作者:李晨阳 张双虎 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/7/31 22:02:48
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97年师兄弟发表校史首篇Science:创造了一个世界纪录!

 

华东理工大学近日迎来校史上首篇Science论文。
该校教授吴永真、朱为宏团队与合作者,在钙钛矿太阳能电池有机空穴传输材料领域取得最新成果。他们基于这项技术得到的太阳能电池,功率转换效率达到了25.4%,创造了世界纪录。
论文的两位共同一作都出生于1997年,是两位博士师兄弟——张硕和叶方圆。

由于张硕开展的实验目前正处于关键期,刚刚毕业、时间更为充裕的叶方圆接受了《中国科学报》采访。

从左至右:张硕、叶方圆
“一石二鸟”解决两大难题
前不久,叶方圆在华东理工大学完成5年硕博连读,顺利毕业。

尽管从2021年开始,叶方圆已以一作或共同一作身份在Nature子刊、Solar RRl等杂志发表6篇论文,当听到论文即将在Science发表时,他依然感到“非常激动”。

“这项研究2020年就开始了,投Science的时候我们是有股冲劲儿的。”叶方圆告诉《中国科学报》,因为一审意见比较积极,大家就铆足了劲儿去补实验,到二轮审稿意见回来,基本就能确定被接收了。但吴永真教授来实验室说论文即将发表时,“大家还是抑制不住地开心,觉得做了件大事”。
这篇论文聚焦的是一个热点领域:钙钛矿太阳能电池。钙钛矿电池属于第三代太阳能电池,这种电池具备效率上限高、成本低、可叠层、柔性四大优势,被看作是具有革命性的新材料,被业界寄予厚望。
“但钙钛矿电池所谓的‘发电效率高’,很大程度还停留在理论上。当前钙钛矿电池的实际发电效率其实还没有达到传统光伏硅片的水平。”叶方圆向《中国科学报》解释。而他们想要做的事,就是让这个效率再高,再高一点。
钙钛矿电池的结构像是一个三明治,钙钛矿材料的两边分别覆盖着电子传输材料和空穴传输材料。所谓空穴传输材料是一种有机半导体材料,在电场作用下可以实现载流子定向有序的可控迁移,从而达到传输电荷的作用。
但传统的空穴传输材料要么过于疏水,无法润湿钙钛矿前体,要么会与钙钛矿发生反应,从而导致层与层之间的掩埋界面产生限制性能的缺陷。
在这项研究中,团队创新性地引入氰基膦酸单元,发展出双亲性小分子空穴传输材料,通过动态自组装构筑有序、超薄、表面超浸润层,“一石二鸟”地解决了器件应用中载流子输运和界面缺陷控制两大难题。
值得注意的是,该团队基于有机空穴传输材料制备的反式结构钙钛矿太阳能电池,被第三方机构认证效率达到25.4%,创造了目前该类太阳能电池的最高转化效率。
此外,该新型有机空穴传输材料具有良好的浸润性,十分有利于制备大面积器件。它不仅适用于钙钛矿电池,还可用于有机聚合物太阳能电池,具有很好的通用性。
目前,这项技术已申请发明专利。
近年来,钙钛矿电池热度不减,不仅在市场上备受瞩目,也容易赢得一些顶级学术刊物的青睐。 “钙钛矿电池如果发展好了,可以应用的场景非常丰富。除了做光伏电站发电外,还可以用于室内光伏、可穿戴设备等。比如我们可以在衣服和背包上安装可折叠的柔性电池,就不用再带着沉甸甸的充电宝出门了。”叶方圆说,“我们做科研,往大里说希望推动人类社会的发展,往小里说,希望能让我们的生活变得更好,哪怕只好一点点。电池这个领域就符合我的期待。”

扎得更深,走得更远

今年26岁的叶方圆,从本科开始就在华东理工大学读书,本硕博一共9年。在他看来,化学化工专业一直是华理的优势学科。更幸运的是,他在这里遇到了对自己帮助很大的导师吴永真教授。

