——記南京航空航天大學教授 趙曉明

中國能耗強度下降,反映了內部能源綠色低碳轉型進程。作為全球生態(tài)文明建設的參與者、貢獻者、引領者,中國向‘新’向‘綠’轉型,不僅有利于自身高質量發(fā)展,也為全球能源轉型和可持續(xù)發(fā)展作出積極貢獻。美國媒體《太陽能電池》近期報道稱,中國綠色能源產業(yè)以創(chuàng)新優(yōu)勢和過硬品質為全球能源轉型貢獻智慧和力量。中國以開放的姿態(tài)廣泛開展國際合作,為各國帶來綠色發(fā)展的機遇。中國綠色低碳轉型勢在必行,制定了一系列減緩氣候變化的目標和計劃,重點控制化石能源消費,實現(xiàn)降碳減排。中國是非化石能源、清潔交通、綠色金融等方面的全球領先者,中國展現(xiàn)了脫碳魄力,也是“世界最大的希望”。

太陽能作為天然、綠色、無污染、可持續(xù)循環(huán)利用開發(fā)的新型能源備受各國青睞,來自全球的科研機構、科研工作者通過各種途徑積極探索攻關研發(fā)收集和儲存方法。太陽能電池經歷第一代晶硅電池、第二代無機薄膜太陽能電池的技術迭代,向更有希望的第三代鈣鈦礦電池方向迭代。2024年7月26日,南京航空大學國際前沿科學研究院趙曉明教授以第一作者身份,在著名國際學術期刊《Science》上發(fā)表《Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment》為標題的論文,論述了一種全新的基于氣相的鈣鈦礦處理方法,團隊攻克了過去液相法難以均勻處理大面積器件的局限,研制出面積超過兩百平方厘米、戶外使用壽命超過25年的高效鈣鈦礦太陽能電池,為鈣鈦礦太陽能電池走向應用奠定了基礎。

科研報國 助推新能源高質量發(fā)展

2023年初,趙曉明應邀回國加入南京航空航天大學國際前沿科學研究院,擔任長聘教授和博士生導師。專注研究鈣鈦礦太陽能電池,發(fā)揮他在太陽電池研究領域的長期積累,迅速在學術界嶄露頭角。

太陽能電池可將太陽光能轉化為電能,被認為是未來新能源領域發(fā)展的基石。而光伏材料中的鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的光電特性、簡單的制備工藝、原材料來源廣泛且儲量豐富,近幾年成為光伏電池領域的重點研究對象。鈣鈦礦太陽能電池(PSC)不僅可用于光伏電站,還可用于航空航天、建筑、可穿戴式發(fā)電器件等領域,突破了現(xiàn)有硅基太陽能電池的應用局限。

目前,小面積的鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已經超過26%,接近基于硅的商業(yè)技術水平。然而,PSC面臨著長期運行穩(wěn)定性不足的難題,這使得該領域的研究重點從提升轉換效率轉向改進電池的運行穩(wěn)定性。為此,科學家們發(fā)展了如液相處理方法等來鈍化鈣鈦礦材料表面的缺陷,抑制材料運行環(huán)境下的老化,從而實現(xiàn)了能長達數(shù)千小時穩(wěn)定運行的太陽能電池,但器件的面積僅有數(shù)平方厘米,無法滿足商業(yè)化需求。如何在保持高的效率前提下實現(xiàn)大面積長效穩(wěn)定的PSC依然是本領域的重大挑戰(zhàn)。

研究中團隊發(fā)現(xiàn)慣用的穩(wěn)定鈣鈦礦的液相處理方法雖然能顯著提升小面積器件的效率和穩(wěn)定性,但是面向大面積器件卻仍有不足;原因是這類方法在處理大面積太陽能電池時存在由反應速率不均帶來的鈍化效果不佳的局限。因此,團隊開創(chuàng)性地發(fā)展了氣相氟蒸汽處理方法,它能在常壓下與鈣鈦礦表面進行大面積均勻鈍化反應。與傳統(tǒng)處理方法相比,氟蒸汽處理實現(xiàn)了明顯更均勻的表面鈍化效果,使得整個薄膜能夠大面積均勻展現(xiàn)出長的光致發(fā)光壽命,同時顯著減少了誘發(fā)材料降解的缺陷源,從而在可企及的器件區(qū)域內實現(xiàn)了效率的一致提升和模組壽命的大幅延長。這一處理方法的出現(xiàn)將大大推動能源綠色發(fā)展的進程。

奮斗炫彩青春 譜寫教研新篇

天津大學化工學院的本科學習是趙曉明科研的起點,不僅系統(tǒng)地學習了化學基礎知識,更在各種實驗中鍛煉了實踐能力。攻讀碩士學位期間被導師王世榮教授嚴謹治學的態(tài)度和對科研的熱愛深深感染,不斷探討鉆研化工領域的前沿科技,同時,意識到作為一名科研人員不僅要有扎實的知識儲備,更要有創(chuàng)新的思維和持之以恒百折不撓的精神。此外,王教授的那句教誨:“若非不做,做則必求極致”,在趙曉明的科研學習旅程中,猶如一盞明燈,時刻激勵他以極致的標準自我要求,不斷追求卓越。

科研生涯中的另一個重要轉折點是遠赴英國倫敦瑪麗女王大學攻讀博士學位,在John Dennis教授的指導下,開始了對光電材料與器件的研究。趙曉明的博士論文聚焦于有機光電半導體材料的電荷傳輸研究,這項研究為日后的學術發(fā)展奠定了堅實的基礎。在趙曉明的博士生涯中,Dennis教授的“放羊式”指導方法極大地培養(yǎng)了趙曉明的獨立研究能力。他不僅能夠自主發(fā)現(xiàn)研究中的問題,更開發(fā)了獨立解決問題的能力,這種能力的提升對他的科研生涯至關重要。

后在普林斯頓大學進行博士后研究,并與Yueh-Lin Loo教授合作,深入探索鈣鈦礦太陽能電池的穩(wěn)定性問題,并參與了多個重要的科研項目,接觸到了國際前沿的科研動態(tài),并協(xié)作Loo教授指導了多名博士生,,提高了項目管理能力和團隊之間的協(xié)作協(xié)調能力?？蒲谐晒诙嗉颐襟w報道,提升了個人在學術界的知名度。

鈣鈦礦太陽能電池這一領域被廣泛認為具有巨大的應用潛力,趙曉明深知教研對于學生成長的重要性,在他的引導下,許多學生在國內外學術會議上展示了他們的研究成果,積極參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽,獲得了多項獎勵,為激發(fā)和培育后續(xù)人才提供了動力和機遇。幫助開啟科研之路,是職責和榮幸,良師不僅是傳道授業(yè),更是撥開迷霧,學子奮進的引路人。

我們國家正處在蓬勃發(fā)展的階段,青年時期正是人生最應該奮斗的時期,奮斗和拼搏正是我們未來一代的使命。每個人都應該用自己的實際行動書寫屬于自己的經歷,趙曉明教授表示,我將不懈探索,致力于將鈣鈦礦太陽能電池技術推向產業(yè)化,為早日實現(xiàn)我國的‘雙碳’生態(tài)目標、為全球綠色發(fā)展貢獻力量,以產教學研培養(yǎng)、輸送更多的專業(yè)高端人才,永遠行進在不斷奮斗的征程里。