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來源丨西湖大學(xué)

9月16日，福布斯中國(guó)發(fā)布2021年度30 Under 30榜單，在科學(xué)和醫(yī)療健康30人名單里，出現(xiàn)一個(gè)叫王睿的名字：28歲，西湖大學(xué)，特聘研究員/博導(dǎo)。

是的，這是一名來自西湖大學(xué)工學(xué)院的年輕PI，1993年出生，今年4月離開UCLA加盟西湖，是迄今為止西湖大學(xué)引進(jìn)的最年輕的博士生導(dǎo)師。

2020年9月22日，在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上，中國(guó)提出力爭(zhēng)在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的關(guān)鍵一步在于充分利用可再生能源，尤其是太陽(yáng)能。

王睿的研究方向，就與此緊密相關(guān)。

他給自己設(shè)定的小目標(biāo)之一，就是在西湖大學(xué)創(chuàng)造屬于中國(guó)自己的“追光”紀(jì)錄。

西湖大學(xué)最年輕博導(dǎo)！93年出生的他，想創(chuàng)造屬于中國(guó)的“追光”紀(jì)錄

解碼王睿，從鈣鈦礦太陽(yáng)能電池說起

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

為了捕捉這種巨大的能量，科學(xué)家們開發(fā)了基于硅的太陽(yáng)能電池，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，目前能夠?qū)崿F(xiàn)的轉(zhuǎn)化效率大約在22%-23%之間，在實(shí)驗(yàn)室里的最高紀(jì)錄能達(dá)到26%。

但硅太陽(yáng)能電池存在相對(duì)的不足，比如生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生污染，材料不易彎折，占地面積較大。并且近年來它的轉(zhuǎn)化效率明顯遇到了瓶頸。尋找一種新型材料的太陽(yáng)能電池迫在眉睫。

2009年，日本科學(xué)家宮坂力（TsutomuMiyasaka）首次做出了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)化效率只有3.9%。但短短十年后，它在實(shí)驗(yàn)室里的轉(zhuǎn)化率迅速達(dá)到25%甚至更高，堪比硅太陽(yáng)能電池四十年的發(fā)展速度。

并且鈣鈦礦太陽(yáng)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(guī)則表面。

但令人遺憾的是，這種新材料卻遲遲未能取代硅電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

不像單晶硅要求純度十分高，鈣鈦礦材料的缺陷容忍度很高，即使稍微有點(diǎn)雜質(zhì)，也可以得到很高的效率，但恰恰是材料的不純導(dǎo)致它的穩(wěn)定性變差，比如對(duì)空氣和水分十分敏感，甚至光照都會(huì)引起它結(jié)構(gòu)的崩塌。所以鈣鈦礦電池的使用壽命很短，一開始只能使用幾小時(shí)，后來也就延長(zhǎng)到幾天。

于是，怎么提高鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性，成為各國(guó)科學(xué)家研究的重點(diǎn)。

2016年，王睿進(jìn)入加州大學(xué)洛杉磯分校，師從Yang Yang教授。后者是國(guó)際光伏領(lǐng)域的著名專家，一直致力于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的研究。

王睿說：“我們要做的，就是找到鈣鈦礦材料中的缺陷，然后對(duì)癥下藥，提高鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化率。”

世界三大飲料與王睿的科學(xué)新發(fā)現(xiàn)

科學(xué)研究的獨(dú)特魅力，往往在于探索未知的艱難和突然峰回路轉(zhuǎn)、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(huì)成為自己研究的突破點(diǎn)。

那是2018年，他一邊喝咖啡一邊和團(tuán)隊(duì)其他成員聊天，這是他們最放松的時(shí)刻。

他突發(fā)奇想說：“咖啡可以讓人們情緒穩(wěn)定，那么能不能讓鈣鈦礦的‘情緒’也變得更穩(wěn)定呢？”

查閱咖啡因結(jié)構(gòu)，他發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)官能團(tuán)，正巧與團(tuán)隊(duì)此前研究發(fā)現(xiàn)能控制鈣鈦礦結(jié)晶、使材料生長(zhǎng)更好的官能團(tuán)一樣。

說干就干，他們嘗試將咖啡因添加到鈣鈦礦太陽(yáng)能電池中，發(fā)現(xiàn)電池的輸出功率居然真的大大提高了！這一成果很快發(fā)表在《焦耳》上。

繼續(xù)研究，王睿發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦的體相缺陷已經(jīng)被很多人研究并改進(jìn)了，但是表面缺陷還沒有太多人關(guān)注，他敏銳地意識(shí)到這很有可能是影響電池穩(wěn)定性提升的關(guān)鍵因素。

