作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2022/12/22 14:39:37
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刷了5000个电池后,他发了篇《自然》  

 

 陈昊在实验室 受访者供图

近日,多伦多大学博士后陈昊以共同一作的身份(排名第一)收获了人生中的第一篇Nature,文章介绍了一种高效稳定的全钙钛矿叠层太阳能电池,创造了单节宽带系器件和叠层器件开路电压的世界纪录。

在加拿大皇家科学院院士、工程院院士Edward H. Sargent实验室工作,发一篇“大文章”一直是陈昊的心愿。现在,他的这篇大文章成为Sargent实验室的第16篇Nature正刊,加上其他14篇Science正刊论文,使该实验室仅NS正刊论文就多达30篇。

在这篇论文的背后,陈昊“刷了不下5000个电池”。而进入这个领域6年来,陈昊在实验室制作的钙钛矿太阳能电池更是接近5万个。

过去一年,陈昊和伴读的爱人仅靠着他博士后微薄的收入生活,物质上并不富裕,但生活中的每一个小进步都让他们感到欣喜。过去两个月,他们收获的“超级快乐大礼包”除了上述大文章,还有儿子多宝的降临。

实验室做器件最厉害的人

每天早上五六点钟,陈昊就会来到位于多伦多大学电气与计算机工程系的实验室,穿上防护服,带上手套、护目镜,开启一天的工作。

清洗导电基底、称量药品、旋涂空穴传输层和钙钛矿层、蒸镀电子传输层……时间很快到了中午。吃完自带的午餐,休息半小时,他继续完成最后一层金属电极的蒸镀,然后在下午五点前完成这批器件的性能测试。晚上要整理数据,根据当天的测试记录,看看次日需要做哪些改进来优化下一批器件。

“一天差不多做18到20个器件(一个器件里还有8个小电池)。一个星期工作5天,周五开小组会,周天休息,平均下来一个月差不多有400个器件,一年在5000个器件左右。”网络另一头,陈昊给《中国科学报》记者计算着,这正是过去一年发表Nature论文前他的工作量。

这其实远没有2019年陈昊初到Sargent实验室时那么疯狂。

彼时,在博士生导师、上海科技大学宁志军教授的推荐下,陈昊受国家留学基金资助,到“导师的导师”Sargent教授实验室做联培博士。这是陈昊梦寐以求的机会。

Sargent是材料学和光子学领域的“大咖”。迄今,除了在NS正刊上发表30篇论文,他的实验室所发表的Nature系列文章达到140篇,相关引用量超过10万次。他还是3家技术公司InVisage Technologies、QD Solar和Xagenic的创始人,并担任多个学术期刊的审稿人。

每年,抢着到这位“大牛”的实验室学习和工作的年轻人都会挤破头。而毕业院校、导师、所发表的文章都会成为竞争的砝码。

“虽然有宁老师的推荐,我当时在国内也发过两篇文章,但想留在这个实验室还是不够。”陈昊回忆,实验室其他人“几乎人手至少一篇Nature大子刊”,这让他羡慕不已。文章是科研人的通行证,好的课题组更容易发好文章,此时他便下定决心一定要留下来做博后。

和一群强者竞争,凭什么取胜呢?鼎盛时期的Sargent实验室博士、博士后人数过百,一个小组有十多号人,实验仪器有限,竞争压力很大。“天分不够,那就努力来凑。”陈昊利用实验室仪器的空闲时间 “疯狂刷器件”,一星期七天朝6晚10都泡在实验室,联培博士一年基本没出去玩过。

那时,每天他都能完成一到两批器件的制备,最后用一年时间让研究组的反式结构钙钛矿太阳能电池达到了世界最高效率。这让他有勇气向Sargent申请做博士后,经过面试,最终拿到了通行证。

“在这边,我们的合同都是一年一签,这既给了我们去留的自由也给了我们较大的压力,需要一直努力才能顺利签下下一年的合同。”陈昊说,“这很辛苦,但我觉得很值。这里的成员都来自全球优秀高校和课题组,不同的人带来了不同的知识碰撞,视野也会更开阔。”

至今,陈昊已经研究了6年的钙钛矿太阳能电池,手底下刷过近5万件器件,是现在实验室做器件做得最快的人。

在很多人眼中一次次重复同一个过程无疑枯燥又单调,但陈昊觉得“挺有趣”。他很享受这个过程,特别是每次看到一批新器件性能提升的瞬间,心底会无比满足。

陈昊和爱人 受访者供图

创纪录的性能

今年11月15日,陈昊发在Nature的处女作,被认为实现了“创开路电压和效率纪录的串联钙钛矿太阳能电池”。究竟是怎样的创纪录呢?

