中文 / ENGLISH / 郵箱

西湖大學最年輕博導來了丨93年出生的他,想創造屬于中國的“追光”紀錄

来源: 发布时间:2021-09-29 作者:

9月16日,福布斯中国发布2021年度30 Under 30榜单,在科学和医疗健康30人名单里,出现一个叫王睿的名字:28岁,西湖大学,特聘研究员/博导。

是的,這是一名來自西湖大學工學院的年輕PI,1993年出生,今年4月離開UCLA加盟西湖,是迄今爲止西湖大學引進的最年輕的博士生導師。

2020年9月22日,在第七十五屆聯合國大會上,中國提出力爭在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。實現這個目標的關鍵一步在于充分利用可再生能源,尤其是太陽能。

王睿的研究方向,就與此緊密相關。

他給自己設定的小目標之一,就是在西湖大學創造屬于中國自己的“追光”紀錄。


解碼王睿,從鈣钛礦太陽能電池說起

地球距離太陽1.5億公裏,只接收太陽巨大能量輸出的十億分之一。但僅僅把太陽輻射到地球上的0.01%的光能轉化成電能,就能讓全世界的人們正常生活使用一天。

爲了捕捉這種巨大的能量,科學家們開發了基于矽的太陽能電池,可以將太陽能轉化爲電能,目前能夠實現的轉化效率大約在22%-23%之間,在實驗室裏的最高紀錄能達到26%。

但矽太陽能電池存在相對的不足,比如生産過程中會産生汙染,材料不易彎折,占地面積較大。並且近年來它的轉化效率明顯遇到了瓶頸。尋找一種新型材料的太陽能電池迫在眉睫。

2009年,日本科學家宮坂力(TsutomuMiyasaka)首次做出了鈣钛礦太陽能電池,當時轉化效率只有3.9%。但短短十年後,它在實驗室裏的轉化率迅速達到25%甚至更高,堪比矽太陽能電池四十年的發展速度。

並且鈣钛礦太陽能電池的制備成本十分低廉,還可以做成柔性材料,貼合不規則表面。

但令人遺憾的是,這種新材料卻遲遲未能取代矽電池實現商業化。

不像單晶矽要求純度十分高,鈣钛礦材料的缺陷容忍度很高,即使稍微有點雜質,也可以得到很高的效率,但恰恰是材料的不純導致它的穩定性變差,比如對空氣和水分十分敏感,甚至光照都會引起它結構的崩塌。所以鈣钛礦電池的使用壽命很短,一開始只能使用幾小時,後來也就延長到幾天。

于是,怎麽提高鈣钛礦電池的穩定性,成爲各國科學家研究的重點。

2016年,王睿进入加州大学洛杉矶分校,师从Yang Yang教授。后者是国际光伏领域的著名专家,一直致力于钙钛矿太阳能电池的研究。

王睿說:“我們要做的,就是找到鈣钛礦材料中的缺陷,然後對症下藥,提高鈣钛礦太陽能電池的轉化率。”


世界三大飲料與王睿的科學新發現

科學研究的獨特魅力,往往在于探索未知的艱難和突然峰回路轉、柳暗花明的巨大喜悅。

王睿未曾料到,他喜愛的咖啡居然有一天會成爲自己研究的突破點。

那是2018年,他一邊喝咖啡一邊和團隊其他成員聊天,這是他們最放松的時刻。

他突發奇想說:“咖啡可以讓人們情緒穩定,那麽能不能讓鈣钛礦的‘情緒’也變得更穩定呢?”

查閱咖啡因結構,他發現這個結構上有兩個官能團,正巧與團隊此前研究發現能控制鈣钛礦結晶、使材料生長更好的官能團一樣。

說幹就幹,他們嘗試將咖啡因添加到鈣钛礦太陽能電池中,發現電池的輸出功率居然真的大大提高了!這一成果很快發表在《焦耳》上。



繼續研究,王睿發現鈣钛礦的體相缺陷已經被很多人研究並改進了,但是表面缺陷還沒有太多人關注,他敏銳地意識到這很有可能是影響電池穩定性提升的關鍵因素。

“如果把鈣钛礦電池的容量比作一個水桶的話,體相缺陷好比桶底,表面缺陷則是桶壁,桶底決定了水桶是否能裝水,但桶壁決定了水桶能裝多少水。因此,表面缺陷對于鈣钛礦電池來說非常重要,它決定了電池的穩定性和效率。”

于是,在咖啡因之後,研究團隊又爲鈣钛礦太陽能電池設計了兩個相似的生物堿:茶堿和可可堿,用以修複表面缺陷。實驗結果表明,茶堿的效果更好,電池創造了連續工作500小時的新記錄。

2019年,這一成果登陸Science雜志。表面缺陷成爲了鈣钛礦電池缺陷修複中的研究重點。

今年2月,王睿和他的夥伴們再次在Science上發表最新研究成果:有機共轭陽離子重構能帶邊緣,提高效率和穩定性。他們發現了鈣钛礦中有機分子的“雙重人格”,爲未來新型鈣钛礦材料的設計提供了新思路。


人生的三個“小目標”,都爲“追光”而來

“心中有光,砥砺前行!”這是王睿在西湖大學官網個人主頁上的留言。

這束光,照亮了他的未來,也照亮了我們生活的未來。

比如利用鈣钛礦太陽能電池的柔性特質,可以在智能汽車上鋪上一層太陽能電池,實現無限循環地充電;比如它雖然怕水怕氧,但是太空裏沒有水和氧氣,這也許會成爲它未來大展拳腳的地方。

加入西湖大學之後,王睿的第一個小目標是:讓鈣钛礦太陽能電池走出實驗室,徹底實現商業應用。



基底制備


“如果將鈣钛礦太陽能電池與其他傳統的太陽能電池相結合,把傳統太陽能電池作爲一個底部,在上面加上一個鈣钛礦電池,做成一個疊層電池,這樣子串聯起來的電池的轉化效率很有可能超過30%,就遠遠超過目前市面上的太陽能電池的轉化效率,實現1+1>2的目標。”

目前全世界的研究團隊都在朝著這個目標進發,每年鈣钛礦太陽能電池相關領域的paper有5000多篇,可見競爭有多麽激烈!

“有競爭是好事,這意味著有更多的智慧和力量集中貢獻在這個領域,可以大大加快鈣钛礦太陽能電池的發展進程。大家在都在爬山,都快要爬到山頂了,希望中國是第一個登頂的國家。”

王睿的第二個小目標是:打造屬于中國的“追光”紀錄。

就像奥运会一样,太阳能电池领域也有自己的记录,关于时长、关于稳定性、关于大小……中国在太阳能电池领域的研究是十分领先的,但是做叠层太阳能电池起步的时间比较晚,目前在Best Efficiency Chart上还没有一个特别出色的世界纪录。

“我在美國的時候,作爲主要團隊成員兩次打破過有機太陽能電池的記錄,當然現在已經被超越了,所以我希望能夠在疊層太陽能電池上創造屬于中國的記錄。”

最後一個小目標是什麽?嚴謹地說,這可能不是一個小目標。

王睿說:“雖然歐洲、中國、美國在完善鈣钛礦太陽能電池功能方面做得非常好,但如果有朝一日這項研究獲得了諾貝爾獎,那我相信,拿到這個獎項的還是那位日本科學家,因爲他是第一個拿這個材料做光伏電池研究的人。”

迄今爲止,王睿認爲自己做的都是從1到99的工作,他希望有朝一日,自己能夠做出一項0到1的成果,那才是他對“成功”的真正定義。