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【理工力量 】黄福志: 把太阳能“印刷”成电能的攀登者

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“习(xi)近平总书记在(zai)联合国大会上宣布中(zhong)国将力争在(zai)2030年前实现(xian)碳达(da)峰、2060年(nian)前实(shi)现(xian)碳中和(he)(he)。在这个背景(jing)下(xia),作为廉价清洁(jie)能(neng)源领域的(de)翘(qiao)楚,钙钛矿光伏技(ji)术的(de)研究意义更加凸(tu)显。如果能(neng)走出实(shi)验室、走上生产线,我们(men)的(de)用电成本将大大降(jiang)低,有利(li)于我们(men)实(shi)现(xian)‘碳中和(he)(he)’的(de)目(mu)标,同时也保障了(le)我国的(de)能(neng)源安全。”近日(ri),国际著名(ming)学术期刊(kan)《Science》发表欧宝体育材(cai)料复合(he)新技术国(guo)家重点实验室太阳能电池研(yan)究成果黄福志(zhi)老师作(zuo)为该(gai)篇(pian)论(lun)文的唯一通讯(xun)作(zuo)者(zhe)(zhe)接受(shou)了记者(zhe)(zhe)的采(cai)访(fang),讲(jiang)述《Science》文章背后的(de)故事。

《Science》刊发(fa)欧宝(bao)体育大面积钙(gai)钛矿光伏技术突破性研(yan)究成果

黄(huang)福志,20155月加入欧宝体育材料(liao)复(fu)合(he)新技术国家重点实验室工作,发表(biao)高水平(ping)论文140多篇,入选RSC英国皇家化学学会能源与可持续大类期刊2019年(nian)全球(qiu)Top 1%高被(bei)引(yin)作者(zhe),目前主要研究方向包括钙(gai)钛矿太阳能电池(chi)产业化(hua)、光(guang)伏制氢以及柔(rou)性电子等。

“把科研论(lun)文写在祖国大地上才是(shi)最有(you)意义的(de)”

黄福志于(yu)1995年(nian)考(kao)入北(bei)京(jing)大(da)(da)学(xue)(xue)(xue)化学(xue)(xue)(xue)与分子工(gong)程学(xue)(xue)(xue)院(yuan)攻读学(xue)(xue)(xue)士、硕士,毕业后他赴澳大(da)(da)利亚墨尔本大(da)(da)学(xue)(xue)(xue)攻读博士,在莫(mo)纳什大(da)(da)学(xue)(xue)(xue)从事博士后研究。2004年秋,当走进澳大利亚莫纳什大学程教授办(ban)公(gong)室的时(shi)候,他没(mei)想到此生(sheng)会与太阳(yang)能电(dian)池(chi)结下不解(jie)之缘。

“染(ran)料(liao)敏化(hua)太阳能(neng)(neng)电(dian)池(chi)利用(yong)二氧(yang)化(hua)钛纳米颗粒作(zuo)为(wei)光阳极,可以通过卷(juan)对卷(juan)印刷制备,成本低廉,有(you)望走(zou)进千家万户。”随(sui)着程教授的(de)介(jie)绍(shao),黄福(fu)志也深(shen)(shen)深(shen)(shen)被(bei)染(ran)料(liao)敏化(hua)太阳能(neng)(neng)电(dian)池(chi)所吸(xi)引。这(zhei)小小的(de)二氧(yang)化(hua)钛纳米颗粒居然能(neng)(neng)够源源不(bu)断地(di)将太阳能(neng)(neng)转(zhuan)化(hua)为(wei)电(dian)能(neng)(neng),还不(bu)会像传统能(neng)(neng)源那样产生巨大的(de)污(wu)染(ran),这(zhei)是真正有(you)前途的(de)清洁(jie)能(neng)(neng)源!“我们做(zuo)科研(yan)的(de),最终(zhong)还是要落实到应用(yong),真的(de)能(neng)(neng)对社会做(zuo)出(chu)贡献,而不(bu)光是弄出(chu)几篇文章。”程教授简(jian)朴而有(you)力的(de)话(hua)语深(shen)(shen)深(shen)(shen)触动(dong)了黄福(fu)志,这(zhei)句话(hua)也成为(wei)黄福(fu)志数十年如一日(ri)专心致(zhi)志做(zuo)研(yan)究的(de)动(dong)力源泉(quan)。

