杨培东团队：在失败的实验里发现一篇Nature Materials

在科学研究领域，实验失败是各个实验室的常客，无论是在实验设计还是实际操作阶段，一点点疏忽或者考虑不周就会导致让人非常沮丧的结果。遇到这种情况，研究者往往需要分析失败原因，然后改进设计和条件，或者干脆重新设计实验，以期达到目标。失败的实验呢？一般就留在了实验记录本的某一页上，然后被堆在某个尘封的角落里。不过，失败的实验也并非一无是处，不少著名的发现最初都是来自失败的实验，例如青霉素。最近，美国加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的杨培东教授（点击查看介绍）团队就从失败的实验里找到了一项很有意思的发现——在阴凉时透明而在阳光强烈时颜色自动变深的“智能窗”，不仅如此，它还能利用太阳能发电。相关论文发表在Nature Materials 上，共同第一作者为杨培东课题组的Jia Lin博士、博士生Minliang Lai和Letian Dou博士（现任普渡大学助理教授）。

能自动转换颜色和发电的“智能窗”。图片来源：Peidong Yang Group ^[1] / Dr. Jia Lin

杨培东教授是著名的材料学家。1993年毕业于中国科学技术大学，1997年获得哈佛大学化学博士学位，1999年至今在美国加州大学伯克利分校任教。2012年当选美国人文与科学院院士，2015年9月获得美国“麦克阿瑟天才奖（MacArthur Fellow）”，2016年5月当选美国国家科学院院士。^[1-2] 熟悉杨培东教授的读者可能都知道，他的课题组研究领域主要在于一维纳米结构及其在光学和能量转化中的应用，包括人工光合作用、催化、太阳能电池等。他们2005年发表的一篇“纳米线染料-敏化太阳能电池”研究论文，^[3] 截止目前引用次数达到惊人的4538次，这在近十几年的化学材料领域的研究论文中名列前茅（点击阅读相关）。这次杨培东教授的研究领域又延伸到“智能窗”了？一切还是要从那个失败的实验说起。

杨培东教授的卡通造型（左）和本人照片（右）。图片来源：Peidong Yang Group ^[1]/ UC Berkeley^[2]

其实，研究人员最初并没有想着开发一种热致变色的太阳能“智能窗”，而是在研究钙钛矿太阳能电池中材料的相变，他们期望通过使用铯离子代替甲基铵离子来提高甲胺铅碘（MAPbI₃）钙钛矿的稳定性。钙钛矿是目前光伏领域的热门研究方向，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池成本低、容易制备、效率高，阻碍钙钛矿太阳能电池取代传统硅基电池的最大问题就是“稳定性”。结果，材料的“化学稳定性显著提高，但不幸的相稳定性较差，”Letian Dou博士说。^[4] 他们的铯铅碘溴化物（CsPbI_3−xBr_x）材料在两种光电子性质差别巨大的相之间变化，室温下的非钙钛矿相（low-T相）和高温下的钙钛矿相（high-T相）。一旦材料转变为low-T相，光伏性质就会显著降低。

Letian Dou博士说，“这可不是个好结果。不过好在我们最后将其转变成了有用且独特的发现”。^[4] 原来，研究者们发现通过加热可以完成从low-T相到high-T相的转变，材料也从无色透明变成橘红色。更有意思的是，这种变化的可逆性也不错，在潮湿环境中，水蒸气在室温下即可高效率地促进材料由high-T相转变为low-T相。在经过100个相变的可逆循环后，钙钛矿的成分几乎没有发生变化（以CsPbIBr₂为例）。于是他们设想，这种有意思的热致变色现象，是否可以应用于智能窗呢？

铯铅碘溴化物钙钛矿相变及结构和性质变化。图片来源：Nat. Mater.

加热促进low-T相到high-T相的转变，材料也从无色透明变成橘红色。图片来源：Nat. Mater.

潮湿环境中，水蒸气在室温下促进材料由high-T相转变为low-T相。图片来源：Nat. Mater.

“智能窗”是一个研究了多年的课题，一般通过能变色的玻璃来调控窗户的透光率从而控制室温降低能耗，常见的方式包括电致变色、热致变色以及使用液晶材料。而半透明光伏器件可以制成产能玻璃，可以提供能量输出，却不能改变颜色。将二者合一的想法也有，十几年前就有人发明了可调节透明度的光伏玻璃，策略是在半透明太阳能电池中加入额外的变色成分。^[5] 本文的研究者发现他们的热致变色无机钙钛矿材料正好弥补了空白，一种材料即可实现热致变色和太阳能发电两种功能。

研究者随后基于这种铯铅碘溴化物钙钛矿制备了倒装结构全无机太阳能电池器件。器件中的钙钛矿材料为low-T相时，电池器件呈半透明；而在high-T相时，电池器件呈橘红色（下图f）。毫不意外，high-T相和low-T相时的器件光伏性能差别巨大。基于CsPbIBr₂的电池器件在high-T相时，能量转换效率（PCE）可以达到5.57%；同一个电池器件，钙钛矿转变为low-T相时，PCE却只有0.11%，前后相差约50倍。不同的的钙钛矿组分，最高PCE在约7%左右。而且经历多次相变循环之后，器件的效率几乎没有明显下降。

电池器件结构、光伏性能及外观。图片来源：Nat. Mater.

文中，研究者还分析了铯铅碘溴化物（CsPbI_3−xBr_x）组分差异对于材料和器件性能的影响，也探讨了水蒸气触发该无机钙钛矿材料相变的机理。吸附在无机卤化物钙钛矿膜表面上的水分，可以通过将空位引入晶格，降低成核的自由能垒，从而在室温下高效地催化high-T相至low-T相的转变。

这一技术也有一些需要改进的地方，比如，从透明的透光状态转为深色的发电状态，需要加热到100 ℃以上，这显然不利于实际应用。而且，发电状态的电池PCE仅有7%，还有很大的提升空间。

总之，这种热致变色无机钙钛矿材料，通过控制相变可以实现“智能窗”和太阳能电池的功能。虽然距离实用还有较大的距离，本文的工作还是为钙钛矿材料的应用开辟了一条新的道路。从失败的实验中获得灵感，并进一步深入研究找到新的发现，值得大家探讨和借鉴。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Thermochromic halide perovskite solar cells

Nat. Mater., 2018, 17, 261-267, DOI: 10.1038/s41563-017-0006-0

导师介绍

杨培东

http://www.x-mol.com/university/faculty/761

参考资料：

1. http://nanowires.berkeley.edu/

2. https://chemistry.berkeley.edu/faculty/chem/yang

3. Nanowire dye-sensitized solar cells. Nat. Mater., 2005, 4, 455-459

4. https://www.universityofcalifornia.edu/news/scientists-create-smart-windows-actually-generate-electricity

5. Photoelectrochromic windows and displays. Nature, 1996, 383, 608-610