科學家解決下一代太陽能電池壽命問題

　　2月17日，“90后”江蘇小伙兒李崇文和他的博導鄢炎發在Science發表論文。這項關于新型鈣鈦礦太陽能電池的研究，被認為解決了下一代太陽能電池續航問題，使其實驗室壽命超過3500小時，為當前的國際頂尖水準。

　　接受《中國科學報》采訪時，“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研究的意義和鈣鈦礦太陽能電池的發展前景。

　　“大概兩三周前接到編輯來信，得知文章被接收了，那個時候特別激動。現在也很高興，但還是要回歸日常生活和繁忙的工作，激動之情有點兒平復了。”視頻那頭，李崇文笑著說。

　　做研究、開組會、申請研究項目……目前李崇文身在加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授實驗室做博后。Sargent是加拿大皇家科學院院士、工程院院士，對團隊要求很嚴，李崇文每天的日程都滿滿當當。

　　解決“攔路虎”

　　自2009年日本科學家制備首個鈣鈦礦太陽能電池以來，這個領域十余年來一直在全球科學界炙手可熱。

　　通過一種鈣鈦礦涂層直接把光能轉化成電能——這種集便捷、清潔及低成本等優勢于一體的發電方式，被認為將是當前硅基電池的替代者。

　　有個必要條件，就是要解決鈣鈦礦薄膜的穩定性問題，讓鈣鈦礦電池板在各種極端天氣和溫度的工作環境下，在戶外使用幾十年而不被腐蝕或損壞。

　　在最新發表于Science的研究中，李崇文和鄢炎發等人發現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商業化的一個主要“攔路虎”。

　　“我們的實驗室測試表明，在1個模擬太陽光的照射下，電池連續使用3500小時后沒有退化。且開路電壓狀態下電池同時經歷1500小時的85攝氏度高溫以及1個模擬太陽光照射的加速壽命測試后，性能沒有退化。”論文第一作者李崇文對《中國科學報》說。

　　據介紹，目前太陽能鈣鈦礦電池的普遍實驗室壽命在1500~2000小時左右。新研究中的續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）。

　　據李崇文介紹，通過計算發現，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的結合能力。此外，含有二磷的路易斯堿分子就像一個“橋梁”，它能夠增強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”。“無論是單層還是疊層鈣鈦礦電池，用DPPP處理后，對鈣鈦礦薄膜的質量和電池的性能都會產生增益。”他說。

　　與此相對，如果涂層未經過DPPP分子處理，在上述同樣條件下，器件的光轉換效率在1000小時后會降低到初始效率的80%左右。

　　涂層穩定性的提升，意味著實際應用中電池壽命的大幅提升。“要滿足太陽能電池板20年使用壽命的要求，首先需要在實驗室中保證電池的數千小時的持續光照壽命。”李崇文說，由于在實驗室中電池的光穩定性測試是24小時連續的，而實際應用場景中的太陽光強度處于動態變化且有晝夜交替，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年的行業標準，這對降低太陽能發電的成本至關重要。”本文通訊作者、托萊多大學杰出物理學教授鄢炎發也向《中國科學報》表示。

　　此外，研究者表示，DPPP也是一種成本低、易于獲取的商業化產品，這使得它適合鈣鈦礦太陽能電池的商業化。

　　弄潮七載

　　“我們花了兩年多的時間，才把研究結果發給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和建設性的意見，提交工作進行得相對順利。”李崇文說。

　　得知論文將被接收后，他給身在美國的鄢炎發打電話致謝，導師也向他表示祝賀。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非常大的回報，也為他今后的職業生涯提供了很大的動力。

　　在他看來，發文章是一方面，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。如研究方向的構思、研究經費的申請、研究路徑的規劃，還有學術論文質量的提高、與合作者的協同互助以及期刊編輯的有效溝通等等。

