如何更方便地利用太陽能？我國一項最新的科研成果以獨創(chuàng)性的思路回答了這個世界矚目的問題。
3月26日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團隊的研究成果《室溫、高濕度穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能電池》，原南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生惠煒、西北工業(yè)大學(xué)博士研究生晁凌鋒及南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生蘆薈為共同第一作者，3人平均年齡26.3歲。
該團隊提出以一種多功能的“離子液體”作為溶劑來替代傳統(tǒng)的有毒有機溶劑制備鈣鈦礦光伏材料，用這一方法制備的材料具有穩(wěn)定性好、效率高、制備工藝簡單等優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)鈣鈦礦光伏材料制備過程中的世界性難題，實現(xiàn)了光伏領(lǐng)域的重大突破。這項成果對于整個研究團隊，乃至全球的鈣鈦礦光伏材料研究領(lǐng)域，都是里程碑式的成就。
科技“無人區(qū)”探險，需堅持再堅持
“其實我之前都差點放棄了。”惠煒告訴記者，這項研究成果得來殊為不易?；轃?995年出生于陜西農(nóng)村的一個普通家庭，這項成果在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表當(dāng)天，正好是他的26歲生日。“這是最難忘的生日禮物！”惠煒激動地說。
當(dāng)前，解決不斷增長的能源需求與可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾是各個國家的共同目標(biāo)，“碳中和、碳達峰”更是成為我國“十四五”污染防治攻堅戰(zhàn)的重要內(nèi)容。而在清潔能源的使用中，實現(xiàn)太陽能的高效利用早已成為學(xué)術(shù)界的焦點，其中鈣鈦礦光伏材料作為一種高效、低成本的太陽能電池材料被研究者寄予厚望。
事實上，鈣鈦礦光伏材料的制備已有不少既有思路，但現(xiàn)有成果存在制備條件苛刻、成本高、不穩(wěn)定等諸多局限，用簡單方法制備鈣鈦礦光伏材料屬世界難題。黃維團隊成員之一、惠煒的導(dǎo)師、南京工業(yè)大學(xué)教授陳永華說：“我們一開始就跳出了鈣鈦礦光伏材料制備的傳統(tǒng)思路，希望把大家認為不可能的事變成可能，走出一條自己的路。”
陳永華通俗地解釋說，為了在保證高效的前提下，開發(fā)出一條更加簡便的、低成本的鈣鈦礦光伏材料研發(fā)路徑，團隊一直在尋找一種“神奇”的溶劑，這樣就可以用簡單的溶液法在溫和的條件下制備出高效的鈣鈦礦光伏材料，目的是降低制備門檻，方便日后在工業(yè)中大規(guī)模推廣應(yīng)用。
“但這在科學(xué)界看來是不可能的事情。”陳永華說，因為鈣鈦礦光伏材料極易變性，所以此前的研究都顯示需要很苛刻的制備條件，團隊竟然試圖用簡單的溶液法進行制備，可謂難上加難。
原創(chuàng)的路什么樣？到底能不能走通？誰都不知道。從2015年開始，該團隊在科技“無人區(qū)”摸爬滾打。2018年，惠煒加入團隊，帶著迎接未知挑戰(zhàn)的興奮和迷茫上路了。
“我用半年時間嘗試了各種方法，沒有任何進展。每天早晨，我都是滿懷信心設(shè)計實驗，到晚上垂頭喪氣離開。”惠煒一方面被失敗反復(fù)折磨，一方面面臨研究生畢業(yè)的壓力，“我想放棄了”。有天，惠煒走進陳永華的辦公室，提出想換一個簡單點的課題。
“陳老師鼓勵我說：我們總是重復(fù)別人的工作也沒有意義，還是得做些原創(chuàng)性工作，是不是？再堅持堅持！”惠煒從陳永華那里重獲了一些信心和新的實驗設(shè)計思路，“那就再堅持堅持吧！”
“突然有一天下午，我成功了！當(dāng)時的太陽能轉(zhuǎn)換效率達到了22%！”惠煒說，這一初步實驗成果已接近此前國外學(xué)者用苛刻條件制備鈣鈦礦材料的最高效率記錄，這意味著解決了核心問題——神奇的溶劑找到了！
在“羊群”中放入“牧羊犬”，一石三鳥
神奇的溶劑到底是什么？
要解決制備工藝的問題，研究者探尋的是一種環(huán)境友好、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可調(diào)和的溶劑，而惠煒實驗發(fā)現(xiàn)的離子液體溶劑便是這樣一種“四兩撥千斤”般的存在。
“離子液體就像是草原上的‘牧羊犬’，在‘羊群’也就是鈣鈦礦的分子成分中起到了發(fā)號施令、排兵布陣的作用，它穩(wěn)定隊形后便無聲退出了。這個新隊形就是我們想要得到的鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性。”研究團隊“大師兄”晁凌鋒形象地解釋道，這樣就破解了材料極易變性的難題。
陳永華介紹，將離子液體溶劑引入制備過程后，鈣鈦礦光伏材料的制備過程變得非常簡單，且整個過程完全可以在空氣中和高濕度的環(huán)境下進行，更令人驚喜的是，通過這一工藝制備的鈣鈦礦材料穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)化率都大大增加，“可謂是一石三鳥”。
“第一次實驗成功之后，陳老師立刻趕到實驗室，我們又重復(fù)了一次。大家一直笑、一直笑……”現(xiàn)在回想起當(dāng)時的情景，惠煒總結(jié)道：“科學(xué)的魅力在于未知，盡管探索的過程很艱難。”在晁凌鋒看來，“這絕不是一時運氣，而是團隊日復(fù)一日的堅持和不斷創(chuàng)新的結(jié)果。”
“基礎(chǔ)科研就是要做別人沒有做過的東西，要產(chǎn)生引領(lǐng)性成果，讓全世界跟著我們?nèi)プ觥?rdquo;黃維院士經(jīng)常對團隊說：“原始創(chuàng)新是從‘0到1’的突破，常常意味著漫長而艱難的探索，但卻可能產(chǎn)生顛覆性的變革，帶來顛覆性的技術(shù)和產(chǎn)品。”
原始創(chuàng)新之路從不平坦。是什么力量為團隊注入了源源不斷的動能？“要敢于在原始創(chuàng)新的無人區(qū)中尋寶。黃維院士告訴記者，走入科研的“無人區(qū)”，考驗著科研工作者的能力水平，也體現(xiàn)著科學(xué)報國的初心與情懷。
“我們所做的，正是堅定不移走中國特色自主創(chuàng)新的道路。”黃維說，一要超前謀劃，獨辟蹊徑，開辟一個領(lǐng)域；二要牽住“牛鼻子”，對偶然現(xiàn)象多加思考，攻克薄弱環(huán)節(jié)；三要“非對稱”趕超，在“卡脖子”的地方下大功夫。
原標(biāo)題：黃維院士團隊攻克光伏材料領(lǐng)域世界性難題
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