黄福志在制备钙钛矿薄膜

经过持续的(de)耕(geng)耘,他们发(fa)现在固态染(ran)料敏化太阳(yang)能电(dian)池(chi)基础上(shang)发(fa)展出的(de)钙钛(tai)矿太阳(yang)能电(dian)池(chi),是更适(shi)合印刷制(zhi)备(bei)的(de)最(zui)理想的(de)光伏技术。2015年(nian)(nian),为了更好地实现(xian)(xian)钙(gai)钛矿(kuang)太(tai)阳能(neng)电池产业化,一(yi)直(zhi)被黄福(fu)志(zhi)视(shi)为“科研(yan)领路(lu)人(ren)”的(de)(de)程(cheng)教(jiao)授(shou)选择回到欧宝体(ti)育。此时(shi)(shi)的(de)(de)黄福(fu)志(zhi)和家人(ren)已在澳大(da)利(li)亚生活(huo)多年(nian)(nian),孩子也早在澳大(da)利(li)亚入(ru)学,如果(guo)此时(shi)(shi)回国(guo),一(yi)切都要重新开始。可是为了能(neng)够持续完善钙(gai)钛矿(kuang)光(guang)伏技术(shu),将之真正(zheng)推(tui)广(guang)到家家户户,从而实现(xian)(xian)“将科研(yan)论文写在祖(zu)(zu)国(guo)大(da)地上”的(de)(de)科研(yan)初心,黄福(fu)志(zhi)没有(you)丝毫(hao)犹豫(yu)和踟蹰,他毅然(ran)决定(ding)举家回国(guo)。“虽然(ran)当(dang)时(shi)(shi)只是作为一(yi)个没有(you)任何(he)“帽子”的(de)(de)普通研(yan)究者回国(guo)工作,但是只要能(neng)够持续推(tui)进钙(gai)钛矿(kuang)光(guang)伏技术(shu)研(yan)究,为祖(zu)(zu)国(guo)、为社会的(de)(de)发展尽自(zi)己的(de)(de)一(yi)份力,也值了!”回忆起当(dang)时(shi)(shi)的(de)(de)选择,黄福(fu)志(zhi)毫(hao)不后悔。

回(hui)国后(hou),学校和材料复(fu)合新技(ji)术国家重点实(shi)验(yan)室(shi)迅速帮(bang)他们组建(jian)了团队,短短的(de)几(ji)个月(yue)时(shi)间就建(jian)好了实(shi)验(yan)室(shi)、购置了各(ge)类研究(jiu)所需(xu)的(de)器(qi)(qi)件制备和表征仪器(qi)(qi)。“国(guo)(guo)内的(de)(de)效率非常高,更让我惊叹(tan)的(de)(de)是我们(men)国(guo)(guo)重的(de)(de)行政人员。我们(men)在做研(yan)究的(de)(de)过程中基(ji)本(ben)感受不到他们(men)的(de)(de)存在,可需(xu)要帮助的(de)(de)时候他们(men)却时刻(ke)都在身边,默默地为我们(men)提供支撑和服(fu)务,这(zhei)为我们(men)专(zhuan)心开展(zhan)研(yan)究提供了(le)非常好的(de)(de)环境”,黄老师由衷赞叹(tan)。

“我只想(xiang)把更多的时间花在(zai)科研攻关上”

科(ke)研(yan)人生征途漫(man)漫(man)。在“冷板凳(deng)”上钻研“热课题”,这(zhei)是科(ke)技攀登者的写照。胸怀祖国、造福社会的执着以及对科(ke)研的真(zhen)挚热爱支撑(cheng)他们排除一切(qie)干扰,甘(gan)于寂(ji)寞地探求真(zhen)理(li)。

