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西北工业大学科研团队创新性研究成果登上《科学》
2021-03-31 14:03:00
西北工业大学
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  2021年3月26日,Science(《科学》)在线发表了西北工业大学黄维院士团队的研究成果Stabilizing black-phase formamidinium perovskite formation at room temperature and high humidity。此项研究独创性地提出以一种多功能的“离子液体”作为溶剂来替代传统的有毒的有机溶剂制备钙钛矿光伏材料,用这一方法制备的材料具有稳定性高、制备工艺简单等优势。相关研究成果解决了传统钙钛矿光伏材料制备过程中的世界性难题,实现了光伏领域的重大突破。

  南京工业大学硕士研究生惠炜、西北工业大学博士研究生晁凌锋及南京工业大学硕士研究生芦荟为本文共同第一作者。

在“羊群”中放入“牧羊犬”,解决钙钛矿光伏材料制备痛点

  “基础科研就是要做别人没有做过的东西,要产生引领性成果,让全世界跟着我们去做。”黄维院士经常这样对团队说:“原始创新是从‘0到1’的突破,常常意味着漫长而艰难的探索,但却可能产生颠覆性的变革,带来颠覆性的技术和产品。”

  通过离子液体制备钙钛矿光伏材料这一重大进展,便是这样从0到1的突破。

离子液体及其制备的钙钛矿太阳能电池

团队研发的可折叠柔性电子产品

  能源低碳发展关乎人类未来。当今世界,解决不断增长的能源需求与可持续发展之间的矛盾,是所有国家的共同目标。“碳中和、碳达峰”更是成为我国“十四五”污染防治攻坚战的主攻目标。

  目前,全球以“光伏”为代表的可再生能源产业链驶入发展快车道。其中,钙钛矿光伏功不可没,它相比传统太阳能电池板中使用的硅晶体,不仅更便宜、更轻薄、可变型,同时成本也更低廉、更环保,在应用范围上将产生颠覆性变革。因此,钙钛矿光伏材料的研究已经成为各国科学家追逐的“热点”。

  “未来,沙漠腹地、楼宇外墙、手机等都不再需要传统电池,只需要一块更低廉、更清洁,薄如纸张的钙钛矿太阳能电池就能够满足所需。同时,还可以应用在柔性可穿戴、航天器搭载等重要领域。” 团队“大师兄”晁凌锋对钙钛矿光伏材料应用前景充满信心。

  但钙钛矿光伏材料的研究却始终存在许多“痛点”。例如,以甲脒基钙钛矿为代表的钙钛矿光伏材料非常“敏感”,在空气中极易发生相转变,极大地制约了其量产。

  黄维院士团队致力于钙钛矿光伏材料研究,通过原始创新解决材料不稳定、光电转化率不高、工艺制备复杂且污染性较高等卡脖子难题。在多年的探索中,团队将研究的焦点集中在钙钛矿光伏材料的制备工艺上。

  要解决制备工艺的问题,首先要寻找到一种环境友好、物理化学性质稳定、可调和的溶剂。离子液体溶剂便是这样一种“四两拨千斤”般的存在。

  “从一开始,我们就跳出了钙钛矿光伏材料制备的传统思路。”南京工业大学陈永华教授说。将离子液体溶剂引入制备过程后,钙钛矿光伏材料的制备过程变得非常简单,且整个过程完全可以在室温、空气中和高湿度的环境下进行,更令人惊喜的是,通过这一工艺制备的钙钛矿材料稳定性和光电转化率都大大增加,“可谓是一石三鸟”。

  “离子液体就像是草原上的‘牧羊犬’,在‘羊群’也就是钙钛矿的分子成分中起到了发号施令、排兵布阵的作用,它稳定队形后便无声退出了。这个新队形就是我们想要得到的钙钛矿电池的稳定性。”团队“大师兄”晁凌锋形象地解释道。

经过离子液体制备的FAPbI3材料,其内部结构变得整齐有规律(右),大大提高了材料的稳定性和光电转化效率。

  这项研究成果实现了功能导向、择优设计、绿色无毒、稳定高效的离子液体钙钛矿光伏制备技术。为钙钛矿太阳能电池的大规模生产利用创造了前提条件,开创了太阳能光伏材料的新纪元。

坚持原始创新,在神秘的科学丛林中开辟新道路

  近年来,尽管从事钙钛矿电池研究的国际团队越来越多,黄维院士团队却始终处于国际引领位置,创新成果不断。

  为什么是他们?