这涉及到一个概念——钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。2009年,日本科学家Tsutomu Miyasaka制备了第一个钙钛矿太阳能电池,其光电转换效率仅为3.8%,而彼时晶硅电池实验室转化效率已经达到了18%左右。仅仅13年过去,钙钛矿太阳能电池的转换效率已经达到28%,超过了目前效率最高的晶硅技术的效率(26.8%)。

光吸收系数高,成本低,这让钙钛矿电池被认为是“未来之星”,近年来研究十分火热。

陈昊向记者介绍,理论上,单节钙钛矿电池的光电转换效率可以达到30%以上,但其近几年发展已进入瓶颈,光电转换率自2020年至今维持在25%左右。叠层电池随之走入视野,成为当前实验室记录的保持者(这个纪录目前由南京大学谭海仁教授课题组保持)。

据介绍,叠层电池由两个子电池串联组成,一个是宽带隙,一个窄带隙。光先经过宽带隙,紫外-可见光会被宽带系子电池吸收,再经过窄带隙,吸收宽带隙无法吸收的光,从而达到更高效率。

陈昊和合作者的研究重点放在提升宽带系器件的电压上,这是决定宽带系器件性能的一部分。他们发现,带隙越宽,电压损耗越大,性能越差,很难制备稳定高效的宽带系钙钛矿太阳能电池电池。进一步研究中,他们发现表面电位不均匀和钙钛矿电子传输层能量排列不良导是致器件过高的电压损失主要原因

他们通过引入1,3-丙二胺碘盐来处理宽带系钙钛矿薄膜表面,改善了钙钛矿表面和电子传输层界面处的接触电势,有效抑制了电压损失,实现了创纪录的性能:经美国可再生能源实验室(Nrel)认证,带隙为1.79 eV的宽带系钙钛矿器件取得了1.33 V的开路电压和19.3%的光电转化效率。将这一底层技术用到叠层器件之后,叠层器件的电压可以达到2.19 V,并且取得了27%以上的高光电转换效率,Nrel认证的效率为26.3%,这是世界上第一个通过Nrel认证且超过单节钙钛矿器件效率的叠层器件。

“一个钙钛矿电池的效率由三部分组成:电压、电流、填充因子,目前这三者都没有达到最优水平,优化任何一个值都可以提升其效率。”陈昊介绍,其中电压问题是目前最具挑战性的问题,其理论极限值在2.45V以上,下一步他希望进一步改进宽带隙,通过提升其电压来提升性能。

到目前为止,陈昊已经取得了好几个世界纪录。今年4月陈昊同样以共同第一作者(排第一)身份在《自然—光学》期刊上发表了认证效率达到23.9%的反式结构钙钛矿器件的文章,这是当时稳态认证的世界纪录。前不久又经过Nrel的认证,取得了24.3%的认证效率,再一次刷新了反式结构钙钛矿器件的世界纪录。

“越努力越幸运,发文章有时候很需要运气,但是只有手里面有好成果,运气才能帮忙,机会永远是留给有准备的人。”陈昊说。

成为论文“收割机”

那么,Sargent实验室又如何成为别人眼中的顶刊论文“收割机”呢?身在其中的陈昊揭开了其背后的神秘面纱。

据介绍,目前Sargent本人已在美国西北大学创建新实验室,其多伦多大学留下的团队依然有70多人。其中,博士生与博士后分别达到25与43人。

Sargent没有三头六臂,却能远程遥控,把一个如此庞大的实验室运行得井井有条。据介绍,Sargent课题组各方面都有专门的负责人,新人来了有专人带着熟悉环境,进行仪器培训,能够尽快进入科研状态;仪器有专人维修,使实验室每天都处于正常运行状态;课题组有充裕的科研经费,没有后顾之忧。

