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小本”的“頂級SCI”誕生記


——北理工“新时代 新作为”之人才培养系列报道

 

  能源危機和環境汙染問題已成爲阻礙經濟發展的首要問題,也是世界各國關注的焦點。在衆多新能源技術中,太陽能電池(也稱爲太陽能發電技術或光伏發電技術)成爲最具有應用前景的方向之一。隨著光伏發電技術的迅速發展,雜化鹵化物鈣钛礦成爲最有希望的新一代光伏材料。

  在不到八年的時間裏,鈣钛礦太陽能電池獲得了22.7%的光電轉換效率,其性能已超過了多晶矽太陽能電池,被《Science》雜志評選爲2013年度十大科技突破之一,並被譽爲“光伏領域的新希望”,受到諸多科研人員的青睐。在這其中,就有一位年僅22歲,來自500万彩票网平台材料學院材料化學專業的2015級本科生李宗麒,在導師的指導下,憑借自己的勤奮與努力,在鈣钛礦太陽能電池研究領域中有了自己的位置。

  2018年5月24日,作为一名大三在读学生的李宗麒,在材料学院陈棋教授的指导下,以第一作者身份在能源领域顶级期刊《Joule》发表题为“Cost Analysis of Perovskite Tandem Photovoltaics”(钙钛矿叠层光伏成本分析)的研究成果。

興趣的“種子”在北理工落地生根

  高中時期,李宗麒就對清潔能源及太陽能電池相關領域有著濃厚的興趣,他通過網絡慕課平台,自學了國外該領域的最新研究技術與研究進展,由于當時國內慕課的發展還不完善,李宗麒的自學主要是通過慕課平台來進行。“全英文的授課形式對當時的自己來說是一個很大的挑戰,爲了達到更好的學習效果,每次聽課前我都會提前預習課程內容,以便在聽課過程對所學的知識有更深刻地理解。我想這就是興趣的力量。”李宗麒說到。即便是在備戰高考期間,李宗麒也擠出時間繼續學習,積累大量的該領域知識,爲他升入大學進入實驗室開展課題研究,打下了良好的基礎。

  2015年,懷揣著這顆“太陽能電池”興趣的種子,李宗麒如願成爲了500万彩票网平台材料學院材料化學專業的一名本科生,而學校的人才培養模式,更爲這顆種子的生根發芽提供了沃土。在學校每年秋季的實踐學期,各個學院會根據不同專業學科方向的特點,爲學生量身定制相應的實踐課程。

  李宗麒所在的材料化學專業,會要求學生們提前進入實驗室,深入了解各個科研方向,挖掘自己的興趣點及潛在科研能力。這種實踐課程的設置,讓李宗麒覺得有一點“小興奮”。他積極咨詢實驗室裏各個課題組的研究方向,在了解到陳棋教授課題組目前正在重點關注鈣钛礦太陽能電池的産業化研究後,他主動與陳棋教授溝通交流,並于大二下學期正式進入課題組,在陳棋教授的指導下,正式進入到疊層鈣钛礦太陽能電池生産成本的研究中。從此,李宗麒正式開啓了良鄉校區上課、中關村校區做實驗的兩校區“奔波”模式。

纸上得来终觉浅 绝知此事要躬行

  “最初進入實驗室的時候,我依舊把主要精力放在學習基礎知識上,認爲只有具備了足夠的基礎知識才能對實驗本身有足夠的理解。”李宗麒沿用之前的學習模式,繼續通過Edx、Coursera、MIT等網絡公開課,學習半導體和太陽能電池的相關領域知識。然而,由于理論知識過于抽象,李宗麒逐漸意識到,學習中遇到的一些問題,並不能完全從理論課程中找到解決方法,從而導致科研進展緩慢。爲此,李宗麒和指導教師進行了深入地交流,“陳老師爲我指定了一位課題組組長,要求我協助學長完成實驗內容,熟悉實驗的操作流程,在實踐過程中發現問題並嘗試解決。”陳棋教授爲李宗麒提供了新的思路。

圖中左爲李宗麒、右爲指導教師陳棋教授

  “在制備實驗中要用到的有機試劑時,需要提前對其進行提純,理論上,應該是提純次數越多試劑越純淨,可是實際操作中並非這樣。”在實際操作中,提純次數越多,試劑反而更易受到外界環境的氧化進而被腐蝕,這些從實踐中總結的小經驗,是書本上的理論知識無法取代的。“在實驗過程中,除了鍛煉自己的操作技能外,還可更好地將理論知識與實踐經驗相結合,對所研究的課題內容有了更直觀地認識和更深刻地理解。”李宗麒豁然開朗。

