追光“換”電，助力能源革命

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在能源與環境問題成為人類所面臨的重大挑戰的今天，以清潔低碳、安全高效為關鍵的新一輪能源革命悄然到來。如何更好地獲取清潔低碳能源并實現高效利用，是亟待解決的難題。能夠實現高效光電互相轉換的光電材料，吸引了全球科學家的目光。

2011年，國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）啟動“面向能源的光電轉換材料”重大研究計劃（以下簡稱重大研究計劃）。在項目執行期，重大研究計劃在理論和實驗的源頭創新上實現了突破，取得了多項高水平研究成果，提高了我國在光電材料與器件研究領域的整體創新能力和國際影響力。

“要敢于嘗試由重大戰略目標牽引的科學前沿探索研究，更要把科學研究聚焦到國家重大戰略和人類生存的迫切需求上。”該重大研究計劃指導專家組組長、中國科學院院士許寧生接受《中國科學報》采訪時表示，這是整個研究計劃的首要“主張”。

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科學家研發出具有完全自主知識產權的“可印刷介觀鈣鈦礦太陽能電池”，已實現示范發電。研究團隊供圖

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科學家研發出的高性能柔性有機太陽能電池示意圖。研究團隊供圖

醞釀：十年又十年

光電材料與器件的開發是科學前沿難題，但其成功研發能造福人類。

太陽能電池、電子顯示屏等生活中隨處可見的設備都是光電材料的實際應用。鑒于這種材料的重要性，國際上不少發達國家和地區對太陽能電池與半導體照明相關材料和器件的研究給予了長期支持。

20世紀90年代末，許寧生作為年輕科學家受邀參加“光電信息功能材料”相關項目的重要性與可行性論證研討，有機會學習老一輩科學家和同行們在重要科學前沿不斷進取的精神。很快，科學家們在科學問題上達成共識，并于2001年啟動了“光電信息功能材料”重大研究計劃。這是自然科學基金委啟動的首個重大研究計劃。

依托“光電信息功能材料”重大研究計劃，我國搭建起一個以“光電信息功能材料”為中心的學科交叉研究平臺，研發獲得一批擁有自主知識產權的光電材料和技術，穩定支持了具有創新意識、活躍思維的中青年人才隊伍，為發展擁有自主核心技術的產業提供了技術、知識和人才儲備。

“這一重大研究計劃持續資助了8年，使我國在該領域具備了一定的研究基礎，但總體上還是呈‘跟跑’狀態。”許寧生告訴《中國科學報》，當時，指導專家組一致認為，科學家們還得繼續干。

大約從2008年開始，新一輪重大研究計劃進入“醞釀期”。科學家們注意到時代發展帶來的新變化：由于燃煤發電給城市帶來了嚴重的環境污染問題，熱電廠從城市遷出；化石能源燃燒導致溫室氣體排放，加速全球變暖，清潔低碳能源成為人類可持續發展的必然選擇；能源消費結構正在發生變化，例如大面積的太陽能電池發電應用越來越多。總之，能源與環境問題越來越嚴峻，如何發展清潔能源成為人類社會面臨的重大挑戰。

“我們要把光電材料的科學研究聚焦到國家重大戰略和人類生存的迫切需求上來。”許寧生這樣說。這一理念得到了同行一致贊同。

經過兩年多的研討論證，2011年，自然科學基金委啟動了“面向能源的光電轉換材料”重大研究計劃，由許寧生等科學家組成專家團隊，從前輩科學家手中接過“接力棒”，聚焦能源領域，助力國家把能源安全牢牢掌握在自己手中。

如今，團隊科學家們欣喜地看到，當年的這一研究布局極具前瞻性，為我國實現“雙碳”目標奠定了堅實基礎。

難題：光與電的轉換效率

太陽能取之不盡，用之不竭，是儲量最大的清潔可再生能源。

太陽能光伏發電是利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能的技術。“發電更光伏，發光更省電。”這是許寧生一直以來的理念，也是期待。

根據國家發展改革委能源研究所預測，2050年光伏發電將成為我國第一大電力來源，占當年全國用電量的40%左右，2021年這一數字僅為4%。然而，光電轉換效率是太陽能光伏應用的瓶頸之一。

光電材料主要包括兩大類，即實現太陽能高效獲取的光伏材料和實現能源高效利用的發光與照明材料，這恰好對應著能源的“開源”和“節流”兩個方面。開源，即獲取能源；節流，即高效利用能源。事實上，當前世界各國正從這兩方面推動新一輪能源變革。

在能源獲取方面，太陽能光伏逐漸成為世界能源供應的重要組成部分，開發低成本、環境友好、資源豐富的光伏電池是太陽能光伏的目標；在能源高效利用方面，開發綠色環保、長壽命和節能的半導體照明技術，是實現節能降耗、保護環境的一個重要途徑。

