西北工業大學黃維院士團隊創新性研究成果登上《科學》

2021年3月26日,Science(《科學》)在線發表了西北工業大學黃維院士團隊的研究成果Stabilizing black-phase formamidinium perovskite formation at room temperature and high humidity。此項研究獨創性地提出以一種多功能的「離子液體」作為溶劑來替代傳統的有毒的有機溶劑制備鈣鈦礦光伏材料,用這一方法制備的材料具有穩定性高、制備工藝簡單等優勢。

相關研究成果解決了傳統鈣鈦礦光伏材料制備過程中的世界性難題,實現了光伏領域的重大突破。

西北工業大學黃維院士團隊創新性研究成果登上《科學》

南京工業大學碩士研究生惠煒、西北工業大學博士研究生晁凌鋒及南京工業大學碩士研究生蘆薈為本文共同第一作者。

在「羊群」中放入「牧羊犬」,解決鈣鈦礦光伏材料制備痛點

「基礎科研就是要做別人沒有做過的東西,要產生引領性成果,讓全世界跟着我們去做。」黃維院士經常這樣對團隊說:「原始創新是從『0到1』的突破,常常意味着漫長而艱難的探索,但卻可能產生顛覆性的變革,帶來顛覆性的技術和產品。」

通過離子液體制備鈣鈦礦光伏材料這一重大進展,便是這樣從0到1的突破。

西北工業大學黃維院士團隊創新性研究成果登上《科學》

離子液體及其制備的鈣鈦礦太陽能電池

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團隊研發的可折疊柔性電子產品

能源低碳發展關乎人類未來。當今世界,解決不斷增長的能源需求與可持續發展之間的矛盾,是所有國家的共同目標。「碳中和、碳達峰」更是成為我國「十四五」污染防治攻堅戰的主攻目標。

目前,全球以「光伏」為代表的可再生能源產業鏈駛入發展快車道。其中,鈣鈦礦光伏功不可沒,它相比傳統太陽能電池板中使用的硅晶體,不僅更便宜、更輕薄、可變型,同時成本也更低廉、更環保,在應用范圍上將產生顛覆性變革。因此,鈣鈦礦光伏材料的研究已經成為各國科學家追逐的「熱點」。

「未來,沙漠腹地、樓宇外牆、手機等都不再需要傳統電池,只需要一塊更低廉、更清潔,薄如紙張的鈣鈦礦太陽能電池就能夠滿足所需。同時,還可以應用在柔性可穿戴、航天器搭載等重要領域。」 團隊「大師兄」晁凌鋒對鈣鈦礦光伏材料應用前景充滿信心。

但鈣鈦礦光伏材料的研究卻始終存在許多「痛點」。例如,以甲脒基鈣鈦礦為代表的鈣鈦礦光伏材料非常「敏感」,在空氣中極易發生相轉變,極大地制約了其量產。

黃維院士團隊致力於鈣鈦礦光伏材料研究,通過原始創新解決材料不穩定、光電轉化率不高、工藝制備復雜且污染性較高等卡脖子難題。在多年的探索中,團隊將研究的焦點集中在鈣鈦礦光伏材料的制備工藝上。

要解決制備工藝的問題,首先要尋找到一種環境友好、物理化學性質穩定、可調和的溶劑。離子液體溶劑便是這樣一種「四兩撥千斤」般的存在。

「從一開始,我們就跳出了鈣鈦礦光伏材料制備的傳統思路。」南京工業大學陳永華教授說。將離子液體溶劑引入制備過程後,鈣鈦礦光伏材料的制備過程變得非常簡單,且整個過程完全可以在室溫、空氣中和高濕度的環境下進行,更令人驚喜的是,通過這一工藝制備的鈣鈦礦材料穩定性和光電轉化率都大大增加,「可謂是一石三鳥」。

「離子液體就像是草原上的『牧羊犬』,在『羊群』也就是鈣鈦礦的分子成分中起到了發號施令、排兵布陣的作用,它穩定隊形後便無聲退出了。這個新隊形就是我們想要得到的鈣鈦礦電池的穩定性。」團隊「大師兄」晁凌鋒形象地解釋道。

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經過離子液體制備的FAPbI3材料,其內部結構變得整齊有規律(右),大大提高了材料的穩定性和光電轉化效率。

這項研究成果實現了功能導向、擇優設計、綠色無毒、穩定高效的離子液體鈣鈦礦光伏制備技術。為鈣鈦礦太陽能電池的大規模生產利用創造了前提條件,開創了太陽能光伏材料的新紀元。

堅持原始創新,在神秘的科學叢林中開辟新道路

近年來,盡管從事鈣鈦礦電池研究的國際團隊越來越多,黃維院士團隊卻始終處於國際引領位置,創新成果不斷。

為什麼是他們?

