——记南京航空航天大学教授 赵晓明
中国能耗强度下降,反映了内部能源绿色低碳转型进程。作为全球生态文明建设的参与者、贡献者、引领者,中国向‘新’向‘绿’转型,不仅有利于自身高质量发展,也为全球能源转型和可持续发展作出积极贡献。美国媒体《太阳能电池》近期报道称,中国绿色能源产业以创新优势和过硬品质为全球能源转型贡献智慧和力量。中国以开放的姿态广泛开展国际合作,为各国带来绿色发展的机遇。中国绿色低碳转型势在必行,制定了一系列减缓气候变化的目标和计划,重点控制化石能源消费,实现降碳减排。中国是非化石能源、清洁交通、绿色金融等方面的全球领先者,中国展现了脱碳魄力,也是“世界最大的希望”。
太阳能作为天然、绿色、无污染、可持续循环利用开发的新型能源备受各国青睐,来自全球的科研机构、科研工作者通过各种途径积极攻关研发收集和储存方法。太阳能电池经历第一代晶硅电池、第二代无机薄膜太阳能电池的技术迭代,向更有希望的第三代钙钛矿电池方向迭代。2024年7月26日,南京航空大学国际前沿科学研究院赵晓明教授以第一作者身份,在著名国际学术期刊《Science》上发表《Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment》为标题的论文,论述了一种全新的基于气相的钙钛矿处理方法,团队攻克了过去液相法难以均匀处理大面积器件的局限,研制出面积超过两百平方厘米、户外使用寿命超过25年的高效钙钛矿太阳能电池,为钙钛矿太阳能电池走向应用奠定了基础。
科研报国 助推新能源高质量发展
2023年初,赵晓明应邀回国加入南京航空航天大学国际前沿科学研究院,担任长聘教授和博士生导师。专注研究钙钛矿太阳能电池,发挥他在太阳电池研究领域的长期积累,迅速在学术界崭露头角。
太阳能电池可将太阳光能转化为电能,被认为是未来新能源领域发展的基石。而光伏材料中的钙钛矿材料因其优异的光电特性、简单的制备工艺、原材料来源广泛且储量丰富,近几年成为光伏电池领域的重点研究对象。钙钛矿太阳能电池(PSC)不仅可用于光伏电站,还可用于航空航天、建筑、可穿戴式发电器件等领域,突破了现有硅基太阳能电池的应用局限。
目前,小面积的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经超过26%,接近基于硅的商业技术水平。然而,PSC面临着长期运行稳定性不足的难题,这使得该领域的研究重点从提升转换效率转向改进电池的运行稳定性。为此,科学家们发展了如液相处理方法等来钝化钙钛矿材料表面的缺陷,抑制材料运行环境下的老化,从而实现了能长达数千小时稳定运行的太阳能电池,但器件的面积仅有数平方厘米,无法满足商业化需求。如何在保持高的效率前提下实现大面积长效稳定的PSC依然是本领域的重大挑战。
研究中团队发现惯用的稳定钙钛矿的液相处理方法虽然能显著提升小面积器件的效率和稳定性,但是面向大面积器件却仍有不足;原因是这类方法在处理大面积太阳能电池时存在由反应速率不均带来的钝化效果不佳的局限。因此,团队开创性地发展了气相氟蒸汽处理方法,它能在常压下与钙钛矿表面进行大面积均匀钝化反应。与传统处理方法相比,氟蒸汽处理实现了明显更均匀的表面钝化效果,使得整个薄膜能够大面积均匀展现出长的光致发光寿命,同时显著减少了诱发材料降解的缺陷源,从而在可企及的器件区域内实现了效率的一致提升和模组寿命的大幅延长。这一处理方法的出现将大大推动能源绿色发展的进程。
奋斗炫彩青春 谱写教研新篇
天津大学化工学院的本科学习是赵晓明科研的起点,不仅系统地学习了化学基础知识,更在各种实验中锻炼了实践能力。攻读硕士学位期间被导师王世荣教授严谨治学的态度和对科研的热爱深深感染,不断探讨钻研化工领域的前沿,同时,意识到作为一名科研人员不仅要有扎实的知识储备,更要有创新的思维和持之以恒百折不挠的精神。此外,王教授的那句教诲:“若非不做,做则必求极致”,在赵晓明的科研学习旅程中,犹如一盏明灯,时刻激励他以极致的标准自我要求,不断追求卓越。
科研生涯中的另一个重要转折点是远赴英国伦敦玛丽女王大学攻读博士学位,在John Dennis教授的指导下,开始了对光电材料与器件的研究。赵晓明的博士论文聚焦于有机光电半导体材料的电荷传输研究,这项研究为日后的学术发展奠定了坚实的基础。在赵晓明的博士生涯中,Dennis教授的“放羊式”指导方法极大地培养了赵晓明的独立研究能力。他不仅能够自主发现研究中的问题,更开发了独立解决问题的能力,这种能力的提升对他的科研生涯至关重要。
后在普林斯顿大学进行博士后研究,并与Yueh-Lin Loo教授合作,深入钙钛矿太阳能电池的稳定性问题,并参与了多个重要的科研项目,接触到了国际前沿的科研动态,并协作Loo教授指导了多名博士生,,提高了项目管理能力和团队之间的协作协调能力。科研成果在多家媒体报道,提升了个人在学术界的知名度。
钙钛矿太阳能电池这一领域被广泛认为具有巨大的应用潜力,赵晓明深知教研对于学生成长的重要性,在他的引导下,许多学生在国内外学术会议上展示了他们的研究成果,积极参与创新创业大赛,获得了多项奖励,为激发和培育后续人才提供了动力和机遇。帮助开启科研之路,是职责和荣幸,良师不仅是传道授业,更是拨开迷雾,学子奋进的引路人。
我们国家正处在蓬勃发展的阶段,青年时期正是人生最应该奋斗的时期,奋斗和拼搏正是我们未来一代的使命。每个人都应该用自己的实际行动书写属于自己的经历,赵晓明教授表示,我将不懈,致力于将钙钛矿太阳能电池技术推向产业化,为早日实现我国的‘双碳’生态目标、为全球绿色发展贡献力量,以产教学研培养、输送更多的专业高端人才,永远行进在不断奋斗的征程里。