青春专栏

青春足迹 | 吴天昊:“碳中和”道路上的开拓者

 时间:2021-06-12  浏览:1262

初入科研,结缘神奇钙钛矿

2016年9月,思源湖畔,在交大完成了本科学业的我选择成为一名直博生继续留校深造,从事钙钛矿太阳能电池的研究。当时,出身于金属材料专业的我,对“钙钛矿”这个词的认知仍然停留在冶金和铸造层面,因此在踏进博士阶段的初期感到了一丝茫然与焦虑。事实上,那一年,钙钛矿太阳能电池飞速发展,其出色的转换效率不断逼近商业化程度最高的晶体硅太阳能电池,吸引了全世界科研人员的目光。在开学后的第一次组会上,导师韩礼元教授说,“选择钙钛矿太阳能电池作为研究方向,就意味着站在了光伏领域的最前沿,做出令世界瞩目的高精尖成果是对你们的基本要求”。此番讲话无形中给了我压力,却又成为了我日后沉浸在实验室数千个日夜的动力来源,成为我铭记在心的教诲。

那时,钙钛矿这种新兴的材料尚有许多潜能未被挖掘,其对人类社会的价值更是没有完全释放,世界各国的顶级科研团队都为着这一目标而努力。肩负这份特殊的使命,我带着强烈的好奇心投入到了科研浪潮中。在博一期间,为了从满满40个学分的课程安排中抽出足够的科研时间,我常常卡着零点门禁才从实验室回到宿舍。同时,我借助在《功能材料的物理性能》、《光电器件与系统》、《高分辨显微学表征》等专业课上学到的专业知识,我对本领域研究工作的发展现状以及当中存在的材料科学共性问题有了更深入的理解,也启发了我对各种光电材料表征手段研究的兴趣。

从博二开始,我更是每天满满当当16个小时泡在实验室,海量阅读文献,坐累了就起个身,冲进实验室叮叮当当学习高效率电池的制作。有时候因为金属电极的蒸镀过程过于漫长,我只能在办公室里过夜,与机器的轰鸣声为伴,有时候因为药品污染问题,曾连续十几个批次的电池做不出效率。凌晨两点的金属基复合材料国重实验室经常会亮着一道光,那正是来自我们的303办公室。记得在徐祖耀楼举行的一次学术分享会上,王言博师兄曾对我们新生说过:“我不是天才,但我想在努力方面做个天才”,他相信或许自己也能在努力和坚持中得到新的答案,这句话后来变成了我电脑桌前激励自己的“名言”。很快,量变的积累带来了质变的飞跃,在导师和师兄师姐们的帮助下,我的知识库存和专业手艺突飞猛进,制备的器件效率也从最初的不足10%迅速提升到了18%以上,接近组内的最高水平。

经过几个月关于太阳能电池结构设计、制备、电化学表征等实验技能培训后,我顺利开启了博士生涯的第一个课题——应用有机染料提升钙钛矿光伏性能的研究。这是一个结合了有机化学、第一性原理计算、半导体物理的多学科交叉性课题,对于学习金属材料出身的我着实是个不小的挑战。最初,为了补足理论知识欠缺的短板,我投入了大量时间阅读专业书籍和文献,并主动联系具有半导体、应用化学和物理背景的博士生和博士后组成研究讨论小组。在此期间,因为没有师兄师姐的经验,我决定自学密度泛函计算软件VASP、Guass、Materials Studio等,以及《半导体物理》、《高等有机化学》等教材,这确实是个很耗时的过程,博士研究本质上是脑力劳动,需要大量的专业知识储备,韩老师也曾对我说过“不要用身体上的勤奋去掩盖思想上的懒惰”,这句话其实蕴含着深刻的哲理。有了理论基础,我通过深入分析染料分子与钙钛矿太阳电池性能之间的构效关系,成功筛选出符合条件的有机材料,用于提升钙钛矿器件的转换效率,大幅缩短了实验时间,为科研进程再次提速。天道酬勤,在我与组员们的不懈努力下,前期的难点痛点被一一攻破,成功将钙钛矿电池的效率提升到了20.5%,一举追平了世界最高效率记录,同时将钙钛矿器件的热稳定性提升了10倍以上,并在材料科学顶级期刊《Advanced Energy Materials》(IF:25.2)以及《Advanced Materials》(IF:27.4)上发表了相关成果。

留学日本,创造世界新纪录

介于一年多来在组内优异的科研成果,韩老师决定把我调遣到日本国立物质材料研究所(NIMS)进行培训。2017年初冬,一个寒冷的清晨,我独自一人带着两大箱行李坐上了由上海飞往东京的国际航班,那是我第一次出国,一个人到异国他乡定居生活,说实话心里不免有些忐忑,三个小时的飞行旅程在电影和娱乐节目的打发下很快过去。到了成田机场,人生地不熟的我在海关前徘徊了很久,最后终于在一个会说英文的工作人员指导下顺利出关,乘坐班车前往筑波科学城。到达NIMS的那天晚上,韩老师亲自开车把我接到外国研究者公寓,还同几个博士后师兄师姐一起在一家西安料理店吃了晚饭,其中就包括后来带我从事无铅钙钛矿器件开发的刘潇研究员。