“核心難題是光電轉換效率。”許寧生告訴《中國科學報》，一方面是如何提高太陽能轉化為電能的效率，另一方面是如何提高電能轉化為光能的效率，而解決這兩個難題，依賴于光電材料這個媒介。

難題擺在了面前，不同學科背景的專家多次研討凝練，提出了重大研究計劃的總體科學目標：瞄準學科前沿，面向當前的能源短缺和環境污染等重大戰略問題，以高效光-電和電-光轉換為核心，以材料設計和制備為基礎，解決高性能光電轉換材料與器件制備方面的關鍵科學與技術問題，在理論和實驗的源頭創新上取得突破，提高了我國在光電材料與器件研究領域的整體創新能力和國際影響力。

同時，該重大研究計劃聚焦三大關鍵科學問題：光-電/電-光轉換基本過程與新原理，高效、穩定光電轉換材料的理性設計與可控制備，以及光電材料與器件中的結構和表界面設計與調控。

突破：用之于民的科學研究

“基礎研究和應用基礎研究一定要扎實，研究成果要能實現轉化，只有轉化才能對社會有貢獻，老百姓才能受益。”許寧生說。

10余年來，科學家們努力攻關，取得了一系列具有國際影響力的重大突破和原創性成果，在光伏和發光領域的若干方向上實現了從“跟跑”到“領跑”的跨越式發展，部分領域長期引領國際前沿和發展方向，極大提高了我國在這些領域的整體創新能力和國際影響力，為我國能源光電材料產業的發展升級提供了理論支撐和技術儲備。

例如，我國學者原創設計新型有機光伏材料體系，將國際有機光伏領域全面引入“小分子受體”時代，頻繁刷新有機光伏電池效率大于19%的世界紀錄；創造了熱活化延遲螢光（TADF）材料紅、藍、綠光有機發光半導體性能的世界紀錄；提出的穩定性提升策略推動了我國在鈣鈦礦光伏穩定性方面達到國際先進水平；闡明量子點發光機制，創造了量子點發光二極管（QLED）性能的世界紀錄，夯實了QLED的科學基礎……

在理論創新、材料制備、器件設計的研究基礎上，科學家們還取得了成果轉化的多項突破。開發的理論模擬和材料性能預測的商業化軟件，被國內外幾十家國際知名公司和學術機構采購；有機光伏成果開始轉化，初步建成5000平方米中試產線，相關產品實現銷售額數千萬元等。

豐碩的研究成果遠超預期，這給科學家們帶來極大的信心。

接受《中國科學報》采訪時，許寧生談到了重大研究計劃的第二個“主張”，即把國家戰略目標與重大科學問題研究緊密結合在一起。他表示，重大研究計劃在實施過程中一直堅持探索如何做好這一點。

在重大研究計劃實施過程中，科研工作者們胸懷祖國、服務人民、潛心研究，提出了光伏前沿領域系列理論，實現了多種材料和器件的性能突破，努力為經濟社會發展作貢獻。

合作：有組織科研與自由探索結合

光電材料是多學科交叉的前沿，涉及材料、化學、物理、電子、數學、生物等學科，合作是必須的。

“盡管有自由探索，但自由不是漫無邊際。整體上，我們開展有組織的重大科學問題的研究。”許寧生表示，在重大研究計劃執行期間，他們有意識地探索了“有組織的科研組織”模式。

“有組織的科研組織”推動了多學科深度交叉融合集成創新：有機合成化學、高分子科學與材料學的交叉融合；凝聚態物理學、半導體物理學與新興的有機半導體科學的交叉融合；物理建模與化學結構模擬的交叉融合；半導體器件物理和新興的印刷電子學的交叉融合。

科研不止，創新無盡。

談及未來計劃，許寧生已有思考，光電轉換的效率還需要進一步在理論上突破，技術上要抓住不同性能材料形成的“結”這個“牛鼻子”，合成出更多新材料。這里的“結”可以通俗理解為在微納尺度上將不同電子結構的材料拼在一起形成的界面，材料之間會發生相互作用，并產生單一材料所不具備的新性質。例如，半導體的“PN結”，即P型半導體過渡到N型半導體的交界面。同時，工程上要做更大面積、更柔性的太陽能電池板；經濟上要更便宜，才能更好地推進產業應用。

此外，值得一提的是，為保證項目評審客觀公正，避免“干擾雜音”，重大研究計劃也做出了創新探索和協同努力：在評審機制保障上，根據指導專家組和管理工作組的職責，建立了分工不同、相互協調、相互制約的有序工作關系，會議評審采取聽取答辯的方式，資助項目須獲得半數以上贊成票，集成項目會評投票采取記名投票。