叶方圆(左)与导师吴永真教授

2021年1月,在吴永真教授的指导下,叶方圆在太阳能领域期刊Solar RRl发表了自己的第一篇论文。该研究提出一种锚定组装分子,进行底界面电子传输材料设计。目前,这个方法已经被广泛用于空穴传输材料的设计中。
尽管这是一篇“小文章”,但对叶方圆影响很深:“第一次发表论文,我的科研思维、科研能力和英文写作能力都得到了很大的锻炼。但更重要的是,这是我第一次通过一个科学上的idea,创造了一些可以在现实场景中应用的东西。”
在这个低调而务实的课题组里,叶方圆在材料开发领域越扎越深,但他同时也意识到,除了深度外,科研的宽度也非常重要。在吴永真教授的支持下,他开始主动出击,寻求在国外交流学习的机会。
叶方圆找国外导师的思路也很别致——通过阅读大量文献进行“海选”。
“因为钙钛矿太阳能电池是新兴的热门领域,”叶方圆说,“这个领域每月都会有大量论文发表,但其中哪些文章有‘干货’,哪些文章是‘灌水’的,我们还是很清楚的。”
在读文献的过程中,叶方圆注意到了德国科学院院士、波茨坦大学教授Dieter Neher。“我对其中一些论文印象深刻,Dieter Neher教授在器件物理方面的理解,以及他的方法和思路对我们一定有帮助。”叶方圆说。
顺着论文线索,叶方圆找到Dieter Neher的邮箱并发去了邮件。他首先介绍了自己和自己的工作,并提出对Dieter Neher论文的看法,同时表达出想去交流学习的愿望。
很快,Dieter Neher回信邀请他进行面试。面试效果不错,叶方圆便申请了国家留学基金,赴德进行研究工作。
在德国,Dieter Neher安排年轻PI——Martin Stolterfoht指导叶方圆,他俩成了实验室走得最晚的人。一天晚上工作结束后,Martin Stolterfoht拎着几瓶啤酒过来,问叶方圆“能饮一杯无”。没想到叶方圆也有同好,此后两人经常在下班后“把酒言欢”,聊科研、聊兴趣、聊生活、聊爱好。那段时间,叶方圆觉得收获很大,就像打开了一个新视角。

叶方圆与Martin Stolterfoht

公派学习结束后,Dieter Neher希望叶方圆能把研究的题目做完,于是把他推荐到亥姆霍兹能源与材料研究所教授Steve Albrecht团队,又进行了为期半年的研究。

“吴老师擅长化学领域,Dieter Neher侧重器件物理。他们擅长的领域不同,研究风格和思维方法也各有特色。”叶方圆说,“因此,在德国的这段研究生涯让我受益良多,也算打通了一条和国外课题组深入合作的通道。”

一切都是最好的“安排”

从选择学校和专业,确定科研梦想,认准研究方向,到决定去国外哪个实验室深造。一路走来,叶方圆都是主动规划、积极争取。
“这也算我的人生态度吧。”他笑道。
一直以来,叶方圆都有属于自己的“时间表”。每天几点钟起床、几点钟工作、几点睡觉,包括每天“刷”几次手机不能超过半小时都写得清清楚楚。他甚至给自己定下一个特别的规矩:每周日下午3点开始考虑下一周要做的事情。
“这些规划中的很多细节,其实我未必都能严格遵守。但心里有了这样一个标准,就会尽量去靠近。”叶方圆说,“做科研必须做好规划,做什么实验,做多少实验,有怎样的进度都得安排好。包括我们要用什么仪器都需要提前预约,一丝不苟地完成每个实验,才能保证整个研究的进度。”
博士毕业后,叶方圆再次慎重地选择了未来的人生道路,他入职上海电气,继续钙钛矿和硅异质结太阳能电池的研究。
“发展新型光伏技术,为防止国家在关键能源技术上被‘卡脖子’至关重要。我选择了这个领域,就希望能用自己的研究成果,创造一些实实在在的贡献。国家现在倡导产学研结合,企业能让科研成果走出实验室,实现产业化,这正是我的梦想所在。”他说。




 
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