創(chuàng)新科技助力生態(tài)環(huán)境綠色發(fā)展 能源轉(zhuǎn)型擁抱地球共享美好家園

 ——記南京航空航天大學(xué)教授 趙曉明

中國(guó)能耗強(qiáng)度下降,反映了內(nèi)部能源綠色低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程。作為全球生態(tài)文明建設(shè)的參與者、貢獻(xiàn)者、引領(lǐng)者,中國(guó)向‘新’向‘綠’轉(zhuǎn)型,不僅有利于自身高質(zhì)量發(fā)展,也為全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展作出積極貢獻(xiàn)。美國(guó)媒體《太陽(yáng)能電池》近期報(bào)道稱,中國(guó)綠色能源產(chǎn)業(yè)以創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)和過硬品質(zhì)為全球能源轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)智慧和力量。中國(guó)以開放的姿態(tài)廣泛開展國(guó)際合作,為各國(guó)帶來(lái)綠色發(fā)展的機(jī)遇。中國(guó)綠色低碳轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行,制定了一系列減緩氣候變化的目標(biāo)和計(jì)劃,重點(diǎn)控制化石能源消費(fèi),實(shí)現(xiàn)降碳減排。中國(guó)是非化石能源、清潔交通、綠色金融等方面的全球領(lǐng)先者,中國(guó)展現(xiàn)了脫碳魄力,也是“世界最大的希望”。

太陽(yáng)能作為天然、綠色、無(wú)污染、可持續(xù)循環(huán)利用開發(fā)的新型能源備受各國(guó)青睞,來(lái)自全球的科研機(jī)構(gòu)、科研工作者通過各種途徑積極探索攻關(guān)研發(fā)收集和儲(chǔ)存方法。太陽(yáng)能電池經(jīng)歷第一代晶硅電池、第二代無(wú)機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的技術(shù)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(xué)國(guó)際前沿科學(xué)研究院趙曉明教授以第一作者身份,在著名國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Science》上發(fā)表《Operationally stable perovskite solar modules enabled by vapor-phase fluoride treatment》為標(biāo)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(tuán)隊(duì)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(yáng)能電池,為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池走向應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

科研報(bào)國(guó) 助推新能源高質(zhì)量發(fā)展

2023年初,趙曉明應(yīng)邀回國(guó)加入南京航空航天大學(xué)國(guó)際前沿科學(xué)研究院,擔(dān)任長(zhǎng)聘教授和博士生導(dǎo)師。專注研究鈣鈦礦太陽(yáng)能電池,發(fā)揮他在太陽(yáng)電池研究領(lǐng)域的長(zhǎng)期積累,迅速在學(xué)術(shù)界嶄露頭角。

太陽(yáng)能電池可將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能,被認(rèn)為是未來(lái)新能源領(lǐng)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(jiǎn)單的制備工藝、原材料來(lái)源廣泛且儲(chǔ)量豐富,近幾年成為光伏電池領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象。鈣鈦礦太陽(yáng)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(lǐng)域,突破了現(xiàn)有硅基太陽(yáng)能電池的應(yīng)用局限。

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

研究中團(tuán)隊(duì)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(yáng)能電池時(shí)存在由反應(yīng)速率不均帶來(lái)的鈍化效果不佳的局限。因此,團(tuán)隊(duì)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(jìn)行大面積均勻鈍化反應(yīng)。與傳統(tǒng)處理方法相比,氟蒸汽處理實(shí)現(xiàn)了明顯更均勻的表面鈍化效果,使得整個(gè)薄膜能夠大面積均勻展現(xiàn)出長(zhǎng)的光致發(fā)光壽命,同時(shí)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(nèi)實(shí)現(xiàn)了效率的一致提升和模組壽命的大幅延長(zhǎng)。這一處理方法的出現(xiàn)將大大推動(dòng)能源綠色發(fā)展的進(jìn)程。

奮斗炫彩青春 譜寫教研新篇

天津大學(xué)化工學(xué)院的本科學(xué)習(xí)是趙曉明科研的起點(diǎn),不僅系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),更在各種實(shí)驗(yàn)中鍛煉了實(shí)踐能力。攻讀碩士學(xué)位期間被導(dǎo)師王世榮教授嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度和對(duì)科研的熱愛深深感染,不斷探討鉆研化工領(lǐng)域的前沿科技,同時(shí),意識(shí)到作為一名科研人員不僅要有扎實(shí)的知識(shí)儲(chǔ)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(xué)習(xí)旅程中,猶如一盞明燈,時(shí)刻激勵(lì)他以極致的標(biāo)準(zhǔn)自我要求,不斷追求卓越。

科研生涯中的另一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)是遠(yuǎn)赴英國(guó)倫敦瑪麗女王大學(xué)攻讀博士學(xué)位,在John Dennis教授的指導(dǎo)下,開始了對(duì)光電材料與器件的研究。趙曉明的博士論文聚焦于有機(jī)光電半導(dǎo)體材料的電荷傳輸研究,這項(xiàng)研究為日后的學(xué)術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在趙曉明的博士生涯中,Dennis教授的“放羊式”指導(dǎo)方法極大地培養(yǎng)了趙曉明的獨(dú)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(dú)立解決問題的能力,這種能力的提升對(duì)他的科研生涯至關(guān)重要。

后在普林斯頓大學(xué)進(jìn)行博士后研究,并與Yueh-Lin Loo教授合作,深入探索鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性問題,并參與了多個(gè)重要的科研項(xiàng)目,接觸到了國(guó)際前沿的科研動(dòng)態(tài),并協(xié)作Loo教授指導(dǎo)了多名博士生,,提高了項(xiàng)目管理能力和團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作協(xié)調(diào)能力。科研成果在多家媒體報(bào)道,提升了個(gè)人在學(xué)術(shù)界的知名度。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池這一領(lǐng)域被廣泛認(rèn)為具有巨大的應(yīng)用潛力,趙曉明深知教研對(duì)于學(xué)生成長(zhǎng)的重要性,在他的引導(dǎo)下,許多學(xué)生在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)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(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì),為激發(fā)和培育后續(xù)人才提供了動(dòng)力和機(jī)遇。幫助開啟科研之路,是職責(zé)和榮幸,良師不僅是傳道授業(yè),更是撥開迷霧,學(xué)子奮進(jìn)的引路人。

我們國(guó)家正處在蓬勃發(fā)展的階段,青年時(shí)期正是人生最應(yīng)該奮斗的時(shí)期,奮斗和拼搏正是我們未來(lái)一代的使命。每個(gè)人都應(yīng)該用自己的實(shí)際行動(dòng)書寫屬于自己的經(jīng)歷,趙曉明教授表示,我將不懈探索,致力于將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化,為早日實(shí)現(xiàn)我國(guó)的‘雙碳’生態(tài)目標(biāo)、為全球綠色發(fā)展貢獻(xiàn)力量,以產(chǎn)教學(xué)研培養(yǎng)、輸送更多的專業(yè)高端人才,永遠(yuǎn)行進(jìn)在不斷奮斗的征程里。