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28岁!西湖大学最年轻博导来了
2021-09-18
西湖大学微信公众号

  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,这是一名来自西湖大学工学院的年轻PI,1993年出生,今年4月离开UCLA加盟西湖,是迄今为止西湖大学引进的最年轻的博士生导师。

  2020年9月22日,在第七十五届联合国大会上,中国提出力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。实现这个目标的关键一步在于充分利用可再生能源,尤其是太阳能。

  王睿的研究方向,就与此紧密相关。

  他给自己设定的小目标之一,就是在西湖大学创造属于中国自己的“追光”纪录。

  01

  解码王睿,从钙钛矿太阳能电池说起

  地球距离太阳1.5亿公里,只接收太阳巨大能量输出的十亿分之一。但仅仅把太阳辐射到地球上的0.01%的光能转化成电能,就能让全世界的人们正常生活使用一天。

  为了捕捉这种巨大的能量,科学家们开发了基于硅的太阳能电池,可以将太阳能转化为电能,目前能够实现的转化效率大约在22%-23%之间,在实验室里的最高纪录能达到26%。

  但硅太阳能电池存在相对的不足,比如生产过程中会产生污染,材料不易弯折,占地面积较大。并且近年来它的转化效率明显遇到了瓶颈。寻找一种新型材料的太阳能电池迫在眉睫。

  2009年,日本科学家宫坂力(TsutomuMiyasaka)首次做出了钙钛矿太阳能电池,当时转化效率只有3.9%。但短短十年后,它在实验室里的转化率迅速达到25%甚至更高,堪比硅太阳能电池四十年的发展速度。

  并且钙钛矿太阳能电池的制备成本十分低廉,还可以做成柔性材料,贴合不规则表面。

  但令人遗憾的是,这种新材料却迟迟未能取代硅电池实现商业化。

  不像单晶硅要求纯度十分高,钙钛矿材料的缺陷容忍度很高,即使稍微有点杂质,也可以得到很高的效率,但恰恰是材料的不纯导致它的稳定性变差,比如对空气和水分十分敏感,甚至光照都会引起它结构的崩塌。所以钙钛矿电池的使用寿命很短,一开始只能使用几小时,后来也就延长到几天。

  于是,怎么提高钙钛矿电池的稳定性,成为各国科学家研究的重点。

  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。

  王睿说:“我们要做的,就是找到钙钛矿材料中的缺陷,然后对症下药,提高钙钛矿太阳能电池的转化率。”

  02

  世界三大饮料与王睿的科学新发现

  科学研究的独特魅力,往往在于探索未知的艰难和突然峰回路转、柳暗花明的巨大喜悦。

  王睿未曾料到,他喜爱的咖啡居然有一天会成为自己研究的突破点。

  那是2018年,他一边喝咖啡一边和团队其他成员聊天,这是他们最放松的时刻。

  他突发奇想说:“咖啡可以让人们情绪稳定,那么能不能让钙钛矿的‘情绪’也变得更稳定呢?”

  查阅咖啡因结构,他发现这个结构上有两个官能团,正巧与团队此前研究发现能控制钙钛矿结晶、使材料生长更好的官能团一样。

  说干就干,他们尝试将咖啡因添加到钙钛矿太阳能电池中,发现电池的输出功率居然真的大大提高了!这一成果很快发表在《焦耳》上。

  继续研究,王睿发现钙钛矿的体相缺陷已经被很多人研究并改进了,但是表面缺陷还没有太多人关注,他敏锐地意识到这很有可能是影响电池稳定性提升的关键因素。

  “如果把钙钛矿电池的容量比作一个水桶的话,体相缺陷好比桶底,表面缺陷则是桶壁,桶底决定了水桶是否能装水,但桶壁决定了水桶能装多少水。因此,表面缺陷对于钙钛矿电池来说非常重要,它决定了电池的稳定性和效率。”

  于是,在咖啡因之后,研究团队又为钙钛矿太阳能电池设计了两个相似的生物碱:茶碱和可可碱,用以修复表面缺陷。实验结果表明,茶碱的效果更好,电池创造了连续工作500小时的新记录。

  2019年,这一成果登陆Science杂志。表面缺陷成为了钙钛矿电池缺陷修复中的研究重点。

  今年2月,王睿和他的伙伴们再次在Science上发表最新研究成果:有机共轭阳离子重构能带边缘,提高效率和稳定性。他们发现了钙钛矿中有机分子的“双重人格”,为未来新型钙钛矿材料的设计提供了新思路。

  03

  人生的三个“小目标”,都为“追光”而来

  “心中有光,砥砺前行!”这是王睿在西湖大学官网个人主页上的留言。

  这束光,照亮了他的未来,也照亮了我们生活的未来。

  比如利用钙钛矿太阳能电池的柔性特质,可以在智能汽车上铺上一层太阳能电池,实现无限循环地充电;比如它虽然怕水怕氧,但是太空里没有水和氧气,这也许会成为它未来大展拳脚的地方。

  加入西湖大学之后,王睿的第一个小目标是:让钙钛矿太阳能电池走出实验室,彻底实现商业应用。

  “如果将钙钛矿太阳能电池与其他传统的太阳能电池相结合,把传统太阳能电池作为一个底部,在上面加上一个钙钛矿电池,做成一个叠层电池,这样子串联起来的电池的转化效率很有可能超过30%,就远远超过目前市面上的太阳能电池的转化效率,实现1+1>2的目标。”

  目前全世界的研究团队都在朝着这个目标进发,每年钙钛矿太阳能电池相关领域的paper有5000多篇,可见竞争有多么激烈!

  “有竞争是好事,这意味着有更多的智慧和力量集中贡献在这个领域,可以大大加快钙钛矿太阳能电池的发展进程。大家在都在爬山,都快要爬到山顶了,希望中国是第一个登顶的国家。”

  王睿的第二个小目标是:打造属于中国的“追光”纪录。

  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。

  “我在美国的时候,作为主要团队成员两次打破过有机太阳能电池的记录,当然现在已经被超越了,所以我希望能够在叠层太阳能电池上创造属于中国的记录。”

  最后一个小目标是什么?严谨地说,这可能不是一个小目标。

  王睿说:“虽然欧洲、中国、美国在完善钙钛矿太阳能电池功能方面做得非常好,但如果有朝一日这项研究获得了诺贝尔奖,那我相信,拿到这个奖项的还是那位日本科学家,因为他是第一个拿这个材料做光伏电池研究的人。”

  迄今为止,王睿认为自己做的都是从1到99的工作,他希望有朝一日,自己能够做出一项0到1的成果,那才是他对“成功”的真正定义。

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