回(hui)国后,黄(huang)老师及团队成员希望集中(zhong)力量,尽(jin)快(kuai)攻克技术难题、推进科研进度。然(ran)而,钙钛(tai)矿太(tai)阳(yang)能(neng)电池(chi)虽然(ran)具有光电转(zhuan)换(huan)效率高、制(zhi)(zhi)备简单、成本(ben)低廉等优势,但由于钙钛(tai)矿光伏是一(yi)个新兴技术,有很(hen)多科学问题尚未(wei)明晰(xi),例如钙钛(tai)矿成核结(jie)晶生长(zhang)过程不可控,容易形(xing)成枝(zhi)状(zhuang)晶体,导致电池(chi)组件(jian)性(xing)能(neng)偏低,这(zhei)显著制(zhi)(zhi)约了钙钛(tai)矿太(tai)阳(yang)能(neng)电池(chi)的大(da)面积制(zhi)(zhi)备和(he)产业化发展,所以实验效果始终与预(yu)期存在一(yi)定的差距。

与此同(tong)时,黄福志(zhi)面临的境遇更增(zeng)添了(le)几分生活的考验。孩子对国内教育环境不适应,家(jia)中(zhong)至(zhi)亲(qin)又相继因(yin)病去世,科研进展也不如预期(qi)中(zhong)顺利……多方压力接踵袭来(lai)。黄(huang)老师(shi)坦言: “那(nei)是(shi)一段(duan)非常艰难(nan)日子(zi)。当时很多人跟我说,要多出去开会,让(rang)更多的人认识自(zi)己。可是(shi)时间(jian)非常有限,我还是(shi)想将更多精力投(tou)入(ru)到科研攻(gong)关中(zhong),最(zui)重要的还是(shi)要做出成(cheng)果(guo),所(suo)以我每年只参加(jia)一次(ci)会议以便了(le)解领域进展(zhan)。”

黄(huang)福志指(zhi)导学(xue)生(sheng)制备钙钛矿电池组件

经(jing)过一段(duan)时间的努力,黄福志及团队制备的小尺寸钙钛矿电池(PSC)光电转(zhuan)换效率已经达到国际领先水(shui)平,进而着手将小电池制(zhi)备(bei)成大(da)面(mian)积组件。这一过程主要利用(yong)slot-die coating法(狭缝挤出涂布法),像“印报(bao)纸”一样(yang)快速印刷制(zhi)备(bei)钙钛矿薄膜(mo)。

当时实验室只(zhi)有一台小(xiao)型的slot-die刮涂机,精度和稳定性无法(fa)满足基本制备(bei)需要(yao)。团(tuan)队原本打算购买国外进口的(de)高端精密slot-die刮涂(tu)机来实(shi)现大面积薄膜制备,通(tong)过多方考察后确(que)定(ding)了(le)采购美(mei)国(guo)一家公(gong)司(si)最新型的(de)精密稳定(ding)狭缝涂(tu)膜设备,但对方提(ti)出了(le)300多万元的(de)报价,成本远高(gao)预(yu)期(qi)而且精密(mi)高(gao)端设备的(de)采购周期(qi)长,时间(jian)紧、任务难(nan),如果(guo)不马上解决设备问题(ti),那么制(zhi)备高(gao)效稳定的(de)大面(mian)积钙钛(tai)矿(kuang)组件、推(tui)进钙钛(tai)矿(kuang)产(chan)业化将(jiang)只能沦为空谈。

为了解决这个问(wen)题,太阳能电池团(tuan)队最终(zhong)决定自行设计组装(zhuang)一台精度高、运(yun)行可靠的(de)slot-die刮涂设备!黄福(fu)志带领团队师(shi)生(sheng)对slot-die工艺涉及(ji)的(de)理(li)论(lun)知识(shi)进(jin)(jin)行深(shen)入钻研,对(dui)刮刀、垫(dian)片、气刀等关键(jian)部分进(jin)(jin)行重新设计,找到国内的(de)工厂进(jin)(jin)行高精度(du)加工,并(bing)在实(shi)验(yan)过程(cheng)中对(dui)设备不(bu)断(duan)改(gai)良(liang)升级。经过近两个月的(de)鏖战,终于设计搭建了一台(tai)能够达到使用需求的(de)高精度(du)设备,为大面(mian)积钙钛(tai)矿组(zu)件效率不(bu)断(duan)攀升、重复性大幅度(du)提(ti)升打下了坚实(shi)的(de)基础!

