一块长得类似镜子又有点像超薄iPad的正方形面板，连上USB线，只要室内有灯光，就可以持续为我们的手机充电。
这是王睿最近花了两三个小时设计制作的展示品，其中的关键材料是“钙钛矿”。
新能源革命的背后，材料科学的突破正扮演着关键角色。全球对绿色能源的需求正推动太阳能光伏技术迅速发展。其中，钙钛矿太阳能电池因高效率和低成本备受关注，被业界认为是“下一代光伏技术的领跑者”。
作为90后年轻学者，王睿海外学成归来后加入西湖大学，一心想将这种新型材料从实验室推向实际应用的广阔舞台。
新一代太阳能电池材料
1839年，当在俄罗斯乌拉尔山的山坡捡起一块石头时，德国矿物质学家古斯塔夫·罗斯不会想到，这种被他命名为钙钛矿的东西，会是下一把开启“双碳”能源革命的钥匙。
所谓钙钛矿，既不是钙也不是钛，而是具备相同晶体结构的一类化合物的统称（化学式为ABX3，A和 B都是阳离子，X是卤素阴离子）。在阳光照射下，钙钛矿吸光性很强，更容易释放电子，只需要薄薄一层，就能吸收光能。
2009年，日本科学家宫坂力造出了世界上第一块钙钛矿太阳能电池，当时的光电转换率只有3.8%。几年后，这个百分比跃升至19.3%，钙钛矿电池也被《科学》杂志评为2013年十大科学突破之一，打上了“新一代太阳能电池材料”的标签。
但钙钛矿有个致命的弱点：不太稳定，易受温度湿度影响，在户外环境下效率衰减很快。王睿及其团队就致力于提升这种新型材料的光电转换效率和稳定性。实验室里的大部分操作，在充了氮气，隔绝水和氧气的手套箱里进行。
王睿随手拿起桌上两块涂布了钙钛矿薄膜的正方形玻璃面板，展示他最近完成的演示模型：“它实际上是用溶液法将钙钛矿制备成一层薄膜，类似于一种涂层，即使在弱光条件下也能保持较高的转换效率，比如把日常生活中的室内光转化成电能。”
钙钛矿溶液
其中一块玻璃面板的边缘装有一排小灯带，当遮挡住钙钛矿层，灯带就会熄灭；而另一块配备USB接口，连上手机，就可以利用室内光充电。
“目前还充不满，只能保证手机在使用过程中不会因电量不足而关机。”王睿说。
受访者供图
让钙钛矿电池“喝”上咖啡
身高1.91米、说话总是面露微笑的王睿，1993年出生在辽宁锦州，本科就读于吉林大学，2015年毕业后前往美国加州大学伯克利分校读硕士，之后继续在加州大学洛杉矶分校攻读博士学位，学的是材料科学与工程专业，师从杨阳教授。
杨阳是国际光伏领域的著名专家，培养了众多顶尖人才。在前几年的一次自述中，他曾透露所带学生和科研团队高质高产的主要原因之一，是建立起一种“给学生压力、愿景和视野，培养他们团队合作精神”的实验室文化。
王睿的“追光”之旅，始于2016年。“那会儿刚读博进组，觉得钙钛矿电池比较新，里边有很多未知的点可以研究，对人类的未来也有益。”他认为这是自己人生中的一个重要转折点，“第一次尝试，转换率只有14%-15%。”
王睿爱喝咖啡，办公室里少不了手冲的材料器具。而咖啡不仅给他带来精神力量，还有意外的科研灵感。
2018年那会儿，王睿的相关研究尚处于起步阶段，实验转换率在18%左右。每天下午，他都会和同事享受一段咖啡时光，进行思想碰撞。一次讨论中，他们突发奇想：有没有什么材料能像咖啡一样，给钙钛矿电池带来“精神”上的提振，让它变得更稳定？
查阅资料后，他们发现咖啡因的结构中有两个官能团，刚好与此前研究中发现能控制钙钛矿结晶、促进材料生长的官能团一样。
买回1公斤高纯咖啡因材料，王睿尝试将它添加到钙钛矿电池中，结果令人惊喜：电池的效率提升至20%。这一喝咖啡喝出的发现，被物理化学领域的权威学术期刊《焦耳》所收录。
同一年，王睿和研究团队的目光投向世界三大饮料的其他两个，设计了相似的生物碱：茶碱和可可碱。“虽然两者有一样的官能团，但当时我们发现茶碱的位置和分子构型都更好，消除钙钛矿表面缺陷能力更强（制备钙钛矿电池过程中经常会发生缺少某个离子的情况，统称为缺陷）。”它让钙钛矿电池的转换效率提升到了23%，还创造了电池连续工作500小时的新纪录。
这也是王睿所在团队首次对钙钛矿表面缺陷进行系统性研究，成果发表在当年的《科学》杂志上。
加速钙钛矿电池商业化
2021年是王睿在美国留学的第六个年头，4月，怀揣着让钙钛矿电池走出实验室、实现商业化的梦想，他回国正式加入西湖大学工学院，成为西湖大学当时最年轻的博导。
这几年，王睿和团队做的各种实验，“万变不离其宗”地围绕着两件事：提升稳定性、提高转换率。
