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做解决国家大战略问题的科研 |
——专访第二届“中国科学院青年五四奖章”获得者刘文柱 |
科研之心探真理,奖章荣誉照前行。日前,中国科学院上海微系统与信息技术研究所(以下简称“上海微系统所”)研究员刘文柱获得第二届“中国科学院青年五四奖章”。
在接受《中国科学报》专访时,刘文柱谈及获奖体会——他在颁奖现场发现,此次获奖者的研究大多与国家战略方向密切相关,能够“真正解决实干中的问题、满足国家最紧迫的需求”。
而他也是一直这样做的。现年34岁的刘文柱已专注太阳电池研究12年,由他主导开发的柔性单晶硅太阳电池打破了对单晶硅技术的固有认知,引领全世界在光伏领域的研究方向。该成果已被用于我国多个太阳能无人机和浮空器平台型号,以及南极科考可再生能源系统,在许多战略场景中展现出巨大的应用潜力。
刘文柱对自己有两个要求:第一,做“从0到1”的研究,而非追随他人的脚步;第二,瞄准工程上遇到的真实问题,而非为了发表论文去“制造”问题。
刘文柱
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“从0到1”的突破
自单晶硅太阳电池发明近70年以来,光伏领域的科学家一直有个共识,即单晶硅材质很“脆”,柔韧性差,容易断裂,这限制了单晶硅太阳电池的应用场景。
“那些做薄膜太阳电池的人,为了突出其重要性,总会用一页PPT强调:单晶硅太阳电池无法进行柔性应用。”刘文柱说。
而这一固有认知被刘文柱团队打破了。2023年5月24日,也是当年全球光伏展在上海开展的那一天,刘文柱等人发表《自然》封面论文,宣布:能够弯曲超过360度的柔性单晶硅太阳电池诞生。
时隔一年,整个光伏展的风格都变了。今年光伏展,刘文柱去做报告时,发现柔性单晶硅太阳电池这一成果着实引领了光伏领域的风潮。有许多人报道这一成果,各公司都成立了专门的事业部来做柔性单晶硅太阳电池。
这是“从0到1”的突破。那么,刘文柱等人是如何把“脆脆的”硅片变软的呢?答案是,他们开发了一种全新的边缘圆滑处理技术,而这源于刘文柱从生活小事中得到的启发。
“我们都知道陶瓷盘子摔在地上会碎,而如果运气好,盘子不会碎掉,只是出现裂纹。我发现裂纹总是从边缘开始。那么,硅片的断裂也是如此吗?”
想到这里,刘文柱就想弄清楚硅片断裂的全过程,于是他找到研究流体力学的师弟杨自强,请他对硅片断裂的那一瞬间进行逐帧分析。果然发现,硅片的力学短板就在其边缘。因此,刘文柱团队将硅片的边缘进行圆滑处理,这样既能提升其柔韧性,又能保证电池的效率不下降。
刘文柱告诉《中国科学报》,日常生活就是自己科研灵感的宝库,对于具有科学敏感性的人来说,对生活细微的观察和独特的思考常常引发创新的突破。
譬如,当走在路上时,刘文柱会想:为什么不把路灯上的太阳能电池板做得面积更大,使其接收到的阳光更多、发电能力更强呢?他想到了限制太阳能电池板面积的原因——在大风天气下,太阳能电池板很容易被掀翻,甚至把路灯杆压断。解决这个问题的方法就是把电池板做成柔性,缠绕在路灯杆上,还能360度接收阳光照射,从而延长发电时间。这就是那期《自然》封面图片灵感的来源。
时时在思考,处处灵感来。或许,这就是科研人员最好的状态。
扎根太阳电池研究12年
2012年,在山东大学物理学院读大四的刘文柱即将面临本科毕业。在开展毕业设计时,刘文柱跟随导师林兆军,去实验室做起了太阳电池,他越做越觉得有意思,从此与太阳电池“结缘”。
