2月17日，“90后”江蘇小伙兒李崇文和他的博導(dǎo)鄢炎發(fā)在Science發(fā)表論文。這項(xiàng)關(guān)于新型鈣鈦礦太陽能電池的研究，被認(rèn)為解決了下一代太陽能電池續(xù)航問題，使其實(shí)驗(yàn)室壽命超過3500小時(shí)，為當(dāng)前的國際頂尖水準(zhǔn)。
接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，“人逢喜事”的李崇文看起來卻十分平靜，有條不紊地科普著這項(xiàng)研究的意義和鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展前景。
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“大概兩三周前接到編輯來信，得知文章被接收了，那個(gè)時(shí)候特別激動?，F(xiàn)在也很高興，但還是要回歸日常生活和繁忙的工作，激動之情有點(diǎn)兒平復(fù)了?！币曨l那頭，李崇文笑著說。
做研究、開組會、申請研究項(xiàng)目……目前李崇文身在加拿大多倫多大學(xué)Edward H. Sargent教授實(shí)驗(yàn)室做博后。Sargent是加拿大皇家科學(xué)院院士、工程院院士，對團(tuán)隊(duì)要求很嚴(yán)，李崇文每天的日程都滿滿當(dāng)當(dāng)。
解決“攔路虎”
自2009年日本科學(xué)家制備首個(gè)鈣鈦礦太陽能電池以來，這個(gè)領(lǐng)域十余年來一直在全球科學(xué)界炙手可熱。
通過一種鈣鈦礦涂層直接把光能轉(zhuǎn)化成電能——這種集便捷、清潔及低成本等優(yōu)勢于一體的發(fā)電方式，被認(rèn)為將是當(dāng)前硅基電池的替代者。
有個(gè)必要條件，就是要解決鈣鈦礦薄膜的穩(wěn)定性問題，讓鈣鈦礦電池板在各種極端天氣和溫度的工作環(huán)境下，在戶外使用幾十年而不被腐蝕或損壞。
在最新發(fā)表于Science的研究中，李崇文和鄢炎發(fā)等人發(fā)現(xiàn)了一種顯著提高鈣鈦礦太陽能電池壽命的方法，有望解決這種新興光伏技術(shù)商業(yè)化的一個(gè)主要“攔路虎”。
“我們的實(shí)驗(yàn)室測試表明，在1個(gè)模擬太陽光的照射下，電池連續(xù)使用3500小時(shí)后沒有退化。且開路電壓狀態(tài)下電池同時(shí)經(jīng)歷1500小時(shí)的85攝氏度高溫以及1個(gè)模擬太陽光照射的加速壽命測試后，性能沒有退化?！闭撐牡谝蛔髡呃畛缥膶Α吨袊茖W(xué)報(bào)》說。
據(jù)介紹，目前太陽能鈣鈦礦電池的普遍實(shí)驗(yàn)室壽命在1500~2000小時(shí)左右。新研究中的續(xù)航能力之所以能夠成倍提升，得益于一種二磷路易斯堿分子——1,3-雙（二苯基膦）丙烷（DPPP）。
據(jù)李崇文介紹，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，含膦配體的路易斯堿分子與鈣鈦礦和金屬氧化物傳輸層具有最強(qiáng)的結(jié)合能力。此外，含有二磷的路易斯堿分子就像一個(gè)“橋梁”，它能夠增強(qiáng)金屬氧化物載流子傳輸層與鈣鈦礦層之間的界面韌性。更重要的是，這種性能的提升具有“普適性”?！盁o論是單層還是疊層鈣鈦礦電池，用DPPP處理后，對鈣鈦礦薄膜的質(zhì)量和電池的性能都會產(chǎn)生增益?！彼f。
與此相對，如果涂層未經(jīng)過DPPP分子處理，在上述同樣條件下，器件的光轉(zhuǎn)換效率在1000小時(shí)后會降低到初始效率的80%左右。
涂層穩(wěn)定性的提升，意味著實(shí)際應(yīng)用中電池壽命的大幅提升?！耙獫M足太陽能電池板20年使用壽命的要求，首先需要在實(shí)驗(yàn)室中保證電池的數(shù)千小時(shí)的持續(xù)光照壽命?！崩畛缥恼f，由于在實(shí)驗(yàn)室中電池的光穩(wěn)定性測試是24小時(shí)連續(xù)的，而實(shí)際應(yīng)用場景中的太陽光強(qiáng)度處于動態(tài)變化且有晝夜交替，這也會減緩太陽能鈣鈦礦電池的衰竭速度。