“每个组有Leader,Leader的科研能力非常强,我们每个星期五都会开组会,他们会给出很多很好的建议。如果你对一个课题有兴趣,也可以先跟Leader讨论,他觉得可以就会汇报给教授,随后会收到教授具体的建议。”陈昊说,他本人就曾得到如今的新加坡国立大学助理教授侯毅和西北大学研究助理教授陈斌的很多帮助。

即便是“遥控”,Sargent每个月也会给每个组员的研究提出具体建议。陈昊印象中,Sargent的知识面非常广,包括光学、催化、探测器、激光等四五个大方向,每个方向他都能提出很独特的见解。

Sargent对实验室每篇论文的要求都极其严格。一篇文章在发表前,他会先要求组员反复修改,然后自己再修改,才能投出去。“作为很多期刊的审稿人,他知道一篇大文章需要什么样的标准。”陈昊说,“首先,不能让别人质疑我们的研究结果;其次,要让人觉得这项工作确实是值得发表。”

其实,能够进入该实验室的成员都是非常优秀的,这无疑是其保持高质量产出的另一个因素。“大家都很勤奋,又能互相帮助与合作,充分利用各自优势,发一篇文章其实很快。”陈昊说,“比如有的人器件做得好,有的人表征做得好,有的人文章写得好,大家拧成一股绳,花一年时间可以完成别人好几年做的东西。”

在这个团队里,陈昊也能看到自己身上的不足。他觉得国内博士做事很积极,但大部分时间用在做实验上,理论知识相对比较欠缺。这也让他对如何弥补自己的不足有了更清晰的规划。

Sargent实验室集体照 受访者供图

“画饼”

谈起现在的访学生活,陈昊用“痛并快乐着”来形容。

生活压力就是“痛”一个方面。陈昊博士后的“薪水”一个月到手在3600加元左右(约1.84万元人民币),单是房租一个月就要2000多加元。宝宝的到来给小两口带来欢乐,也增加了一笔开支。三口之家节俭度日,刚能覆盖生活。

“科研上我是一个合格的工作者,但家庭上是一个不合格的丈夫。只能尽量去平衡,没法得到很好的兼顾。”陈昊的语气里有点遗憾。

去年,当他前往加拿大的时候,爱人选择放弃“铁饭碗”(上海一所高中的在编教职),跟他伴读。他每天早出晚归做实验,爱人就把家务活全搞定。爱人怀孕期间,他也很少时间在家陪伴。

无论是手头的拮据,还是科研的压力,都没有影响小家的欢乐氛围。科研上的每一点进展,孩子成长的每一个小细节,他和爱人都会彼此分享,让家里充满乐观向上的活力。

“一个人的心态是非常关键的,其实我们已经算不错的了。我们组的博后工资在整个加拿大体系里面应该是最高的,我们来这边也不是为了钱,够生活就好,学到知识和发好文章才是最终目的。”陈昊说。

有时,爱人也会有点情绪,担心他们回国之后找不到合适的工作,这时陈昊总会给爱人“画饼”:“你看我们工作做得好,文章发得好,回去肯定有很好的发展空间。”

一家三口 受访者供图

未来,陈昊内心深处希望在祖国大地上发光发热。

作为一个从湖南郴州农村走出来的大学生,他感觉人生每个阶段的生活都在向上走,国内科研水平、设备、资助都已经处于领先地位,他内心深处有着强烈的归属感。

但要成为一名独立的博士生导师,要建立自己的实验室,他还需要“攒一些资本”,获得更好的发展机会。

访学之旅已经走完了一半,多伦多大学的博后合同将在明年4月底结束,之后他会跟随Sargent前往美国西北大学做研究,2024年左右开始在国内寻找教职。“西北大学的材料、化学专业都非常厉害,‘大佬’也非常多,这将会是一个非常好的机会,借此我可以完善自己的知识体系为回国发展做准备。”他说。

为太空卫星供电,给汽车提供动能,将相关柔性电池用于衣物保暖或制冷……在他看来,未来太阳能钙钛矿电池大有可为。今后5到10年,即使不能完全商业化,至少可以在一些领域得到应用。

相关论文信息:

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

 
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