“科学精神最重要的就是严谨(jin)和(he)钻研”

高(gao)水(shui)平成果的产出需要长时间(jian)的科(ke)研积(ji)累(lei)和(he)沉淀,这不仅(jin)要求科(ke)研工作者具有准(zhun)确把握领域内科(ke)学(xue)发展(zhan)前沿趋势的能力,更要具备打破(po)砂锅问到底的坚持以及不计名利与得失的胸怀(huai)。

2019年,黄福(fu)志及团队终于攻(gong)克了(le)大面积(ji)制备的主要(yao)难点,取(qu)得(de)了(le)重要(yao)进展(zhan)。然而(er),又(you)一个(ge)抉择(ze)出现了(le)。由于钙钛矿(kuang)领域发展(zhan)很快,是(shi)赶紧把论文(wen)写出来,抢占先机尽快发表,还(hai)是(shi)持续(xu)深入完善整个(ge)技术?黄福(fu)志思(si)索再三,认(ren)为(wei)当时(shi)还(hai)有部分(fen)问(wen)题没有完全(quan)弄清,器件效率和(he)稳定性还(hai)可以进一步提升,因而(er)他选择(ze)继续(xu)深入开展(zhan)研(yan)究。

时(shi)间的(de)(de)积累总是会在(zai)某(mou)一时(shi)刻闪(shan)耀出(chu)独特的(de)(de)光彩。又(you)经过一年半的(de)(de)艰(jian)苦(ku)努力,黄福志及(ji)团(tuan)队终于完善(shan)了整个技术并在(zai)2021年春节(jie)将研究成果投递到《Science》杂志。很快便收到《Science》的(de)(de)回复,两名审稿人给出的(de)(de)评语(yu)都(dou)是: “非常出色的(de)(de)工作(zuo)”。文章(zhang)经一次修改(gai)后被顺(shun)利(li)接(jie)收。黄老师回忆到: “《Science》的收刊(kan)过程非常复(fu)杂,审(shen)稿人也是非常严苛。如(ru)果2019年我们(men)就匆匆撰写文章(zhang)投稿(gao),虽然(ran)也很有价(jia)值,但不(bu)予采纳的(de)可(ke)能性也很大,就不(bu)会(hui)有这次这么(me)顺利。”

太阳能电(dian)池团队合照

梅花香自(zi)苦寒来。多年的(de)艰难前(qian)行与拼搏努力,化为(wei)今日的(de)累累硕(shuo)果,纵(zong)然有(you)收获(huo)的(de)喜悦,更多还是水到渠成的(de)平静。“这(zhei)是一个漫长的(de)历(li)程(cheng),但是这(zhei)是必须的(de)历(li)程(cheng)”,黄福志说。当记(ji)者(zhe)问(wen)到他如何理(li)解科学精(jing)神(shen)时,他脸上多(duo)了几分庄重与(yu)严肃: “我理(li)解科学精(jing)神(shen)的(de)核心就(jiu)是钻(zuan)(zuan)研与(yu)严谨(jin)(jin),只有具备钻(zuan)(zuan)研精(jing)神(shen)才能发现(xian)问(wen)题,只有保持(chi)严谨(jin)(jin)才能正确地解决问(wen)题。”

“钻研(yan)(yan)已经(jing)是黄老(lao)(lao)师(shi)的(de)(de)一种习惯”,太阳能(neng)电(dian)池(chi)团(tuan)队的(de)(de)钟杰(jie)老(lao)(lao)师(shi)笑称黄福志(zhi)是团(tuan)队的(de)(de)灵魂人(ren)(ren)物: “黄老(lao)(lao)师(shi)待人(ren)(ren)真诚又负(fu)责(ze),具有(you)很强的(de)(de)个(ge)人(ren)(ren)魅力和(he)团(tuan)队凝聚能(neng)力。他的(de)(de)钻研(yan)(yan)精(jing)神表(biao)现在工作生活学习的(de)(de)方(fang)方(fang)面面,对我影响最深(shen)刻的(de)(de)是,就连帮我修电(dian)脑(nao)这类小事他都仔细研(yan)(yan)究,做到一丝不苟,让人(ren)(ren)非常(chang)感动!”