“我們希望這有助于將鈣鈦礦太陽能電池的壽命延長到25到30年的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這對降低太陽能發(fā)電的成本至關(guān)重要?！北疚耐ㄓ嵶髡?、托萊多大學(xué)杰出物理學(xué)教授鄢炎發(fā)也向《中國科學(xué)報(bào)》表示。
此外，研究者表示，DPPP也是一種成本低、易于獲取的商業(yè)化產(chǎn)品，這使得它適合鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化。
弄潮七載
“我們花了兩年多的時(shí)間，才把研究結(jié)果發(fā)給Science，很快就收到了期刊編輯以及同行評議審稿人積極的回復(fù)和建設(shè)性的意見，提交工作進(jìn)行得相對順利?！崩畛缥恼f。
得知論文將被接收后，他給身在美國的鄢炎發(fā)打電話致謝，導(dǎo)師也向他表示祝賀。隨后，他跟家人一起吃大餐慶祝后，又投入到了繁忙的工作當(dāng)中。
談及這篇Science論文對自己的意義，李崇文表示，這是對自己辛苦工作的一個(gè)非常大的回報(bào)，也為他今后的職業(yè)生涯提供了很大的動力。
在他看來，發(fā)文章是一方面，更重要的是在此過程中能夠鍛煉自己，提升自身的科研能力。如研究方向的構(gòu)思、研究經(jīng)費(fèi)的申請、研究路徑的規(guī)劃，還有學(xué)術(shù)論文質(zhì)量的提高、與合作者的協(xié)同互助以及期刊編輯的有效溝通等等。
“當(dāng)你經(jīng)歷了發(fā)表高水準(zhǔn)文章的過程之后，你的這些能力都會相應(yīng)提高。經(jīng)過這樣的一次鍛煉，對個(gè)人的職業(yè)發(fā)展肯定非常有益。”他說。
如果從碩士算起，李崇文在鈣鈦礦太陽能電池研究領(lǐng)域已經(jīng)摸爬滾打了7個(gè)年頭。他是一個(gè)很有想法的年輕人，很早就確定了自己的發(fā)展路線并付諸行動。
他敢想，也敢拼。
2014年到中國海洋大學(xué)攻讀碩士學(xué)位時(shí)，他就很看好鈣鈦礦太陽能電池這個(gè)前沿方向，給自己定下了出國讀博的目標(biāo)。
讀碩士期間，他通過聯(lián)合培養(yǎng)加入了中科院青島能源所“杰青”崔光磊研究員和“優(yōu)青”逄淑平研究員的團(tuán)隊(duì)，并在鈣鈦礦太陽能電池研究領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
李崇文與博士生導(dǎo)師鄢炎發(fā)
2017年，他加入美國托萊多大學(xué)鄢炎發(fā)課題組，攻讀物理學(xué)博士學(xué)位。在這里，他以材料化學(xué)的教育背景，惡補(bǔ)物理學(xué)科的“四大力學(xué)”，一次性通過了物理系的博士資格考試，跨過了又一道“龍門”。
博士期間，認(rèn)識到物理學(xué)理論支持積累的不足，他通過每學(xué)期超選課程，僅用了兩年，就修完了本該三年半才能修完的物理專業(yè)課程，達(dá)到了博士畢業(yè)要求的課程量。
海外求學(xué)新環(huán)境的沖擊，也讓他生活上越來越獨(dú)立，帶動了思考與工作上的獨(dú)立?！澳鞘且粋€(gè)沉淀的過程，要自己尋找科研方向，對自己的學(xué)術(shù)生涯進(jìn)行規(guī)劃，對自己的未來發(fā)展進(jìn)行定位?！崩畛缥南颉吨袊茖W(xué)報(bào)》回憶。
讀博期間，他還以獨(dú)立一作身份在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature Energy發(fā)文，并承擔(dān)了美國能源部的兩個(gè)課題。
“我很幸運(yùn)，不同的學(xué)業(yè)時(shí)期都遇到了非常好的導(dǎo)師?！彼f。
“鄢老師對我非常照顧。剛?cè)ッ绹鴷r(shí)，過節(jié)會比較想家，鄢老師每年都會把實(shí)驗(yàn)室所有的中國人請到家里一起過年?！崩畛缥幕貞?。
但在學(xué)術(shù)上，鄢炎發(fā)卻“鐵面無私”，不會留任何“情面”。記得開組會的時(shí)候，遇到學(xué)術(shù)上的問題，鄢炎發(fā)會直接點(diǎn)人出來回答，考核大家對于理論知識的理解程度。這也鞭策學(xué)生和博后們夯實(shí)理論知識，了解前沿的科研動態(tài)和領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)知識。
