液加工半导体和器件的效率和稳定性，并特别着重于高效第三代太阳能电池。Annamaria Petrozza于2005年至2008年期间前往英国剑桥大学（Advisor: Pro. Richard H. Friend）攻读物理学博士学位。由于在钙钛矿方面的开拓性工作，她被授予2014年《麻省理工科技评论》欧洲区“35岁以下创新35人”。2017年，Annamaria又入选皇家化学学会“新兴研究者”之列。Annamaria教授近年来已在《Nature Energy》、《Nature Photonics》等高水平杂志上发表了200多篇论文，论文总被引次数超过17000，H指数为44。Annamaria Petrozza研究代表作如下：

Controlling competing photochemical reactions stabilizes perovskite solar cells (通讯作者, Nat. Photonics, 2019)

金属卤化物钙钛矿在长期光照下会发生离子迁移和解离，这可能导致材料降解。然而，另类的报道表明光照下的离子迁移有利于修复缺陷。Annamaria小组通过结合模拟计算与可控光致发光测量证明了光诱导钙钛矿材料缺陷形成和淬灭，这些载流子缺陷态导致光不稳定性。与卤化物缺陷有关的长寿命载流子陷阱触发了光诱导的材料转变，从而驱动了这两个过程。使用钝化策略可以通过抑制非共价表面态来控制缺陷的形成，进而能够稳定钙钛矿层，并增强了钙钛矿太阳能电池的光稳定性。

Excitons versus free charges in organo-lead tri-halide perovskites (通讯作者, Nat. Commun., 2014)

引用次数：1000+

在过去的二十年中，由于低成本太阳能的诱人前景，激子型太阳能电池已经成为了研究的热点。 但是，在这种电池中，激子解离和电荷收集发生时会导致能量显著损失，而有机-无机杂化钙钛矿材料有望克服这些局限。Annamaria小组使用光谱法估算出混合卤化物晶体中的激子结合能为55±20 meV，这预示着在光伏电池工作条件下激子几乎完全解离，类似于常规的无机半导体薄膜太阳能电池。同时这也表明异质结在钙钛矿太阳能电池中的作用仅是为了实现选择性电荷收集，而不是促进激子解离。值得注意的是，尽管钙钛矿电池在工作原理上并非是激子型，但它们仍可在能带边缘保持较大的吸收振子强度，让人联想到潜在的激子跃迁。

8、Laura Herz (牛津大学)

现任英国牛津大学物理系教授，并兼任牛津大学数学，物理与生命科学（MPLS）部门副主任。Laura Herz于2002年取得英国剑桥大学卡文迪许实验室物理学博士学位，曾先后荣获Nevill Mott奖章、Friedrich-Wilhelm-Bessel奖等诸多奖项。Laura Herz教授近年来已在《Nature Materials》、《Nature Communications》等高水平杂志上发表了180多篇论文，论文总被引次数超过23000，H指数为61。Laura Herz研究代表作如下：

Intrinsic quantum confinement in formamidinium lead triiodide perovskite (通讯作者, Nat. Mater., 2020)

了解金属卤化物钙钛矿中的电子能谱对于进一步改善薄膜光伏性能至关重要。Laura Herz小组发现FAPbI₃薄膜的吸收光谱中存在带隙以上的振荡特征，并将这些离散特征归因于内在量子约束效应，随温度引起的相关能量变化与本征晶格参数的平方成反比，且与峰值呈二次指数变化。通过确定导致峰值强度明显减小的阈值薄膜厚度以及理论计算吸收特征模拟可以估算出量子约束尺度为10–20 nm。

High Charge Carrier Mobilities and Lifetimes in Organolead Trihalide Perovskites (通讯作者, Adv. Mater., 2013)

引用次数：2000+

Laura Herz小组发现有机铅卤化物钙钛矿材料CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃PbI_3-xCl_x显示出接近10 cm² V^-1 s^-1的高电荷载流子迁移率和低双分子电荷复合数，两者均比由郎之万电荷俘获动力学方程得到的极限值还高出四个量级以上，进而导致出乎意料的长载流子扩散长度（超过1微米）。这种效应很可能是由金属卤化物钙钛矿结构内或整个晶域中相反电荷载流子的空间分离而产生的。这种长（微米）电荷载流子扩散长度对于平面异质结光伏电池至关重要。

9、Maria Antonietta Loi (格罗宁根大学)

现任荷兰格罗宁根大学科学与工程学院光物理与光电子学教授。Maria Antonietta Loi曾于2001年取得意大利卡利亚里大学物理学博士学位。Maria Loi是光电领域的先驱和创新专家，她在光电领域的贡献在于始终使用创新的材料组合，形成独特的混合系统，进而产生与众不同的新特征。2018年，她因在有机-无机杂化材料方面的杰出工作而获得荷兰物理学会颁发的《物理学奖》。Maria Antonietta Loi教授近年来已在《Energy & Environmental Science》、《Nature Materials》等高水平杂志上发表了200多篇论文，论文总被引次数超过10000，H指数为60。Maria Antonietta Loi研究代表作如下：

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

二维Ruddlesden–Popper型金属卤化物钙钛矿因其优异的光稳定性而成为钙钛矿研究焦点，这归因于它们中的强载流子-声子相互作用形成自陷激子，从而产生大斯托克斯位移和宽发光。与大多数报道不同，Maria Antonietta Loi小组仔细研究了两种不同类型2D钙钛矿(PEA)₂PbI₄和(FPEA)₂PbI₄，它们都能在室温下显示出较宽的发射带。首先通过研究单晶行为可以排除晶界和表面作为斯托克斯位移发射带的起源，然后通过光谱技术发现固有自陷并非会诱导这些材料宽光发射。相反，外部因素决定了宽发射带的存在与否，且它们与缺陷引起的间隙态相关。温度相关分析和低能激发确定了在这些材料的带隙中存在几种发射态。因此，激子自陷及其在卤化物钙钛矿中的重要性不能被预先假定。

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

引用次数：300+

锡基钙钛矿太阳能电池的低效率主要归因于高暗电流密度，这是源于超高固有缺陷密度（如Sn空位和Sn⁴⁺）所致。Loi小组通过在面外方向上以正交a轴沉积准单晶FASnI₃膜，成功地将暗态载流子密度降低了一个量级以上。使用这些高度结晶的2D/3D混合FASnI₃膜，首次将平面p–i–n结构锡基钙钛矿电池的效率提升至9.0％。这些器件具有极低的缺陷诱导复合、超低的分流损耗和很高的电荷收集能力，使器件迟滞效应可忽略不计。晶体有序排列和堆积提高了钙钛矿结构的坚固性和完整性，并有助于抑制Sn空位的形成并抑制暗态载流子密度。高结晶度和优先的晶体取向使这种锡基钙钛矿电池在光照和环境条件下具有更高的稳定性。

本文由bbbbbbioy供稿。

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