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2020年上海市大学生年度人物候选推荐人选事迹材料公示

  时间:2021-03-22  浏览:2616

吴天昊:将“碳中和”写进祖国山河

——上海交通大学年度人物候选人吴天昊事迹材料

简介“绿水青山就是金山银山”,实现“碳中和”,构建以光伏为代表的新能源电力系统是我国未来40年的主要任务。吴天昊,上海交通大学材料科学与工程学院2016级直博生,就是一位在这条绿色之路上开拓创新的青年研究者。他致力于推动钙钛矿太阳能电池这一新兴光伏技术的产业化进程。为解决“铅含量超标”这一产业化瓶颈问题,他远赴日本,学习一流技术,通过开发新型无铅钙钛矿材料,提出了室外大规模制备无铅钙钛矿太阳能电池的可行性方案,使其向商业光伏市场迈出了里程碑式的一步。近三年,他在《Science》、《Joule》、《Adv. Mater.》、《Adv. Energy Mater.》等能源和材料领域顶级期刊上发表SCI论文20余篇,其中第一作者论文8篇,累计影响因子超过350,在国内相关领域研究最需要的时刻,他毅然学成回国,将具有里程碑式意义的成果发表在国产旗舰期刊《Science China Chemistry》,真正践行了“将论文写在祖国大地上”的承诺。基于其优异的科研成果与使命担当,吴天昊获得了国家奖学金、上海交通大学“学术之星”等一系列重要荣誉奖项。

 

初入科研,结缘神奇钙钛矿

       2016年,成绩优异的吴天昊选择成为一名直博生继续留在交大深造。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。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”。

    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,世界各国正有着许多顶级团队为这一目标而努力。肩负这份特殊的使命,他带着强烈的好奇心和一丝丝胆怯,投入到科研浪潮中,早八打卡,卡着零点门禁才回宿舍,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动手学习高效率电池的制作。不懈的努力换来的是飞速的进步,在导师和师兄师姐们的帮助下,他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。

    不到一年,他便熟练掌握了太阳能电池结构设计、制备、电化学表征等实验技能,也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他着实是个不小的挑战。最初,为了补足理论知识欠缺的短板,他投入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小组。在此期间,他自学密度泛函计算软件VASPGuassMaterials Studio等,深入分析了染料分子与钙钛矿性能之间的关系,并成功筛选出符合条件的有机材料,用于提升钙钛矿器件转换效率,大幅缩短了实验时间,为科研进程再次提速。

    天道酬勤,在吴天昊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值,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》(IF25.2)以及《Advanced Materials》(IF27.4)上发表了相关成果。

吴天昊在超净间和手套箱的严格环境下进行实验

 

留学日本,创造世界新纪录

  除了转换效率和稳定性,铅含量超标是限制钙钛矿太阳能电池产业化另一个瓶颈,也是清洁能源领域真正的卡脖子难关。目前,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。为此,吴天昊又将科研目标瞄向不含铅的锡基高性能钙钛矿电池。然而锡基钙钛矿材料自发氧化的特性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?这个难题也困扰着全世界各个科研团队,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,吴天昊里每天都要工作到凌晨,更是时常通宵达旦,一日三餐都在实验室解决。

正在制备无铅钙钛矿太阳能电池的某个瞬间

      

    为了抢占技术研究的高地,他申请到了远赴日本国立物质材料研究所(NIMS)进行交流访问的机会,与那里顶尖的科研团队进行合作,当时的日本科研团队保持着锡钙钛矿电池的世界最高效率,同时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。

    凭借日本研究所的设备优势与国内积累的纯熟实验技术,吴天昊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,最终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。

世界首个无铅锡基钙钛矿太阳能电池在权威机构(日本AIST)的效率认证书

 

学成归来,将成果写在祖国大地上

    由于在日本NIMS交换期间的科研成果突出,吴天昊开始着手为此成果的发表做准备。在投稿前夕,他与导师反复斟酌目标期刊,由于该成果的原创性极高,团队最初建议投稿在《Nature》子刊上最为合适。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,吴天昊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。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。

    之后,在该研究成果的基础上,他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,为钙钛矿太阳能电池的产业化发展积累了宝贵经验,研究成果相继发表在国际著名杂志《Cell》的姊妹刊《Joule》(IF:29.2)等顶级能源类期刊上。基于其突出的科研成果,吴天昊获得2019年度研究生国家奖学金,2020年度金属基复合材料国家重点实验室特等奖学金,日本NIMS奖学金以及上海交通大学十大研究生“学术之星”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,吴天昊选择担任本科生课程助教,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,他怀揣着对育人的崇高敬意和对教学浓厚的兴趣。

吴天昊(右五)在学术讲座上与学生们的合影

     

    他连续三年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》,在他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,他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,这也为他选择成为一名大学教师奠定了基础。

   “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”,他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。

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