筑波是个很适合做研究的地方,城市当中随处可见的是各种日本国立研究机构与会议中心,而几乎没有任何商业购物和娱乐设施,想要帮同学代购点免税商品,最近也要坐电车去到一百多公里外的秋叶原或横滨港。在NIMS最初一段时间里,曾自认为小有成就的我发现和周围同级交换生的学术水平依然存在较大的差距,仔细盘问发现他们大多都来自世界最知名的高校或研究机构,其中包括东京大学,美国加州大学伯克利分校,以及美国可再生能源研究所(NREL)等等。因此我不断暗示自己,要努力,努力,再努力!经过了几个月的培训,我掌握了无铅钙钛矿太阳电池的基本制备工艺以及高质量全无机铅卤钙钛矿薄膜的制备工艺,为我后续的科研工作奠定了基石。

转眼,时间到了2019年夏末,已经是博士四年级的我第二次赴日本进行学术交流,和第一次的交流有着本质上的不同,这次我肩负着创造世界新纪录的使命而来。当时钙钛矿电池效率记录已经被刷新至23%以上,而大面积组件的效率也达到了商业化并网发电的要求,但随着绿色经济理念不断深入人心,铅含量超标问题逐渐成为了限制钙钛矿太阳能电池产业化的另一个瓶颈,也是清洁能源领域真正的“卡脖子”难关。当时,钙钛矿电池的含铅量普遍超过了10%,远超欧盟薄膜光伏技术标准(RoHS)的额定指标,直接限制了钙钛矿光伏技术的产业化发展。这对于从事无铅锡基钙钛矿电池研究的我着实是个好消息,心里想着:“我的机会来了”。前途光明的道路一定是充满坎坷的,和铅基钙钛矿材料不同,锡基钙钛矿材料存在严重的自发氧化和大量的晶体缺陷,使得其转换效率只有约5%,这又在另一方面限制了其商业化应用。安全与性能如何兼得?这个难题其实也困扰着世界各国的科研团队。时间一点点的流逝,在激烈的国际竞争中每一刻都尤为关键。为了尽快攻克难题,当时的我每天依然要工作到凌晨,一日三餐都是在研究所旁边的Kasumi食品超市解决,周末在东京上野公园的野餐以及在富士山脚下的河口湖骑行活动,成为了我最奢侈的娱乐方式。

事实上,当时的NIMS拥有全世界最先进的氮气手套箱制备系统和最精确的电池测试系统,完全有和世界顶尖科研团队一较高下的实力。利用设备优势与国内积累的纯熟实验技术,我和刘潇师兄所在的科研团队很快将锡钙钛矿材料的载流子传输距离提升了一整个数量级,并开创性地通过化学钝化方法抑制了锡钙钛矿的氧化降解过程,于2019年10月将转换效率提升到了10%以上,创造了新的世界纪录。这一纪录被当时的权威光伏测试机构——日本产业技术综合研究所(AIST)认证,在日本社会引起了很大的反响,也被主流媒体《日本经济新闻》进行了专题报道。根据预测,若锡钙钛矿太阳能电池转换效率可以提升至15%以上,其发电成本将远低于商业化的晶硅和铜铟镓硒太阳能电池,同时也低于煤炭和天然气等传统能源,从而大幅提升光伏技术的市场竞争力,并推进新能源电力系统的布局,有望早日实现国家“碳达峰”和“碳中和”的长期战略目标。

将成果写在祖国大地上

2019年年末,由于在日本NIMS交换期间的科研成果突出,我开始着手为此项重要成果的发表做准备。在投稿前夕,我与韩礼元和杨旭东老师反复斟酌目标投稿期刊,由于该成果的原创性极高,团队最初建议将成果投稿在《Nature》子刊上。但作为中国科研团队,首次获得了该领域的最高认证效率,如果能发表在中国国产期刊上将具有里程碑式的意义。怀着践行习总书记“鼓励中国学者把论文写在祖国大地上”号召的心情,我最终决定将该成果投稿国产旗舰期刊《Science China Chemistry》。论文得到了编辑部的大力支持,很快被该期刊收录。论文在线发表后,我也终于松了一个口气,第二天便买了张飞去北海道札幌的机票,享受在冰天雪地中沐浴温泉的难忘时光。功夫不负有心人,目前这篇论文已经被Essential Science Indicators评为材料科学领域的高被引论文,也是《Science China Chemistry》2020年度引用量最高的论文之一。