作为黄福(fu)志的学生,2019级硕士研(yan)究生(sheng)田聪聪对黄(huang)福(fu)志阐述的(de)科学精神更有切身的(de)体会(hui): “黄(huang)老师的(de)言行时(shi)刻(ke)诠释(shi)着钻研(yan)与严谨,科研(yan)攻关的(de)过程中,黄(huang)老师始终(zhong)与我(wo)(wo)们一起(qi)待(dai)在实(shi)验(yan)室,为了一个实(shi)验(yan)数据(ju)和结果的(de)完美呈现,经历(li)千万次的(de)失败(bai)和试错(cuo)。当(dang)我(wo)(wo)们遇(yu)到(dao)任(ren)何问(wen)题时(shi),不管黄(huang)老师有多么忙碌,他总(zong)会(hui)耐心细致地为我(wo)(wo)们答疑解(jie)惑。”

“像我这样(yang)的老师还有很多”

Science》上发表的成(cheng)果,代表了该(gai)领域(yu)的国际前(qian)沿(yan)水平,是科研(yan)工(gong)作者(zhe)及团队站在学(xue)术(shu)前(qian)沿(yan)、面对重(zhong)大问(wen)题(ti)进(jin)行脚踏实地工(gong)作的结果。对此,黄福(fu)志(zhi)非常谦逊,他(ta)说(shuo)他(ta)只(zhi)是欧宝(bao)体(ti)育一名普普通通的科研(yan)工(gong)作者(zhe),“像(xiang)我这样(yang)为了科研(yan)理(li)想(xiang)踏实努力攻关的老师还有许许多多,我相(xiang)信每一位理(li)工(gong)大的科研(yan)工(gong)作者(zhe)都能做(zuo)出属于自(zi)己的成(cheng)绩。”

诚如是言(yan),与黄(huang)福志同在太阳能电(dian)池团队的李蔚(yu)老(lao)师也是这样。他所研究(jiu)的钙钛矿电(dian)池的TEM表(biao)(biao)征属于(yu)冷门方向,做的人很少,而(er)钙钛(tai)矿电(dian)池是一个热门领域。看(kan)着周边年青学者(zhe)纷纷发表(biao)(biao)《Science》《Nature》子刊论文,李蔚始(shi)终坚持(chi)自(zi)己(ji)的想法,认(ren)为钙钛矿电池TEM研究将会对(dui)钙钛(tai)矿的(de)(de)科(ke)学认识起到至关重要的(de)(de)作用(yong),所以他选择六年如(ru)一日扎根钙钛(tai)矿电池的(de)(de)TEM表征研究(jiu)(jiu),最终(zhong)在(zai)今年取(qu)得了突破性进展,研究(jiu)(jiu)成果(guo)发(fa)表在(zai)国际能(neng)源顶级期刊(kan)《Nature Energy》上,获得了钙钛矿领域(yu)的(de)认可,在TEM方向树立了(le)自己的标(biao)签(qian)。

十(shi)年磨一剑(jian),霜刃未曾(ceng)试。材(cai)料复合新技术国家重(zhong)点(dian)实验室(shi)还有许多老(lao)师同样具备有“十年磨(mo)一(yi)剑”的科研攻关精神(shen)。唐浩林老师十几(ji)年如一(yi)日,埋头燃(ran)料(liao)电池膜(mo)电极的研究(jiu),最终攻克了膜(mo)电极的难(nan)关,很(hen)多公司纷(fen)(fen)纷(fen)(fen)找上门(men)寻求合作;常柏松(song)老师默(mo)默(mo)无闻(wen)地钻研自己的课题(ti),最终研究(jiu)成果被《Nature》子刊“Nature Biomedical Engineering”接收……以(yi)这些优秀年(nian)青教师为代表的广(guang)大教师勇于(yu)创新、甘于(yu)奉(feng)献(xian),集智攻关、追求真理(li),坚定(ding)不(bu)移地通过创新寻求突(tu)破,化不(bu)可(ke)能为可(ke)能,为国家战略(lve)提(ti)供科技支撑(cheng)。