　　“當你經歷了發表高水準文章的過程之后，你的這些能力都會相應提高。經過這樣的一次鍛煉，對個人的職業發展肯定非常有益。”他說。

　　如果從碩士算起，李崇文在鈣鈦礦太陽能電池研究領域已經摸爬滾打了7個年頭。他是一個很有想法的年輕人，很早就確定了自己的發展路線并付諸行動。

　　他敢想，也敢拼。

　　2014年到中國海洋大學攻讀碩士學位時，他就很看好鈣鈦礦太陽能電池這個前沿方向，給自己定下了出國讀博的目標。

　　讀碩士期間，他通過聯合培養加入了中科院青島能源所“杰青”崔光磊研究員和“優青”逄淑平研究員的團隊，并在鈣鈦礦太陽能電池研究領域打下了堅實的基礎。

　　2017年，他加入美國托萊多大學鄢炎發課題組，攻讀物理學博士學位。在這里，他以材料化學的教育背景，惡補物理學科的“四大力學”，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，認識到物理學理論支持積累的不足，他通過每學期超選課程，僅用了兩年，就修完了本該三年半才能修完的物理專業課程，達到了博士畢業要求的課程量。

　　海外求學新環境的沖擊，也讓他生活上越來越獨立，帶動了思考與工作上的獨立。“那是一個沉淀的過程，要自己尋找科研方向，對自己的學術生涯進行規劃，對自己的未來發展進行定位。”李崇文向《中國科學報》回憶。

　　讀博期間，他還以獨立一作身份在國際頂尖學術期刊Nature Energy發文，并承擔了美國能源部的兩個課題。

　　“我很幸運，不同的學業時期都遇到了非常好的導師。”他說。

　　“鄢老師對我非常照顧。剛去美國時，過節會比較想家，鄢老師每年都會把實驗室所有的中國人請到家里一起過年。”李崇文回憶。

　　但在學術上，鄢炎發卻“鐵面無私”，不會留任何“情面”。記得開組會的時候，遇到學術上的問題，鄢炎發會直接點人出來回答，考核大家對于理論知識的理解程度。這也鞭策學生和博后們夯實理論知識，了解前沿的科研動態和領域內的相關知識。

　　2022年，李崇文加入國際材料學和光子學領域“大咖”Sargent實驗室。當年11月，他就與同事合作在Nature發表一篇鈣鈦礦疊層太陽能電池效率提升的論文。在這個平臺上，他希望拓展研究的深度和廣度。

　　“Sargent實驗室的研究方向很多，如光伏、電催化、量子點、探測器等。”李崇文說，除了鈣鈦礦太陽能疊層電池研究，未來他希望同時加強光催化制氫方面的研究。

　　今年下半年，他將跟隨Sargent到美國西北大學工作。在那里，他希望進一步提升自己的科研能力。

　　欲求“高起點”需先擔壓力

　　在國內讀本碩，在海外讀博、做博后，這是當下很多理工科青年科研人員的選擇。李崇文坦言，自己做出這個選擇，也是因為很多時候在國內相關領域找一份好工作必須有海外經歷，才能有相對較高的起點。

　　但在國外學習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，需要經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位，或者退學且沒有學位。

　　“每年都會刷掉20%~30%的人，這個現象在美國大學很普遍，特別是理工科專業，所以要花費更大的精力在學業上。”他補充說。

　　在國外讀博也會有發表文章的壓力。一些課題組需要發表多篇高質量論文才能畢業（如Sargent課題組有個不成文規定，博士生要發表5篇高水平一作論文才能畢業），這使得國外讀博年限相對較長。

　　據介紹，美國和加拿大攻讀物理學等理科專業博士生最長年限是9年，5~7年畢業屬于常見現象。

　　高昂的學費也是很多希望到海外求學的年輕學子面臨的另一道障礙。通常在美國一年讀博的學雜費和必買的保險加起來，相當于二十多萬元人民幣，加上租房費、生活費等都會是一筆不小的開銷。

　　因在國內得到了較好的研究訓練，李崇文一到鄢炎發實驗室就擔任了研究助理。“那時每年的工資是兩萬多美元，托萊多是個小城市，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。“雖然手頭比較吃緊，也能夠自給自足。”他說。

　　李崇文最終的目標是夯實好自己的科研基礎，回國效力。在他看來，國內鈣鈦礦太陽能電池無論是學術上，還是產業上的發展都欣欣向榮。政府對于科研工作者的支持力度很大，同時行業內也涌現出一批蓬勃發展的鈣鈦礦太陽能光伏企業，如仁爍光能、蘇州協鑫、杭州纖納等。

　　“繼續開發鈣鈦礦太陽能電池穩定性的潛力，是世界經濟持續脫碳的關鍵優先事項。”他說，他希望通過自己的努力，為加速這一領域的商業化進程出一份力。

　　相關論文信息：

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

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