2020年2月底,我结束了在日本的访学回到国内。当时国内正处于新冠病毒疫情的高峰期,交大校园处于全封闭管理的状态,但这丝毫不影响我学术论文的撰写工作。在疫情期间,我又提出了一种通过扩大锡基钙钛矿太阳能电池制备窗口而实现其大规模工业化制备的方法,并对如何实现20%以上的无铅钙钛矿电池效率做了展望,为钙钛矿太阳能电池的产业化发展积累了宝贵经验,该综述论文于2021年年初发表在了国际著名学术杂志《Cell》的能源科学类姊妹刊《Joule》(IF:29.2)上。基于在交大材料学院以及日本NIMS交换期间的突出科研成果,我拿到了2019年度研究生国家奖学金,2019年度金属基复合材料国家重点实验室特等奖学金,“第五届”上海交通大学研究生“学术之星”,以及2020年上海市大学生年度人物候选人等荣誉称号。

志在四方,扎根教学第一线

从忙碌科研生活里挤出时间,我选择担任杨旭东老师的本科生课程助教,用心推动新一代青年学子成长,来初步实现自己的育人梦想,丰富自己的读博生涯。源自教师家庭的熏陶和父母的言传身教,我怀揣着对育人的崇高敬意和对教学浓厚的兴趣。

我曾连续三个学期担任上海交大本科生课程助教,带着本科学弟学妹们一起学习《工程学导论》,在我看来这是一门特别有趣的课程,学生们一起进入实验室完成属于自己的DIY小发明,对学生来说,每一次自己动手的过程都满怀着发现科研乐趣的成就感。此外,我多次作为主讲人参加各种经验分享会和学术沙龙,介绍自己关于新能源产品研发和学术论文写作上的心得,鼓励交大学子投入到光伏等国家新能源战略的建设中,将自己的创新成果应用到低碳经济产品的研发中,解决能源行业内的痛点问题,践行科技强国梦。

“桃李不言,下自成蹊”,逐梦者的精彩未来才刚刚开始。“心怀理想,一往无前”,我将继续在推进新能源产业化、“碳达峰、碳中和”的道路上砥砺前行。

导师简介

韩礼元教授,毕业于日本大阪府立大学应用化学专业,曾任职于在日本Dainippon Ink & Chemicals Inc和夏普公司研究。2008年-2017年,担任日本国立物质材料研究机构(NIMS)下一代太阳能电池中心主任,2011年至今上海交通大学讲席教授。韩礼元教授在提高太阳能电池的转换效率和模块技术创新上有很高的造诣。通过对染料敏化太阳能电池的电子传运机理的深入系统的研究,率先提出了电池的等效回路模型,为系统地提高转换效率和长期稳定性做出了贡献。随着高效率、低成本的钙钛矿太阳能电池的问世,近几年研究者们致力于全面提高钙钛矿太阳能电池的性能,追求更高效率,更好稳定性。韩礼元教授领导的团队把握机遇,深入研究钙钛矿太阳能电池,并一次次地取得重大突破,在钙钛矿太阳能电池高效率器件制备,大面积模块开发,稳定性等方面做出了卓越贡献。在Science, Nature, Nature Energy, Joule, Nature Communication, Energy & Environmental Science, Advanced Material, Advanced Energy Materials, ACS Energy Letters等世界顶尖期刊上发表了许多高质量的研究成果。迄今为止,韩礼元教授已经在国际期刊上发表了200多篇高水平学术论文,申请专利200多项。未来一段时间内的主要研究方向仍然是研究开发大面积,高效率,高稳定性的钙钛矿太阳能电池及其内部载流子输运机制,推动该型电池产业化进程,为解决能源短缺,缓解环境污染等问题做出应有的贡献。

思政教师评语

吴天昊同学思想品德优秀,乐于助人,同时学习成绩优异,学术研究成果突出。博士期间累计发表SCI论文21篇,总影响因子超过350,其中以第一作者在《Joule》,《Advanced Materials》,《Advanced Energy Materials》,《Journal of Materials Chemistry A》等材料科学顶刊上发表论文8篇,4篇入选ESI高被引论文,引用量达720余次。此外,他多次在亚太地区光伏大会等国内外高水平学术会议上做口头报告,三次获得最佳海报奖,同时发表国际会议论文6篇。

他是国家新能源发展战略的开拓者,以实际行动推进国家“碳达峰”和“碳中和”的战略目标。两次赴日本开展国际研究合作,着手于攻克钙钛矿太阳能电池“铅含量超标”这一“卡脖子”问题,推动新一代光伏技术的大规模商业化进程。通过化学钝化和模板结晶等方法两度刷新无铅钙钛矿太阳能电池的世界效率记录,并将此重要研究成果写在了祖国大地上。该项成果有望大幅提升光伏技术的市场竞争力,并推进新能源电力系统的布局,意义非凡。

他是奋战在教学第一线的领路人,曾连续三年担任本科生《工程学导论》课程的助教,推动新一代交大学子的成长。同时,他多次作为邀请报告人参加校内各种学术经验分享会和学术沙龙,鼓励交大学子投入到光伏等国家新能源战略的建设中,解决能源行业内的痛点问题,践行科技强国梦。

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