2022年，李崇文加入國際材料學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域“大咖”Sargent實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)年11月，他就與同事合作在Nature發(fā)表一篇鈣鈦礦疊層太陽能電池效率提升的論文。在這個(gè)平臺上，他希望拓展研究的深度和廣度。
實(shí)驗(yàn)室的研究方向很多，如光伏、電催化、量子點(diǎn)、探測器等?！崩畛缥恼f，除了鈣鈦礦太陽能疊層電池研究，未來他希望同時(shí)加強(qiáng)光催化制氫方面的研究。
今年下半年，他將跟隨Sargent到美國西北大學(xué)工作。在那里，他希望進(jìn)一步提升自己的科研能力。
欲求“高起點(diǎn)”需先擔(dān)壓力
在國內(nèi)讀本碩，在海外讀博、做博后，這是當(dāng)下很多理工科青年科研人員的選擇。李崇文坦言，自己做出這個(gè)選擇，也是因?yàn)楹芏鄷r(shí)候在國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域找一份好工作必須有海外經(jīng)歷，才能有相對較高的起點(diǎn)。
但在國外學(xué)習(xí)付出的精力與成本也會高很多。
一方面，在美國、加拿大這樣的國家讀博，要面對全世界同行的競爭壓力。李崇文說，在美國讀博士生二年級或三年級時(shí)，需要經(jīng)歷一次博士生資格考試（含筆試與面試）。如果通不過，或會直接降級為碩士學(xué)位，或者退學(xué)且沒有學(xué)位。
“每年都會刷掉20%~30%的人，這個(gè)現(xiàn)象在美國大學(xué)很普遍，特別是理工科專業(yè)，所以要花費(fèi)更大的精力在學(xué)業(yè)上?！彼a(bǔ)充說。
在國外讀博也會有發(fā)表文章的壓力。一些課題組需要發(fā)表多篇高質(zhì)量論文才能畢業(yè)（如Sargent課題組有個(gè)不成文規(guī)定，博士生要發(fā)表5篇高水平一作論文才能畢業(yè)），這使得國外讀博年限相對較長。
據(jù)介紹，美國和加拿大攻讀物理學(xué)等理科專業(yè)博士生最長年限是9年，5~7年畢業(yè)屬于常見現(xiàn)象。
高昂的學(xué)費(fèi)也是很多希望到海外求學(xué)的年輕學(xué)子面臨的另一道障礙。通常在美國一年讀博的學(xué)雜費(fèi)和必買的保險(xiǎn)加起來，相當(dāng)于二十多萬元人民幣，加上租房費(fèi)、生活費(fèi)等都會是一筆不小的開銷。
因在國內(nèi)得到了較好的研究訓(xùn)練，李崇文一到鄢炎發(fā)實(shí)驗(yàn)室就擔(dān)任了研究助理?！澳菚r(shí)每年的工資是兩萬多美元，托萊多是個(gè)小城市，租房一年1萬美元不到，生活完全足夠。”他說。
不過，無論是美國，還是加拿大，大城市生活成本都會成倍增加。如今，李崇文在多倫多，每個(gè)月房租接近3000加幣（約1.4萬人民幣），占到博士后工資的70%。其余的剛夠他一家三口的生活花銷。
雖然家庭有能力給予支持，但他很少向父母伸手?！半m然手頭比較吃緊，也能夠自給自足?！彼f。
李崇文最終的目標(biāo)是夯實(shí)好自己的科研基礎(chǔ)，回國效力。在他看來，國內(nèi)鈣鈦礦太陽能電池?zé)o論是學(xué)術(shù)上，還是產(chǎn)業(yè)上的發(fā)展都欣欣向榮。政府對于科研工作者的支持力度很大，同時(shí)行業(yè)內(nèi)也涌現(xiàn)出一批蓬勃發(fā)展的鈣鈦礦太陽能光伏企業(yè)，如仁爍光能、蘇州協(xié)鑫、杭州纖納等。
“繼續(xù)開發(fā)鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性的潛力，是世界經(jīng)濟(jì)持續(xù)脫碳的關(guān)鍵優(yōu)先事項(xiàng)?！彼f，他希望通過自己的努力，為加速這一領(lǐng)域的商業(yè)化進(jìn)程出一份力。
標(biāo)簽： 太陽能電池 中國科學(xué)報(bào)
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