  坚持原始创新,甘坐冷板凳。全球相关领域内的科研工作者还在将主要精力放在第二代太阳能电池之时,黄维院士团队就开始了对第三代太阳能电池的研究。

科研人员在实验室制备钙钛矿光伏材料

  放眼世界,从发现离子液体可作为钙钛矿添加剂,到揭开离子液体神秘面纱,再到构筑离子快速反应通道,只有黄维院士团队持续多年深耕这一领域,在巨大的压力和困难下,团队开道超车,实现了从0到1的突破。

  “很难!感觉就像在一片神秘的丛林中开辟道路,不知道怎么走,会走向何方。”晁凌锋说。

  在解决这一世界性难题过程中,2015年,团队就有了初步的想法。随后,大家激烈地碰撞思想火花,但具体怎么干,没人知道。晁凌锋从零开始,一点点地摸索、尝试,“不断试错,坚持不下去的时候,也想过放弃课题。”在关键时刻,两位老师的指引和团队成员的协作,给了他坚持下去的勇气。

  “我们做科研就是要做别人没有做过的、别人认为不可能实现的,这样的课题才有意义。”在老师的鼓励下,晁凌锋、惠炜、芦荟三位同学重新燃起了征服高峰的决心。

  “2017年,我们另辟蹊径,发现了一种绿色的质子型离子液体来代替传统的有机溶剂,也就是找到了让‘羊群’列队的‘牧羊犬’。”晁凌锋认为,这绝不是一时的运气,而是团队日复一日的坚持和不断创新的结果。为了测试离子液体如何影响钙钛矿晶体结构转变的内部机制,他和师弟常常去往北京高能物理所和上海同步辐射光源通宵达旦做实验,“正是因为当时扎扎实实的做基础研究,才能让我们后面的研究走得更远、更稳。”

  2019年,团队成功地在空气中制备了较为稳定的钙钛矿薄膜,随后,他们在高湿度条件下得到了稳定的甲脒基钙钛矿结构,并在国际顶级期刊Chem上发布研究成果,为大家注入了强心剂。

  时隔一年,团队便构建出高效稳定的层状钙钛矿太阳能电池,光电转化效率再创新高,不久,他们又在湿度空气中制备出了全无机钙钛矿太阳能电池,打破了学界对“全无机钙钛矿在空气中高湿度下不稳定”的传统观念。

  2021年,这一研究成果更加成熟,离大规模生产应用更进一步。

  科研的道路尽管充满了未知和挑战,却也将探索的乐趣和成功的喜悦赠予了坚持不懈、孜孜以求的科学家。

  “在这个团队,大家都喜欢做敢为人先的事,也鼓励试错。老师给我们提供了广阔的空间和有力的支持。”惠炜说,“尽管科研的过程很艰辛,但是能和大家一起做一件有意义的事,这种成就感和获得感是无价的。”

胸怀祖国、服务人民,坚定走中国特色自主创新之路

  原始创新之路从不平坦。

  是什么力量为团队注入了源源不断的动能?

  “科研工作者必须胸怀祖国,科学研究必须服务人民。”这是每一位进入黄维院士团队的师生都要上的“第一课”。

  黄维院士认为,走入科研的“无人区”,考验着科研工作者的能力水平,也体现着科学报国的初心与情怀。“我们所做的,正是坚定不移走中国特色自主创新的道路。一要超前谋划,独辟蹊径,开辟一个领域;二要牵住‘牛鼻子’,对偶然现象多加思考,攻克薄弱环节;三要‘非对称’赶超,在卡脖子的地方下大功夫。”

  当前,新一轮科技革命和产业革命催生出一批重大颠覆性技术,业内普遍认为这些新产业、新生态、新领域正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。面对最有可能孕育颠覆性科技创新的八大科技前沿领域,黄维院士团队始终敢为天下先,敢于在原始创新的“无人区”中“寻宝”。

  2021年初,中国科学院与科睿唯安联合发布《2020研究前沿》报告,对于西北工业大学柔性电子学科建设的成绩予以充分肯定,并对这支团队予以高度评价——团队在柔性电子领域取得的一系列引领性和前瞻性的研究成果。黄维院士带领的柔性电子研究团队正在成为我国柔性电子领域开道超车、产出颠覆性科技创新成果的重要支撑力量。

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