堅持原始創新,甘坐冷板凳。全球相關領域內的科研工作者還在將主要精力放在第二代太陽能電池之時,黃維院士團隊就開始了對第三代太陽能電池的研究。

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科研人員在實驗室制備鈣鈦礦光伏材料

放眼世界,從發現離子液體可作為鈣鈦礦添加劑,到揭開離子液體神秘面紗,再到構築離子快速反應通道,只有黃維院士團隊持續多年深耕這一領域,在巨大的壓力和困難下,團隊開道超車,實現了從0到1的突破。

「很難!感覺就像在一片神秘的叢林中開辟道路,不知道怎麼走,會走向何方。」晁凌鋒說。

在解決這一世界性難題過程中,2015年,團隊就有了初步的想法。隨後,大家激烈地碰撞思想火花,但具體怎麼干,沒人知道。晁凌鋒從零開始,一點點地摸索、嘗試,「不斷試錯,堅持不下去的時候,也想過放棄課題。」在關鍵時刻,兩位老師的指引和團隊成員的協作,給了他堅持下去的勇氣。

「我們做科研就是要做別人沒有做過的、別人認為不可能實現的,這樣的課題才有意義。」在老師的鼓勵下,晁凌鋒、惠煒、蘆薈三位同學重新燃起了征服高峰的決心。

「2017年,我們另闢蹊徑,發現了一種綠色的質子型離子液體來代替傳統的有機溶劑,也就是找到了讓『羊群』列隊的『牧羊犬』。」晁凌鋒認為,這絕不是一時的運氣,而是團隊日復一日的堅持和不斷創新的結果。為了測試離子液體如何影響鈣鈦礦晶體結構轉變的內部機制,他和師弟常常去往北京高能物理所和上海同步輻射光源通宵達旦做實驗,「正是因為當時扎扎實實的做基礎研究,才能讓我們後面的研究走得更遠、更穩。」

西北工業大學黃維院士團隊創新性研究成果登上《科學》

2019年,團隊成功地在空氣中制備了較為穩定的鈣鈦礦薄膜,隨後,他們在高濕度條件下得到了穩定的甲脒基鈣鈦礦結構,並在國際頂級期刊Chem上發布研究成果,為大家注入了強心劑。

時隔一年,團隊便構建出高效穩定的層狀鈣鈦礦太陽能電池,光電轉化效率再創新高,不久,他們又在濕度空氣中制備出了全無機鈣鈦礦太陽能電池,打破了學界對「全無機鈣鈦礦在空氣中高濕度下不穩定」的傳統觀念。

2021年,這一研究成果更加成熟,離大規模生產應用更進一步。

科研的道路盡管充滿了未知和挑戰,卻也將探索的樂趣和成功的喜悅贈予了堅持不懈、孜孜以求的科學家。

「在這個團隊,大家都喜歡做敢為人先的事,也鼓勵試錯。老師給我們提供了廣闊的空間和有力的支持。」惠煒說,「盡管科研的過程很艱辛,但是能和大家一起做一件有意義的事,這種成就感和獲得感是無價的。」

西北工業大學黃維院士團隊創新性研究成果登上《科學》

胸懷祖國、服務人民,堅定走中國特色自主創新之路

原始創新之路從不平坦。

是什麼力量為團隊注入了源源不斷的動能?

「科研工作者必須胸懷祖國,科學研究必須服務人民。」這是每一位進入黃維院士團隊的師生都要上的「第一課」。

西北工業大學黃維院士團隊創新性研究成果登上《科學》

黃維院士認為,走入科研的「無人區」,考驗着科研工作者的能力水平,也體現着科學報國的初心與情懷。「我們所做的,正是堅定不移走中國特色自主創新的道路。一要超前謀劃,獨辟蹊徑,開辟一個領域;二要牽住『牛鼻子』,對偶然現象多加思考,攻剋薄弱環節;三要『非對稱』趕超,在卡脖子的地方下大功夫。」

當前,新一輪科技革命和產業革命催生出一批重大顛覆性技術,業內普遍認為這些新產業、新生態、新領域正在重構全球創新版圖、重塑全球經濟結構。面對最有可能孕育顛覆性科技創新的八大科技前沿領域,黃維院士團隊始終敢為天下先,敢於在原始創新的「無人區」中「尋寶」。

2021年初,中國科學院與科睿唯安聯合發布《2020研究前沿》報告,對於西北工業大學柔性電子學科建設的成績予以充分肯定,並對這支團隊予以高度評價——團隊在柔性電子領域取得的一系列引領性和前瞻性的研究成果。黃維院士帶領的柔性電子研究團隊正在成為我國柔性電子領域開道超車、產出顛覆性科技創新成果的重要支撐力量。

來源:cnBeta