成長于浙江，畢業(yè)于浙大。倪朕伊是浙江溫州人,，本科和博士均就讀于浙江大學,，就連第一段博后研究也是在浙大。
2018 年,，時年 29 歲的他來到鈣鈦礦領(lǐng)域的先驅(qū)之一北卡羅來納大學教堂山分校黃勁松教授的課題組,，從事博后研究工作至今。最近,，他的一項研究解決了鈣鈦礦太陽能電池領(lǐng)域內(nèi)一則重要問題——發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦電池中缺陷的來源,。2021 年 12 月 22 日，相關(guān)論文以《金屬鹵化物鈣鈦礦太陽能電池在反向偏壓和光照下降解過程中缺陷的演變》（Evolution of defects during the degradation of metal halide perovskite solar cells under reverse bias and illumination）為題,，發(fā)表在 Nature Energy 上[1],。圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Energy）倪朕伊表示，鈣鈦礦太陽能電池是近年來新興的一種高性能太陽能電池,。提高這類電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性,，是目前該領(lǐng)域的研究熱點。光電轉(zhuǎn)換效率,，代表著太陽能電池把光能轉(zhuǎn)換為電能的能力大小,，很大程度上決定著太陽能電池的成本。但在鈣鈦礦電池中,，往往存在較多的缺陷能級,，它們會捕獲由光能轉(zhuǎn)換而來的電能的載體，比如電子或空穴,，并使它們以非電能的形式耗散在電池中,，這會導(dǎo)致電池的光電轉(zhuǎn)換效率降低。可以說,，該領(lǐng)域內(nèi)一個長期存在的問題便是,，鈣鈦礦中的缺陷能級到底由什么形成？只有回答這個問題,，才能在后續(xù)研究中針對缺陷能級的本質(zhì)去設(shè)計實驗,，以便減少、或鈍化電池中的缺陷能級,。基于此,，在此次研究中，他主要針對這一問題開展研究,。其表示,，對于鈣鈦礦電池器件中的缺陷鈍化，該研究可提供重要的研究思路,。如能進一步減少或鈍化鈣鈦礦電池中的缺陷能級,，此類電池將具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率,、以及更好的穩(wěn)定性。相應(yīng)地,，光伏發(fā)電的成本也會下降,，到時即可用上更廉價的太陽能。研究 MAPbI3 薄單晶太陽能電池,，并找出晶體中缺陷的化學本質(zhì)期間,，倪朕伊首先研究了 MAPbI3 薄單晶太陽能電池，以期找出 MAPbI3 晶體中缺陷的化學本質(zhì),。采用空間限制橫向晶體生長的方法,，他合成了 MAPbI3 薄單晶，厚度大約為 35μm,。然后將其轉(zhuǎn)化為太陽能電池,，并使用熱導(dǎo)納光譜方法表征了電荷陷阱的能量分布。MAPbI3 單晶中不同的陷阱帶,，分別標記為陷阱帶 I 和 II,，陷阱帶 I 和陷阱帶 II 的測量能量深度分別以 0.27eV 和 0.36eV 為中心。通過比較有電荷傳輸層和沒有電荷傳輸層的器件,，他證實了如下規(guī)律：熱導(dǎo)納光譜方法測量的陷阱峰,，主要由鈣鈦礦層的缺陷引起，而非由電荷傳輸層引起,。此外,，陷阱帶 I 和 II 的陷阱密度,，會隨反向偏壓的偏置時間延長而逐漸增加,。通過將阱態(tài)密度與每個陷阱帶的能量深度進行積分，倪朕伊計算了陷阱帶 I 和 II 的反向偏壓誘導(dǎo)陷阱密度,。當反向偏壓持續(xù)時間從 60s 增加到 180s 時,，陷阱帶 II 的陷阱密度的增量幾乎是陷阱帶 I 的 10 倍。這表明在反向偏置下,，MAPbI3 薄單晶的衰減主要由陷阱帶 II 引起的,。為了確定陷阱帶 I 和陷阱帶 II 到底是由帶正電荷還是負電荷的缺陷引起的，他在反向偏置電壓下,，追蹤了 MAPbI3 單晶太陽能電池缺陷的變化和再分布,。通過改變驅(qū)動電容分析測量的交流頻率，他分別測量了在能量深度為 0.22eV,、0.30eV 和 0.36eV 處摻雜或缺陷能級分布的變化,。結(jié)果顯示，在靠近 C60/MAPbI3 界面的鈣鈦礦中產(chǎn)生了摻雜或較淺電荷陷阱,，尤其是在反向偏置持續(xù)時間較長的情況下,。有趣的是,，在靠近 C60/MAPbI3 界面的 MAPbI3 中，陷阱帶 I 和 II 的陷阱密度均增加,，在界面區(qū)域出現(xiàn)了反向偏壓引起的額外陷阱峰,。相比之下，反向偏壓誘導(dǎo)的陷阱帶 I 的峰值向 C60/ MAPbI3 界面,，而陷阱帶II 的峰值,，會逐漸向單晶內(nèi)部移動。因此,，MAPbI3 中陷阱帶 I 的缺陷是帶負電荷的,，而陷阱帶 II 是由帶正電荷的缺陷引起的。在多個 MAPbI3 薄單晶器件中,，倪朕伊也觀察到了類似結(jié)果,。為了排除驅(qū)動電容分析測量過程中，直流偏置掃描電壓對離子遷移的可能影響,，他在反向偏置條件下快速將樣品冷卻到 260K 的低溫,，然后在低溫下進行驅(qū)動電容分析測量。結(jié)果發(fā)現(xiàn),，所有陷阱帶的運動,，也呈現(xiàn)出類似趨勢，這說明上述變化確實由測量過程中較大的反向偏差引起,。