当时,刘文柱做的是染料敏化太阳电池,与他现在研究的硅太阳电池是完全不同的种类。由于染料敏化太阳电池的效率低,且液态电解质容易泄漏,对土壤和水造成不可逆的伤害,已逐渐随着技术的进步被淘汰。
本科毕业后,刘文柱来到上海微系统所继续学业,硕博连读。据刘文柱回忆,在此期间,导师刘正新给了他最大的自由和无条件的支持,并影响到他做导师后的带学生风格。刘文柱时常告诉自己:“要激发年轻人的创造力,关键是要给他们充分的自由。”
而在沙特阿拉伯“网红学校”阿卜杜拉国王科技大学做博士后的经历,更带给了刘文柱不一样的人生体验。学校紧邻海边,刘文柱与同学经常一起在海边散步,还会开车去沙漠,整晚在沙漠中露营、看星星。学校分配给刘文柱的“宿舍”是500平米的别墅,他时常在周末邀请不同研究领域的朋友来一起做饭、聊天,这奠定了刘文柱与不同领域研究者密切沟通、交叉合作的基础。正如刘文柱所说:“单打独斗的时代早已过去,交叉合作才更容易创新。”
从沙特回国后,刘文柱回到上海微系统所,继续他的科研工作。扎根太阳电池领域12年,刘文柱见证了产业的快速发展,更对中国光伏产业的未来抱有莫大的信心。
“我做太阳电池12年了,经常听到有人说中国的太阳电池是劳动密集型产业,靠的是人力资源成本低,这种说法是完全错误的,是对光伏产业的无知。”刘文柱摇摇头。
他向《中国科学报》介绍,光伏领域的科技进步非常快。10多年来,中国光伏发电的成本降低了至少20倍,甚至远低于火力发电。中国光伏在世界上遥遥领先,不管是科学研究还是产业,都远超世界第二。
如今,更多新技术如AI技术也在与光伏产业融合。国家将发展光伏产业作为战略性问题,无论从能源安全还是民生问题上来讲,都具有不可忽视的意义。
目前,单晶硅太阳电池占据了90%以上的市场份额,然而它的效率也在逐渐逼近理论极限,科学家们正在寻找新的出路。刘文柱表示,未来的一段时间,单晶硅太阳电池将仍然占据市场的主流,然而,再往后将是单晶硅和其他材料叠在一起的多结太阳电池的天下。
好心态助力科研
在研究过程中,刘文柱遇到过许多意想不到的困难,但他坦言,自己并未经历过所谓的“低谷期”。
这与刘文柱看待事情的心态有关。每每遇到困难,刘文柱不仅不会沮丧,反而感到高兴。他认为,如果一项研究很容易就能完成,那么它的科学品位一定不高,这样的研究“谁都能做”,没有挑战性。
刘文柱经常告诉学生:“一个好的研究课题,不是你在开始时就能预测结果的;相反,真正的发现往往在那些结果与预期不符的时刻。正是这些时刻,标志着你站在了知识的边界上,再拿一根针往前刺一刺,就能够迈出一大步。”
2022年5月,刘文柱和他的学生在《自然》子刊发文,他们发现了掺杂非晶硅薄膜中的反常Staebler-Wronski效应,并详细解释了背后的物理原因。这个发现就来源于一次实验中的“意外”——大多数材料被太阳光照射后,导电性能会下降;而刘文柱的学生在做实验时发现,光照竟提升了试验材料的导电性能。他们“揪住”这个反常,重复多次,最后才有了突破性的发现。
刘文柱的好心态不仅表现在面对困难的态度。在如今“越来越卷”的学术界环境下,许多年轻人每年都会发表大量论文以保持高产出。而刘文柱则选择了另一条道路——在他博士后出站回国4年多的时间里,仅发表了3篇论文,但他每年只专注于一项研究。
对于刘文柱而言,成就感的真正来源并不是论文的产出或荣誉的加持,而是做出颠覆性科研成果。“做得好不好,自己心里最清楚。”刘文柱说。他对年轻科研人员的建议是——追随自己的兴趣,结合国家的发展战略,只要在正确的方向上,保持热情和执着,终将有所成就。
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