作者:冯丽妃 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/2/27 20:25:24
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江苏小伙Science一作发文,解决下一代太阳能电池寿命问题

 

2月17日,“90后”江苏小伙儿李崇文和他的博导鄢炎发在Science发表论文。这项关于新型钙钛矿太阳能电池的研究,被认为解决了下一代太阳能电池续航问题,使其实验室寿命超过3500小时,为当前的国际顶尖水准。

接受《中国科学报》采访时,“人逢喜事”的李崇文看起来却十分平静,有条不紊地科普着这项研究的意义和钙钛矿太阳能电池的发展前景。

“大概两三周前接到编辑来信,得知文章被接收了,那个时候特别激动。现在也很高兴,但还是要回归日常生活和繁忙的工作,激动之情有点儿平复了。”视频那头,李崇文笑着说。

做研究、开组会、申请研究项目……目前李崇文身在加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授实验室做博后。Sargent是加拿大皇家科学院院士、工程院院士,对团队要求很严,李崇文每天的日程都满满当当。

李崇文

解决“拦路虎”

自2009年日本科学家制备首个钙钛矿太阳能电池以来,这个领域十余年来一直在全球科学界炙手可热。

通过一种钙钛矿涂层直接把光能转化成电能——这种集便捷、清洁及低成本等优势于一体的发电方式,被认为将是当前硅基电池的替代者。

有个必要条件,就是要解决钙钛矿薄膜的稳定性问题,让钙钛矿电池板在各种极端天气和温度的工作环境下,在户外使用几十年而不被腐蚀或损坏。

在最新发表于Science的研究中,李崇文和鄢炎发等人发现了一种显著提高钙钛矿太阳能电池寿命的方法,有望解决这种新兴光伏技术商业化的一个主要“拦路虎”。

“我们的实验室测试表明,在1个模拟太阳光的照射下,电池连续使用3500小时后没有退化。且开路电压状态下电池同时经历1500小时的85摄氏度高温以及1个模拟太阳光照射的加速寿命测试后,性能没有退化。”论文第一作者李崇文对《中国科学报》说。

据介绍,目前太阳能钙钛矿电池的普遍实验室寿命在1500~2000小时左右。新研究中的续航能力之所以能够成倍提升,得益于一种二磷路易斯碱分子——1,3-双(二苯基膦)丙烷(DPPP)。

据李崇文介绍,通过计算发现,含膦配体的路易斯碱分子与钙钛矿和金属氧化物传输层具有最强的结合能力。此外,含有二磷的路易斯碱分子就像一个“桥梁”,它能够增强金属氧化物载流子传输层与钙钛矿层之间的界面韧性。更重要的是,这种性能的提升具有“普适性”。“无论是单层还是叠层钙钛矿电池,用DPPP处理后,对钙钛矿薄膜的质量和电池的性能都会产生增益。”他说。

与此相对,如果涂层未经过DPPP分子处理,在上述同样条件下,器件的光转换效率在1000小时后会降低到初始效率的80%左右。

涂层稳定性的提升,意味着实际应用中电池寿命的大幅提升。“要满足太阳能电池板20年使用寿命的要求,首先需要在实验室中保证电池的数千小时的持续光照寿命。”李崇文说,由于在实验室中电池的光稳定性测试是24小时连续的,而实际应用场景中的太阳光强度处于动态变化且有昼夜交替,这也会减缓太阳能钙钛矿电池的衰竭速度。

“我们希望这有助于将钙钛矿太阳能电池的寿命延长到25到30年的行业标准,这对降低太阳能发电的成本至关重要。”本文通讯作者、托莱多大学杰出物理学教授鄢炎发也向《中国科学报》表示。

此外,研究者表示,DPPP也是一种成本低、易于获取的商业化产品,这使得它适合钙钛矿太阳能电池的商业化。

弄潮七载

“我们花了两年多的时间,才把研究结果发给Science,很快就收到了期刊编辑以及同行评议审稿人积极的回复和建设性的意见,提交工作进行得相对顺利。”李崇文说。

得知论文将被接收后,他给身在美国的鄢炎发打电话致谢,导师也向他表示祝贺。随后,他跟家人一起吃大餐庆祝后,又投入到了繁忙的工作当中。

谈及这篇Science论文对自己的意义,李崇文表示,这是对自己辛苦工作的一个非常大的回报,也为他今后的职业生涯提供了很大的动力。

在他看来,发文章是一方面,更重要的是在此过程中能够锻炼自己,提升自身的科研能力。如研究方向的构思、研究经费的申请、研究路径的规划,还有学术论文质量的提高、与合作者的协同互助以及期刊编辑的有效沟通等等。

