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离子液体及其制备的钙钛矿太阳能电池 。 西北工业大学供图
如何更方便地利用太阳能？我国一项最新的科研成果以独创性的思路回答了这个世界瞩目的问题 。
3月26日 ， 《科学》杂志在线发表了西北工业大学黄维院士团队的研究成果《室温、高湿度稳定的钙钛矿太阳能电池》 ， 原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共同第一作者 ， 3人平均年龄26.3岁 。
该团队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好、效率高、制备工艺简单等优势 ， 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 。 这项成果对于整个研究团队 ， 乃至全球的钙钛矿光伏材料研究领域 ， 都是里程碑式的成就 。
科技“无人区”探险 ， 需坚持再坚持
“其实我之前都差点放弃了 。 ”惠炜告诉采访人员 ， 这项研究成果得来殊为不易 。 惠炜1995年出生于陕西农村的一个普通家庭 ， 这项成果在《科学》杂志在线发表当天 ， 正好是他的26岁生日 。 “这是最难忘的生日礼物！”惠炜激动地说 。
当前 ， 解决不断增长的能源需求与可持续发展之间的矛盾是各个国家的共同目标 ， “碳中和、碳达峰”更是成为我国“十四五”污染防治攻坚战的重要内容 。 而在清洁能源的使用中 ， 实现太阳能的高效利用早已成为学术界的焦点 ， 其中钙钛矿光伏材料作为一种高效、低成本的太阳能电池材料被研究者寄予厚望 。
事实上 ， 钙钛矿光伏材料的制备已有不少既有思路 ， 但现有成果存在制备条件苛刻、成本高、不稳定等诸多局限 ， 用简单方法制备钙钛矿光伏材料属世界难题 。 黄维团队成员之一、惠炜的导师、南京工业大学教授陈永华说：“我们一开始就跳出了钙钛矿光伏材料制备的传统思路 ， 希望把大家认为不可能的事变成可能 ， 走出一条自己的路 。 ”
陈永华通俗地解释说 ， 为了在保证高效的前提下 ， 开发出一条更加简便的、低成本的钙钛矿光伏材料研发路径 ， 团队一直在寻找一种“神奇”的溶剂 ， 这样就可以用简单的溶液法在温和的条件下制备出高效的钙钛矿光伏材料 ， 目的是降低制备门槛 ， 方便日后在工业中大规模推广应用 。
“但这在科学界看来是不可能的事情 。 ”陈永华说 ， 因为钙钛矿光伏材料极易变性 ， 所以此前的研究都显示需要很苛刻的制备条件 ， 团队竟然试图用简单的溶液法进行制备 ， 可谓难上加难 。
原创的路什么样？到底能不能走通？谁都不知道 。 从2015年开始 ， 该团队在科技“无人区”摸爬滚打 。 2018年 ， 惠炜加入团队 ， 带着迎接未知挑战的兴奋和迷茫上路了 。
“我用半年时间尝试了各种方法 ， 没有任何进展 。 每天早晨 ， 我都是满怀信心设计实验 ， 到晚上垂头丧气离开 。 ”惠炜一方面被失败反复折磨 ， 一方面面临研究生毕业的压力 ， “我想放弃了” 。 有天 ， 惠炜走进陈永华的办公室 ， 提出想换一个简单点的课题 。
“陈老师鼓励我说：我们总是重复别人的工作也没有意义 ， 还是得做些原创性工作 ， 是不是？再坚持坚持！”惠炜从陈永华那里重获了一些信心和新的实验设计思路 ， “那就再坚持坚持吧！”
“突然有一天下午 ， 我成功了！当时的太阳能转换效率达到了22%！”惠炜说 ， 这一初步实验成果已接近此前国外学者用苛刻条件制备钙钛矿材料的最高效率记录 ， 这意味着解决了核心问题——神奇的溶剂找到了！
在“羊群”中放入“牧羊犬” ， 一石三鸟
神奇的溶剂到底是什么？
要解决制备工艺的问题 ， 研究者探寻的是一种环境友好、物理化学性质稳定、可调和的溶剂 ， 而惠炜实验发现的离子液体溶剂便是这样一种“四两拨千斤”般的存在 。
“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 。 ”研究团队“大师兄”晁凌锋形象地解释道 ， 这样就破解了材料极易变性的难题 。
陈永华介绍 ， 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” 。
“第一次实验成功之后 ， 陈老师立刻赶到实验室 ， 我们又重复了一次 。 大家一直笑、一直笑……”现在回想起当时的情景 ， 惠炜总结道：“科学的魅力在于未知 ， 尽管探索的过程很艰难 。 ”在晁凌锋看来 ， “这绝不是一时运气 ， 而是团队日复一日的坚持和不断创新的结果 。 ”
“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 。 ”
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？“要敢于在原始创新的无人区中寻宝 。 黄维院士告诉采访人员 ， 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 。 ”黄维说 ， 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 。
【材料|3位90后敢在无人区寻宝】中青报·中青网采访人员 张茜 孙海华 来源：中国青年报 （ 2021年03月30日 12 版）
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