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黄福志:把太阳能“印刷”成电能的攀登者

日期:2021-07-08    来源:武汉理工大学党委宣传部

国际太阳能光伏网

2021
07/08
13:22
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关键词: 钙钛矿光伏技术 碳中和 黄福志

“习近平总书记在联合国大会上宣布中国将力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。在这个背景下,作为廉价清洁能源领域的翘楚,钙钛矿光伏技术的研究意义更加凸显。如果能走出实验室、走上生产线,我们的用电成本将大大降低,有利于我们实现‘碳中和’的目标,同时也保障了我国的能源安全。”近日,国际著名学术期刊《Science》发表武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室太阳能电池研究成果,黄福志老师作为该篇论文的唯一通讯作者接受了记者的采访,讲述《Science》文章背后的故事。

《Science》刊发武汉理工大学大面积钙钛矿光伏技术突破性研究成果

黄福志,2015年5月加入武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室工作,发表高水平论文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年全球Top 1%高被引作者,目前主要研究方向包括钙钛矿太阳能电池产业化、光伏制氢以及柔性电子等。

“把科研论文写在祖国大地上才是最有意义的”

黄福志于1995年考入北京大学化学与分子工程学院攻读学士、硕士,毕业后他赴澳大利亚墨尔本大学攻读博士,在莫纳什大学从事博士后研究。2004年秋,当走进澳大利亚莫纳什大学程教授办公室的时候,他没想到此生会与太阳能电池结下不解之缘。

“染料敏化太阳能电池利用二氧化钛纳米颗粒作为光阳极,可以通过卷对卷印刷制备,成本低廉,有望走进千家万户。”随着程教授的介绍,黄福志也深深被染料敏化太阳能电池所吸引。这小小的二氧化钛纳米颗粒居然能够源源不断地将太阳能转化为电能,还不会像传统能源那样产生巨大的污染,这是真正有前途的清洁能源!“我们做科研的,最终还是要落实到应用,真的能对社会做出贡献,而不光是弄出几篇文章。”程教授简朴而有力的话语深深触动了黄福志,这句话也成为黄福志数十年如一日专心致志做研究的动力源泉。

黄福志在制备钙钛矿薄膜

经过持续的耕耘,他们发现在固态染料敏化太阳能电池基础上发展出的钙钛矿太阳能电池,是更适合印刷制备的最理想的光伏技术。2015年,为了更好地实现钙钛矿太阳能电池产业化,一直被黄福志视为“科研领路人”的程教授选择回到武汉理工大学。此时的黄福志和家人已在澳大利亚生活多年,孩子也早在澳大利亚入学,如果此时回国,一切都要重新开始。可是为了能够持续完善钙钛矿光伏技术,将之真正推广到家家户户,从而实现“将科研论文写在祖国大地上”的科研初心,黄福志没有丝毫犹豫和踟蹰,他毅然决定举家回国。“虽然当时只是作为一个没有任何“帽子”的普通研究者回国工作,但是只要能够持续推进钙钛矿光伏技术研究,为祖国、为社会的发展尽自己的一份力,也值了!”回忆起当时的选择,黄福志毫不后悔。

回国后,学校和材料复合新技术国家重点实验室迅速帮他们组建了团队,短短的几个月时间就建好了实验室、购置了各类研究所需的器件制备和表征仪器。“国内的效率非常高,更让我惊叹的是我们国重的行政人员。我们在做研究的过程中基本感受不到他们的存在,可需要帮助的时候他们却时刻都在身边,默默地为我们提供支撑和服务,这为我们专心开展研究提供了非常好的环境”,黄老师由衷赞叹。

“我只想把更多的时间花在科研攻关上”