“当你经历了发表高水准文章的过程之后,你的这些能力都会相应提高。经过这样的一次锻炼,对个人的职业发展肯定非常有益。”他说。

如果从硕士算起,李崇文在钙钛矿太阳能电池研究领域已经摸爬滚打了7个年头。他是一个很有想法的年轻人,很早就确定了自己的发展路线并付诸行动。

他敢想,也敢拼。

2014年到中国海洋大学攻读硕士学位时,他就很看好钙钛矿太阳能电池这个前沿方向,给自己定下了出国读博的目标。

读硕士期间,他通过联合培养加入了科院青岛能源所“杰青”崔光磊研究员和“优青”逄淑平研究员的团队,并在钙钛矿太阳能电池研究领域打下了坚实的基础。

李崇文与博士生导师鄢炎发

2017年,他加入美国托莱多大学鄢炎发课题组,攻读物理学博士学位。在这里,他以材料化学的教育背景,恶补物理学科的“四大力学”,一次性通过了物理系的博士资格考试,跨过了又一道“龙门”。

博士期间,认识到物理学理论支持积累的不足,他通过每学期超选课程,仅用了两年,就修完了本该三年半才能修完的物理专业课程,达到了博士毕业要求的课程量。

海外求学新环境的冲击,也让他生活上越来越独立,带动了思考与工作上的独立。“那是一个沉淀的过程,要自己寻找科研方向,对自己的学术生涯进行规划,对自己的未来发展进行定位。”李崇文向《中国科学报》回忆。

读博期间,他还以独立一作身份在国际顶尖学术期刊Nature Energy发文,并承担了美国能源部的两个课题。

“我很幸运,不同的学业时期都遇到了非常好的导师。”他说。

“鄢老师对我非常照顾。刚去美国时,过节会比较想家,鄢老师每年都会把实验室所有的中国人请到家里一起过年。”李崇文回忆。

但在学术上,鄢炎发却“铁面无私”,不会留任何“情面”。记得开组会的时候,遇到学术上的问题,鄢炎发会直接点人出来回答,考核大家对于理论知识的理解程度。这也鞭策学生和博后们夯实理论知识,了解前沿的科研动态和领域内的相关知识。

  ?

2022年,李崇文加入国际材料学和光子学领域“大咖”Sargent实验室。当年11月,他就与同事合作在Nature发表一篇钙钛矿叠层太阳能电池效率提升的论文。在这个平台上,他希望拓展研究的深度和广度。

“Sargent实验室的研究方向很多,如光伏、电催化、量子点、探测器等。”李崇文说,除了钙钛矿太阳能叠层电池研究,未来他希望同时加强光催化制氢方面的研究。

今年下半年,他将跟随Sargent到美国西北大学工作。在那里,他希望进一步提升自己的科研能力。

欲求“高起点”需先担压力

在国内读本硕,在海外读博、做博后,这是当下很多理工科青年科研人员的选择。李崇文坦言,自己做出这个选择,也是因为很多时候在国内相关领域找一份好工作必须有海外经历,才能有相对较高的起点。

但在国外学习付出的精力与成本也会高很多。

一方面,在美国、加拿大这样的国家读博,要面对全世界同行的竞争压力。李崇文说,在美国读博士生二年级或三年级时,需要经历一次博士生资格考试(含笔试与面试)。如果通不过,或会直接降级为硕士学位,或者退学且没有学位。

“每年都会刷掉20%~30%的人,这个现象在美国大学很普遍,特别是理工科专业,所以要花费更大的精力在学业上。”他补充说。

在国外读博也会有发表文章的压力。一些课题组需要发表多篇高质量论文才能毕业(如Sargent课题组有个不成文规定,博士生要发表5篇高水平一作论文才能毕业),这使得国外读博年限相对较长。

据介绍,美国和加拿大攻读物理学等理科专业博士生最长年限是9年,5~7年毕业属于常见现象。

高昂的学费也是很多希望到海外求学的年轻学子面临的另一道障碍。通常在美国一年读博的学杂费和必买的保险加起来,相当于二十多万元人民币,加上租房费、生活费等都会是一笔不小的开销。

因在国内得到了较好的研究训练,李崇文一到鄢炎发实验室就担任了研究助理。“那时每年的工资是两万多美元,托莱多是个小城市,租房一年1万美元不到,生活完全足够。”他说。

不过,无论是美国,还是加拿大,大城市生活成本都会成倍增加。如今,李崇文在多伦多,每个月房租接近3000加币(约1.4万人民币),占到博士后工资的70%。其余的刚够他一家三口的生活花销。

虽然家庭有能力给予支持,但他很少向父母伸手。“虽然手头比较吃紧,也能够自给自足。”他说。

李崇文最终的目标是夯实好自己的科研基础,回国效力。在他看来,国内钙钛矿太阳能电池无论是学术上,还是产业上的发展都欣欣向荣。政府对于科研工作者的支持力度很大,同时行业内也涌现出一批蓬勃发展的钙钛矿太阳能光伏企业,如仁烁光能、苏州协鑫、杭州纤纳等。

“继续开发钙钛矿太阳能电池稳定性的潜力,是世界经济持续脱碳的关键优先事项。”他说,他希望通过自己的努力,为加速这一领域的商业化进程出一份力。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05541-z

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade3970

 
 
 
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