然后,，他在 MAPbI3 多晶薄膜太陽能電池中進行了同樣的測量。阱態(tài)密度結(jié)果顯示,，MAPbI3 多晶薄膜太陽能電池中陷阱帶 I 和 II 的陷阱能量深度和單晶中相當,，分別為 0.29eV 和 0.36eV 左右。與單晶太陽能電池相比,，多晶太陽能電池中陷阱帶 I 的陷阱密度明顯高于陷阱帶 II,。基于此,，倪朕伊推斷陷阱帶 I 與主要位于 MAPbI3 多晶薄膜的晶界或與非晶態(tài)區(qū)域的缺陷有關(guān),。對 MAPbI3 多晶薄膜太陽能電池，施加 ?1V 的反向偏置后,，陷阱帶 II 的陷阱密度明顯增加,，而陷阱帶 I 的陷阱密度幾乎沒有變化。這可能是由于在多晶薄膜太陽能電池中,，陷阱帶 I 的初始陷阱密度,，比陷阱帶 II 的初始陷阱密度要高得多，因此其變化可以被背景所掩蓋,。與單晶太陽能電池的結(jié)果類似,，在應(yīng)用反向偏置后,，C60/ MAPbI3 界面上的摻雜和淺層陷阱密度開始增加。同時,，在 C60/ MAPbI3 界面出現(xiàn)了一個陷阱帶 II 的肩峰,，隨著反向偏置時間的延長，該肩峰逐漸向薄膜內(nèi)部移動,。綜上,，他和團隊確定了碘化鈣鈦礦中主要缺陷的化學本質(zhì)，可以明確的是,，這些缺陷對于太陽能電池的效率和穩(wěn)定性都有害的,。因此，進一步減少這些鈣鈦礦中的碘化物缺陷或鈍化它們的合成策略,，是進一步提高鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性的迫切需要,。在反向偏壓下，MAPbI3 太陽能電池在電子傳輸層和 MAPbI3 的界面上開始降解,，而在界面層添加空穴注入阻斷層可以顯著抑制反向偏壓下的降解,，提高太陽能電池的穩(wěn)定性。實驗設(shè)計源自于一次偶然的實驗結(jié)果他表示,，從研究立項,、到項目結(jié)題，首先需要做大量的文獻調(diào)研,。通過文獻調(diào)研,，可了解到同領(lǐng)域研究者在相關(guān)課題上做了哪些研究、以及還有哪些問題是沒有解決的,。比如在早期,，領(lǐng)域內(nèi)研究人員主要通過理論計算，來預(yù)測每種化學缺陷在鈣鈦礦中產(chǎn)生缺陷能級的情況,，從而為實驗提供指導(dǎo),。但此前在實驗方面,，仍然缺少一種解決鈣鈦礦缺陷能級本質(zhì)問題的有效手段,。經(jīng)過文獻調(diào)研后，倪朕伊進一步確立了研究目標和實驗方法,。研究中,，他還需要根據(jù)不同的實驗結(jié)果，去及時調(diào)整實驗方案,，期間也會不斷借鑒理論計算成果,，最終完成既定實驗?zāi)繕恕?/span>倪朕伊說：“該研究的實驗設(shè)計源自于一次偶然的實驗結(jié)果。一次實驗中,，我正打算研究器件工作中的正向直流偏壓對電容測試的影響,，結(jié)果不小心弄反了電壓的方向,，使電池工作于大的負偏壓狀態(tài)下。但這恰好讓我觀察到鈣鈦礦電池中離子移動造成的缺陷空間分布的變化,?！?/span>緊接著，他和團隊以此設(shè)計出一系列實驗方案,，去觀察電池器件中不同能量深度的缺陷能級的空間分布變化,，以此確定它們的電荷屬性和離子移動能力，進而得到了非常有意義的實驗結(jié)果,。“另外,，項目負責人黃勁松教授的重要指導(dǎo)和建議、托萊多大學鄢炎發(fā)教授的理論指導(dǎo),，以及合作者們在器件制備上的支持等,，他們?yōu)檫@項研究提供了不可或缺的支持和幫助?！彼^續(xù)表示,。生于 1989年 的他，于 2011 年本科畢業(yè)于浙江大學材料科學與工程學院,，之后在浙江大學材料學院半導(dǎo)體研究所攻讀博士學位,，博士學位課題是關(guān)于納米硅材料摻雜的研究。2016 年博士畢業(yè)后,，他繼續(xù)在浙江大學材料學院半導(dǎo)體研究所繼續(xù)從事博士后工作,，并于 2018 年加入北卡羅來納大學教堂山分校（UNC）黃勁松教授課題組從事博士后工作至今。對于本次研究,，他特別表示在項目初期,，文獻調(diào)研十分重要，這可幫助團隊快速確定研究目標,、以及合理的實驗方案,，同時還可幫助規(guī)避一些誤區(qū)。此外在實驗中,，不能放過任何一個小的實驗現(xiàn)象和細節(jié),。比如該項目的實驗方案就來自一次偶然的實驗觀察。對于未來,，如前所述該研究能給缺陷鈍化這一研究方向提供新的研究思路,。基于這項研究,，研究人員能夠針對已知的缺陷類型,，去設(shè)計特定的缺陷減少或鈍化策略，從而進一步降低鈣鈦礦電池中的缺陷濃度,，讓鈣鈦礦電池具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率,、以及更好的穩(wěn)定性,。參考： 1、Ni, Z., Jiao, H., Fei, C. et al. Evolution of defects during the degradation of metal halide perovskite solar cells under reverse bias and illumination. Nat. Energy (2021).https:///10.1038/s41560-021-00949-9
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