  通往成功的路上,往往還需要克服困難的毅力與恒心。在李宗麒最初收到《Joule》期刊審稿人意見時,受到了不小的“打擊”,這份意見涉及到計算模型的更改、研究對象的替換、所有數據基礎的確認與更新、補充信息的修改、實驗數據圖表的重新繪制、文章陳述的修改等等。在大多數人眼中,在一個月的規定時間內完成修改,幾乎不可能。但是,李宗麒和團隊的夥伴們沒有放棄,而是迅速制定工作計劃,全身心投入到文章的修改工作中。“讓我印象最深的一次是對新的計算模型進行設計,從晚上11點開始,我們通宵工作,直到第二天下午2點與陳老師討論確認後,才回到宿舍休息。雖然辛苦,但是在兩周內,我們就重新確定了計算模型、研究對象和核心數據與假設,爲文章的修改打下了很好的基礎。”李宗麒回憶到。

  寒假期間,李宗麒依舊每天按照已定工作進度,完成對每個研究對象的成本計算以及成果圖制作,這樣的狀態一直持續到春節。“在大年三十的晚上,陳老師還在通過電話和我確認實驗數據的合理性。”對于陳棋老師的傾心指導,李宗麒心懷感恩。

“小本”發出“大文章”

  “骐骥一跃,不能十步;驽马十驾,功在不舍。”在老师的指导和团队的共同努力下,李宗麒以第一作者身份在能源领域顶级期刊《Joule》发表题为“Cost Analysis of Perovskite Tandem Photovoltaics”的研究成果。他在文中详细地分析了两种叠层钙钛矿太阳能电池的生产成本,通过预测平准化度电成本(Levelized cost of electricity,LCOE),详细探讨了叠层太阳能电池技术路线对于钙钛矿光伏产业化的重要意义,并预言了钙钛矿太阳能电池未来发展的可能技术走向。

  鈣钛礦材料由于其帶隙可調,所以能夠和不同吸光材料組合起來,成爲具有優異光電性能的疊層電池材料。研究表明,通過調節鈣钛礦吸光層的帶隙,鈣钛礦/晶矽太陽能電池和鈣钛礦/鈣钛礦太陽能電池的理論光電轉換效率分別可達到39%和34%。

圖1(A)爲PERC多晶矽電池材料組成;(B)爲單結鈣钛礦電池材料組成;(C)爲鈣钛礦/晶矽疊層電池材料組成;(D)爲鈣钛礦/鈣钛礦疊層電池材料組成。

  在太陽能電池材料領域,通常用平准化度電成本(LCOE)來衡量發電實體在系統壽命周期內單位發電量所消耗的成本,這是決定發電技術能否商業化的成本估算標准。而對于鈣钛礦疊層技術的太陽能電池材料,盡管存在商業化的可能性,但是目前尚未有相關的LCOE測算方法和研究。而李宗麒及其合作者,正是針對這一空白,采用“自下而上的成本模型”,對鈣钛礦光伏組件的制備成本進行估算,並進一步計算光伏系統的LCOE。他們在特定的假設下,通過比較四個有代表性的光伏組件(圖1),研究發現鈣钛礦光伏組件的材料成本要低于多晶矽光伏組件。

圖2(A)爲四種器件的LCOE(美分/千瓦時);(B-E)爲四種器件的LCOE組成細分。

  除此之外,李宗麒和团队成员,还针对组件效率和寿命进行了研究,首次提出了LCOE下降率(LCOE decrease rate)的概念,用来指导和规划钙钛矿光伏和叠层钙钛矿太阳能电池的技术发展路线(图2)。他们所发表的论文从商业化的角度为钙钛矿太阳能电池领域的发展方向提供了参考。

  回想自己第一篇SCI論文的誕生過程,李宗麒覺得自己很幸運。“雖然經曆過實驗的失敗,但是都能在陳老師的指導下,及時尋找到解決問題的方法,遇到困難時,可以得到老師和課題組小夥伴們的幫助,心中又充滿力量。”李宗麒說:“在本科階段能夠提前進入實驗室,不僅可以在科研中拓展解決問題的思路,也鍛煉了自身的團隊協作能力,這對于今後的科研工作,受益良多。”

  “本科生提前進入實驗室,可以通過實踐爲知識找到出口,這是知識內化最有效的手段之一。同時,在實踐中提高學生的科研鑒賞力,拓展視野和格局,這爲培養一流的複合型人才奠定了重要的基礎。”在談到學生本科階段進入實驗室的培養模式時,陳棋教授這樣說到。

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