2023年6月，他们找到一种创新的甲脒铅碘钙钛矿取向成核方法，即加入一种叫“戊脒”的添加剂，带来更好的结晶度和更低的缺陷率，可用于大面积组件的制备，发表于《自然》；2024年2月，通过设计分子共轭面积，让钙钛矿电池的缺陷钝化剂能在高浓度下使用而不会“损伤”电池性能，被《焦耳》收录。
7月24日，《自然》在线发表了王睿实验室合作的最新成果：他们合成了一种新分子（Py3），与钙钛矿电池组件其中一层的设计有关，基于它制备的钙钛矿电池转换率从23%提高到26.1%，更重要的是稳定性提高3倍，寿命从3000小时延长到1万小时。这是团队取得的第一个关于倒置钙钛矿电池的成果。
随着实验一步步取得的进展，王睿也收获了诸多荣誉：入选福布斯中国“2021年度30 Under 30”榜单，登上《麻省理工科技评论》2022年度全球“35岁以下科技创新35人”榜单，获得阿里巴巴达摩院的2023年“青橙奖”……
“现在做出来的只能说是展示品，我们的最终目标是能够大规模应用，让它真正服务于社会，比如说电站。你刚才问用室内光给手机充电，多久能充满，其实我也想知道。”王睿说。
他就像一位资深的咖啡师，钻研着一款名为“钙钛矿”的咖啡豆，让它不断改变性状，为它寻找“伴侣”，偶尔还拉个花，只为寻找到它的最佳风味。
对话“新青年”
薄涂一层就可以供电
橙柿互动：钙钛矿电池属于第三代太阳能电池，那第一代和第二代分别是什么？
王睿：第一代太阳能电池的光电转化材料主要是单晶硅、多晶硅，第二代以碲化镉、铜铟镓硒等半导体薄膜太阳能电池为代表。
与硅太阳能电池相比，钙钛矿电池更轻薄、高效、低成本，甚至可以是柔性的。想象一下，未来像刷墙漆一样，在物体表面涂上钙钛矿太阳能电池，就能供电。
橙柿互动：具体点说，它可以用于哪些场景？
王睿：大型电站、建筑物表面、新能源车车顶……都是非常好的应用场景。需要用电的地方，基本上都可以用钙钛矿电池来代替，它会给传统光伏产业带来变革性创新。
难点在于克服材料的不稳定性
橙柿互动：钙钛矿电池研究目前存在哪些技术难点？大规模商业化道路上的主要阻碍又是什么？
王睿：两者的难点，都在于克服钙钛矿的不稳定性。光照下极为活泼的钙钛矿，很容易产生结构的崩塌。记得当年我刚进组时，领域内这种材料的使用寿命只有几十个小时。现在经过技术攻克，已能延长到近万小时。
橙柿互动：实验室这几年进行的研究及成果，是在同一问题层面的不同角度的研究，还是一种递进上旋的关系？
王睿：之前基本是递进的关系，基于正置结构。倒置是另外一个角度，现在我们开启了很多倒置角度的研究。
（注：钙钛矿电池通常分为五层。在正置电池中，从表面到内部依次为：透明导电氧化物、电子传输层、钙钛矿光吸收层、空穴选择接触层、金属电极；而倒置电池的电子传输层和空穴选择接触层位置对调。近几年的研究显示，倒置钙钛矿电池的效率可与正置电池相媲美，且稳定性更强。）
我们没有刻意追随他人的研究成果
橙柿互动：您和团队在《自然》《科学》等顶尖学术期刊上已发表多篇论文，能透露高质高产的“秘诀”吗？
王睿：首先肯定是研究领域上的优势，钙钛矿的研究领域非常前沿，经常会有一些突破性发现。其次，无论是科研氛围、平台设施，还是人才招聘和团队建设，西湖大学都为我们创造了良好的条件。我们可以自由地和国内外课题组合作，促进学科间的交叉融合，确保研究课题始终站在全球科研的潮头。
再者，就是钙钛矿的实验节奏属于短平快，做一批可能一天就能得到结果，而有的研究领域可能需要一周甚至是更长的等待时间。不过，这也导致这个行业特别卷，竞争激烈。
橙柿互动：和其他实验室相比，您觉得你们的优势是什么？
王睿：我感觉我们每次抓的点还是相对前沿的，没有刻意去追随他人的工作。
未来可以带着折叠板
随时随地给手机充电
橙柿互动：能透露实验室眼下的工作重点吗？
王睿：主要还是提高材料的使用寿命（稳定性）。从实验室的平方厘米小尺寸到产业化的大尺寸，里面很多问题不同。
考虑到将来商业化，成本控制同样关键。要评估提升效率所增加的成本是否能够得到回报。这涉及一系列的权衡和实验验证。幸运的是，我们团队成员较多，能够多方向并行研究。
橙柿互动：所以，我们未来可能会带着一块板走在路上，随时随地给手机充电？
王睿：可以设计成折叠形态，你看现在手机都有三折的。这样，钙钛矿电池就可以成为一种随身携带的充电解决方案，但比现在的充电宝更轻，也不用给它充电。
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