“如果把鈣鈦礦電池的容量比作一個(gè)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(duì)于鈣鈦礦電池來說非常重要，它決定了電池的穩(wěn)定性和效率。”

于是，在咖啡因之后，研究團(tuán)隊(duì)又為鈣鈦礦太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)了兩個(gè)相似的生物堿：茶堿和可可堿，用以修復(fù)表面缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，茶堿的效果更好，電池創(chuàng)造了連續(xù)工作500小時(shí)的新記錄。

2019年，這一成果登陸Science雜志。表面缺陷成為了鈣鈦礦電池缺陷修復(fù)中的研究重點(diǎn)。

今年2月，王睿和他的伙伴們?cè)俅卧赟cience上發(fā)表最新研究成果：有機(jī)共軛陽(yáng)離子重構(gòu)能帶邊緣，提高效率和穩(wěn)定性。他們發(fā)現(xiàn)了鈣鈦礦中有機(jī)分子的“雙重人格”，為未來新型鈣鈦礦材料的設(shè)計(jì)提供了新思路。

人生的三個(gè)“小目標(biāo)”,都為“追光”而來

“心中有光，砥礪前行！”這是王睿在西湖大學(xué)官網(wǎng)個(gè)人主頁(yè)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。

比如利用鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的柔性特質(zhì)，可以在智能汽車上鋪上一層太陽(yáng)能電池，實(shí)現(xiàn)無(wú)限循環(huán)地充電；比如它雖然怕水怕氧，但是太空里沒有水和氧氣，這也許會(huì)成為它未來大展拳腳的地方。

加入西湖大學(xué)之后，王睿的第一個(gè)小目標(biāo)是：讓鈣鈦礦太陽(yáng)能電池走出實(shí)驗(yàn)室，徹底實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

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基底制備

“如果將鈣鈦礦太陽(yáng)能電池與其他傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池相結(jié)合，把傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池作為一個(gè)底部，在上面加上一個(gè)鈣鈦礦電池，做成一個(gè)疊層電池，這樣子串聯(lián)起來的電池的轉(zhuǎn)化效率很有可能超過30%，就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前市面上的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)1+1＞2的目標(biāo)?！?/span>

目前全世界的研究團(tuán)隊(duì)都在朝著這個(gè)目標(biāo)進(jìn)發(fā)，每年鈣鈦礦太陽(yáng)能電池相關(guān)領(lǐng)域的paper有5000多篇，可見競(jìng)爭(zhēng)有多么激烈！

“有競(jìng)爭(zhēng)是好事，這意味著有更多的智慧和力量集中貢獻(xiàn)在這個(gè)領(lǐng)域，可以大大加快鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的發(fā)展進(jìn)程。大家在都在爬山，都快要爬到山頂了，希望中國(guó)是第一個(gè)登頂?shù)膰?guó)家?！?/span>

王睿的第二個(gè)小目標(biāo)是：打造屬于中國(guó)的“追光”紀(jì)錄。

就像奧運(yùn)會(huì)一樣，太陽(yáng)能電池領(lǐng)域也有自己的記錄，關(guān)于時(shí)長(zhǎng)、關(guān)于穩(wěn)定性、關(guān)于大小……中國(guó)在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的研究是十分領(lǐng)先的，但是做疊層太陽(yáng)能電池起步的時(shí)間比較晚，目前在Best Efficiency Chart上還沒有一個(gè)特別出色的世界紀(jì)錄。

“我在美國(guó)的時(shí)候，作為主要團(tuán)隊(duì)成員兩次打破過有機(jī)太陽(yáng)能電池的記錄，當(dāng)然現(xiàn)在已經(jīng)被超越了，所以我希望能夠在疊層太陽(yáng)能電池上創(chuàng)造屬于中國(guó)的記錄。”

最后一個(gè)小目標(biāo)是什么？嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f，這可能不是一個(gè)小目標(biāo)。

王睿說：“雖然歐洲、中國(guó)、美國(guó)在完善鈣鈦礦太陽(yáng)能電池功能方面做得非常好，但如果有朝一日這項(xiàng)研究獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，那我相信，拿到這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)的還是那位日本科學(xué)家，因?yàn)樗堑谝粋€(gè)拿這個(gè)材料做光伏電池研究的人?！?/span>

迄今為止，王睿認(rèn)為自己做的都是從1到99的工作，他希望有朝一日，自己能夠做出一項(xiàng)0到1的成果，那才是他對(duì)“成功”的真正定義。

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