科研人生征途漫漫。在“冷板凳”上钻研“热课题”,这是科技攀登者的写照。胸怀祖国、造福社会的执着以及对科研的真挚热爱支撑他们排除一切干扰,甘于寂寞地探求真理。

回国后,黄老师及团队成员希望集中力量,尽快攻克技术难题、推进科研进度。然而,钙钛矿太阳能电池虽然具有光电转换效率高、制备简单、成本低廉等优势,但由于钙钛矿光伏是一个新兴技术,有很多科学问题尚未明晰,例如钙钛矿成核结晶生长过程不可控,容易形成枝状晶体,导致电池组件性能偏低,这显著制约了钙钛矿太阳能电池的大面积制备和产业化发展,所以实验效果始终与预期存在一定的差距。

与此同时,黄福志面临的境遇更增添了几分生活的考验。孩子对国内教育环境不适应,家中至亲又相继因病去世,科研进展也不如预期中顺利……多方压力接踵袭来。黄老师坦言:“那是一段非常艰难日子。当时很多人跟我说,要多出去开会,让更多的人认识自己。可是时间非常有限,我还是想将更多精力投入到科研攻关中,最重要的还是要做出成果,所以我每年只参加一次会议以便了解领域进展。”

黄福志指导学生制备钙钛矿电池组件

经过一段时间的努力,黄福志及团队制备的小尺寸钙钛矿电池(PSC)光电转换效率已经达到国际领先水平,进而着手将小电池制备成大面积组件。这一过程主要利用slot-die coating法(狭缝挤出涂布法),像“印报纸”一样快速印刷制备钙钛矿薄膜。

当时实验室只有一台小型的slot-die刮涂机,精度和稳定性无法满足基本制备需要。团队原本打算购买国外进口的高端精密slot-die刮涂机来实现大面积薄膜制备,通过多方考察后确定了采购美国一家公司最新型的精密稳定狭缝涂膜设备,但对方提出了300多万元的报价,成本远高预期而且精密高端设备的采购周期长,时间紧、任务难,如果不马上解决设备问题,那么制备高效稳定的大面积钙钛矿组件、推进钙钛矿产业化将只能沦为空谈。

为了解决这个问题,太阳能电池团队最终决定自行设计组装一台精度高、运行可靠的slot-die刮涂设备!黄福志带领团队师生对slot-die工艺涉及的理论知识进行深入钻研,对刮刀、垫片、气刀等关键部分进行重新设计,找到国内的工厂进行高精度加工,并在实验过程中对设备不断改良升级。经过近两个月的鏖战,终于设计搭建了一台能够达到使用需求的高精度设备,为大面积钙钛矿组件效率不断攀升、重复性大幅度提升打下了坚实的基础!

“科学精神最重要的就是严谨和钻研”

高水平成果的产出需要长时间的科研积累和沉淀,这不仅要求科研工作者具有准确把握领域内科学发展前沿趋势的能力,更要具备打破砂锅问到底的坚持以及不计名利与得失的胸怀。

2019年,黄福志及团队终于攻克了大面积制备的主要难点,取得了重要进展。然而,又一个抉择出现了。由于钙钛矿领域发展很快,是赶紧把论文写出来,抢占先机尽快发表,还是持续深入完善整个技术?黄福志思索再三,认为当时还有部分问题没有完全弄清,器件效率和稳定性还可以进一步提升,因而他选择继续深入开展研究。

时间的积累总是会在某一时刻闪耀出独特的光彩。又经过一年半的艰苦努力,黄福志及团队终于完善了整个技术并在2021年春节将研究成果投递到《Science》杂志。很快便收到《Science》的回复,两名审稿人给出的评语都是:“非常出色的工作”。文章经一次修改后被顺利接收。黄老师回忆到:“《Science》的收刊过程非常复杂,审稿人也是非常严苛。如果2019年我们就匆匆撰写文章投稿,虽然也很有价值,但不予采纳的可能性也很大,就不会有这次这么顺利。”

太阳能电池团队合照

梅花香自苦寒来。多年的艰难前行与拼搏努力,化为今日的累累硕果,纵然有收获的喜悦,更多还是水到渠成的平静。“这是一个漫长的历程,但是这是必须的历程”,黄福志说。当记者问到他如何理解科学精神时,他脸上多了几分庄重与严肃:“我理解科学精神的核心就是钻研与严谨,只有具备钻研精神才能发现问题,只有保持严谨才能正确地解决问题。”

“钻研已经是黄老师的一种习惯”,太阳能电池团队的钟杰老师笑称黄福志是团队的灵魂人物:“黄老师待人真诚又负责,具有很强的个人魅力和团队凝聚能力。他的钻研精神表现在工作生活学习的方方面面,对我影响最深刻的是,就连帮我修电脑这类小事他都仔细研究,做到一丝不苟,让人非常感动!”