材(cai)料复合新技术(shu)国家重点(dian)实验室党(dang)总支书记罗小寒表示,经过30余(yu)年(nian)的(de)(de)(de)发(fa)展(zhan),材(cai)料(liao)复合新(xin)(xin)(xin)技术国(guo)(guo)家重点(dian)实验室“坚守初心、矢志创新(xin)(xin)(xin)”的(de)(de)(de)精(jing)(jing)神(shen)文(wen)化一(yi)直引(yin)领着一(yi)代又(you)一(yi)代有志青(qing)年(nian)投身科研、接续奋斗,他们(men)(men)胸怀祖国(guo)(guo)、服务人民(min)的(de)(de)(de)爱(ai)国(guo)(guo)精(jing)(jing)神(shen),勇攀(pan)高峰、敢为人先(xian)的(de)(de)(de)创新(xin)(xin)(xin)精(jing)(jing)神(shen),追求(qiu)真理、严谨治学的(de)(de)(de)求(qiu)实精(jing)(jing)神(shen),淡泊(bo)名利(li)、潜心研究的(de)(de)(de)奉献精(jing)(jing)神(shen),集(ji)智攻(gong)关、团结协(xie)作的(de)(de)(de)协(xie)同精(jing)(jing)神(shen),甘为人梯(ti)、奖掖后学的(de)(de)(de)育人精(jing)(jing)神(shen)深深地感动、激(ji)励着广大(da)科研工作者,也要求(qiu)我(wo)们(men)(men)在党(dang)和(he)(he)国(guo)(guo)家深入(ru)实施(shi)科教(jiao)兴国(guo)(guo)战略、人才(cai)(cai)强国(guo)(guo)战略和(he)(he)创新(xin)(xin)(xin)驱动发(fa)展(zhan)战略的(de)(de)(de)新(xin)(xin)(xin)时(shi)代背(bei)景下,以识(shi)才(cai)(cai)的(de)(de)(de)慧眼、爱(ai)才(cai)(cai)的(de)(de)(de)诚意(yi)、用才(cai)(cai)的(de)(de)(de)胆(dan)识(shi)、容才(cai)(cai)的(de)(de)(de)雅量、聚才(cai)(cai)的(de)(de)(de)良方,放手(shou)使用优秀青(qing)年(nian)人才(cai)(cai),为青(qing)年(nian)人才(cai)(cai)成才(cai)(cai)铺路(lu)搭桥(qiao),为青(qing)年(nian)人才(cai)(cai)施(shi)展(zhan)才(cai)(cai)干提(ti)供更(geng)(geng)多机会和(he)(he)更(geng)(geng)大(da)舞台。

志之所趋无远弗届(jie);穷山距(ju)海不(bu)能限也。忙碌的(de)(de)(de)(de)武汉理(li)工校园中,以(yi)黄(huang)福志为代(dai)表的(de)(de)(de)(de)一大(da)批科(ke)研工作者瞄(miao)准世界科(ke)学前沿和国家重大(da)需求(qiu),传承科(ke)学家精(jing)神,以(yi)顽强的(de)(de)(de)(de)探索精(jing)神、宽广的(de)(de)(de)(de)学术视野,持之以(yi)恒地向“光辉的(de)(de)(de)(de)顶点(dian)”前行(xing)。新时(shi)代(dai)科(ke)技浪潮激(ji)荡澎湃,相信会有越(yue)来(lai)越(yue)多的(de)(de)(de)(de)理(li)工学人不(bu)负时(shi)代(dai)使命,跑出(chu)(chu)前瞻(zhan)性基础研究(jiu)、引领性原创成果(guo)的(de)(de)(de)(de)“加速度”,为国家和人民作出(chu)(chu)新的(de)(de)(de)(de)更大(da)贡献!

(记(ji)者(zhe): 丁仕琼 通讯员(yuan): 田聪(cong)聪(cong) 审稿人: 王洪波)

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