作为黄福志的学生,2019级硕士研究生田聪聪对黄福志阐述的科学精神更有切身的体会:“黄老师的言行时刻诠释着钻研与严谨,科研攻关的过程中,黄老师始终与我们一起待在实验室,为了一个实验数据和结果的完美呈现,经历千万次的失败和试错。当我们遇到任何问题时,不管黄老师有多么忙碌,他总会耐心细致地为我们答疑解惑。”

“像我这样的老师还有很多”

《Science》上发表的成果,代表了该领域的国际前沿水平,是科研工作者及团队站在学术前沿、面对重大问题进行脚踏实地工作的结果。对此,黄福志非常谦逊,他说他只是武汉理工大学一名普普通通的科研工作者,“像我这样为了科研理想踏实努力攻关的老师还有许许多多,我相信每一位理工大的科研工作者都能做出属于自己的成绩。”

诚如是言,与黄福志同在太阳能电池团队的李蔚老师也是这样。他所研究的钙钛矿电池的TEM表征属于冷门方向,做的人很少,而钙钛矿电池是一个热门领域。看着周边年青学者纷纷发表《Science》《Nature》子刊论文,李蔚始终坚持自己的想法,认为钙钛矿电池TEM研究将会对钙钛矿的科学认识起到至关重要的作用,所以他选择六年如一日扎根钙钛矿电池的TEM表征研究,最终在今年取得了突破性进展,研究成果发表在国际能源顶级期刊《Nature Energy》上,获得了钙钛矿领域的认可,在TEM方向树立了自己的标签。

十年磨一剑,霜刃未曾试。材料复合新技术国家重点实验室还有许多老师同样具备有“十年磨一剑”的科研攻关精神。唐浩林老师十几年如一日,埋头燃料电池膜电极的研究,最终攻克了膜电极的难关,很多公司纷纷找上门寻求合作;常柏松老师默默无闻地钻研自己的课题,最终研究成果被《Nature》子刊“Nature Biomedical Engineering”接收……以这些优秀年青教师为代表的广大教师勇于创新、甘于奉献,集智攻关、追求真理,坚定不移地通过创新寻求突破,化不可能为可能,为国家战略提供科技支撑。

材料复合新技术国家重点实验室党总支书记罗小寒表示,经过30余年的发展,材料复合新技术国家重点实验室“坚守初心、矢志创新”的精神文化一直引领着一代又一代有志青年投身科研、接续奋斗,他们胸怀祖国、服务人民的爱国精神,勇攀高峰、敢为人先的创新精神,追求真理、严谨治学的求实精神,淡泊名利、潜心研究的奉献精神,集智攻关、团结协作的协同精神,甘为人梯、奖掖后学的育人精神深深地感动、激励着广大科研工作者,也要求我们在党和国家深入实施科教兴国战略、人才强国战略和创新驱动发展战略的新时代背景下,以识才的慧眼、爱才的诚意、用才的胆识、容才的雅量、聚才的良方,放手使用优秀青年人才,为青年人才成才铺路搭桥,为青年人才施展才干提供更多机会和更大舞台。

志之所趋,无远弗届;穷山距海,不能限也。忙碌的武汉理工校园中,以黄福志为代表的一大批科研工作者瞄准世界科学前沿和国家重大需求,传承科学家精神,以顽强的探索精神、宽广的学术视野,持之以恒地向“光辉的顶点”前行。新时代科技浪潮激荡澎湃,相信会有越来越多的理工学人不负时代使命,跑出前瞻性基础研究、引领性原创成果的“加速度”,为国家和人民作出新的更大贡献!


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