文 | 《中國科學報》記者 馮麗妃
近日，加拿大多倫多大學博士后陳昊以共同一作的身份（排名第一）收獲了人生中的第一篇Nature論文。文章介紹了一種高效穩(wěn)定的全鈣鈦礦疊層太陽能電池，創(chuàng)造了單節(jié)寬帶系器件和疊層器件開路電壓的世界紀錄。
在加拿大皇家科學院院士、工程院院士Edward H. Sargent實驗室工作，發(fā)一篇“大文章”一直是陳昊的心愿?，F(xiàn)在，他的這篇大文章成為Sargent實驗室的第16篇Nature正刊，加上其他14篇Science正刊論文，使該實驗室僅NS正刊論文就多達30篇。
(資料圖片僅供參考)
在這篇論文的背后，陳昊“刷了不下5000個電池”。而進入這個領(lǐng)域6年來，陳昊在實驗室制作的鈣鈦礦太陽能電池更是接近5萬個。
過去一年，陳昊和伴讀的愛人僅靠著他博士后微薄的收入生活，物質(zhì)上并不富裕，但生活中的每一個小進步都讓他們感到欣喜。過去2個月，他們收獲的“超級快樂大禮包”除了上述大文章，還有兒子多寶的降臨。
《中國科學報》請陳昊講述了他在加拿大的訪學生活。
陳昊
實驗室做器件最厲害的人
每天早上五六點鐘，陳昊就會來到位于多倫多大學電氣與計算機工程系的實驗室，穿上防護服，帶上手套、護目鏡，開啟一天的工作。
清洗導(dǎo)電基底、稱量藥品、旋涂空穴傳輸層和鈣鈦礦層、蒸鍍電子傳輸層……時間很快到了中午。吃完自帶的午餐，休息半小時，他繼續(xù)完成最后一層金屬電極的蒸鍍，然后在下午五點前完成這批器件的性能測試。晚上要整理數(shù)據(jù)，根據(jù)當天的測試記錄，看看次日需要做哪些改進來優(yōu)化下一批器件。
“一天差不多做18到20個器件（一個器件里還有8個小電池）。一個星期工作5天，周五開小組會，周天休息，平均下來一個月差不多有400個器件，一年在5000個器件左右。”網(wǎng)絡(luò)另一頭，陳昊給《中國科學報》記者計算著，這正是過去一年發(fā)表Nature論文前他的工作量。
陳昊在實驗室
這個工作強度，其實遠沒有2019年陳昊初到Sargent實驗室時那么瘋狂。
彼時，在博士生導(dǎo)師、上海科技大學寧志軍教授的推薦下，陳昊受國家留學基金資助，到“導(dǎo)師的導(dǎo)師”Sargent教授的實驗室做聯(lián)培博士。這是陳昊夢寐以求的機會。
Sargent是材料學和光子學領(lǐng)域的“大咖”。迄今，除了在NS正刊上發(fā)表30篇論文，他的實驗室所發(fā)表的Nature系列文章達到140篇，相關(guān)引用量超過10萬次。他還是3家技術(shù)公司InVisage Technologies、QD Solar和Xagenic的創(chuàng)始人，以及美國科學促進會會士、美國電氣和電子工程師協(xié)會會士，并擔任多個學術(shù)期刊的審稿人。
每年，搶著到這位“大牛”的實驗室學習和工作的年輕人都會擠破頭。而畢業(yè)院校、導(dǎo)師、所發(fā)表的文章都會成為競爭的砝碼。
“雖然有寧老師的推薦，我當時在國內(nèi)也發(fā)過2篇文章，但想留在這個實驗室還是不夠。”陳昊回憶，實驗室其他人“幾乎人手至少一篇Nature大子刊”，這讓他羨慕不已。文章是科研人的通行證，好的課題組更容易發(fā)好文章，此時他便下定決心一定要留下來做博后。
和一群強者競爭，憑什么取勝呢？
鼎盛時期的Sargent實驗室博士、博士后人數(shù)過百，一個小組有十多號人，實驗儀器有限，競爭壓力很大。“天分不夠，那就努力來湊。”自知各方面跟其他人相比還有很大差距，陳昊便充分利用實驗室儀器的空閑時間 “瘋狂刷器件”，一星期7天朝六晚十都泡在實驗室，聯(lián)培博士一年基本沒出去玩過。
“做不了團隊里面最優(yōu)秀的那個，那就做最努力的那個吧。”他這么想。
那時，每天他都能完成一到兩批器件的制備，最后用一年時間讓研究組的反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池達到了世界最高效率。這讓他有勇氣向Sargent申請做博士后，經(jīng)過面試，最終拿到了通行證。
現(xiàn)在，陳昊每周會給自己放一天假，陪伴愛人，幫著照顧剛出生的寶寶。其他時間，他仍然很拼。
陳昊與妻子
“在這邊，我們的合同都是一年一簽。這既給了我們?nèi)チ舻淖杂?，也給了我們較大的壓力，需要一直努力才能順利簽下下一年的合同。”陳昊說，“這很辛苦，但我覺得很值。大牛組的成員都來自全球優(yōu)秀高校和課題組，不同的人帶來了不同的知識碰撞，視野也會更開闊。”
至今，陳昊已經(jīng)研究了6年的鈣鈦礦太陽能電池，手底下刷過近5萬件器件。熟能生巧，他做一個器件無需多想，下一步要做什么就能手到擒來。他也是現(xiàn)在實驗室做器件做得最快的人。
在很多人眼中一次次重復(fù)同一個過程無疑枯燥又單調(diào)，但陳昊覺得“挺有趣”。他很享受這個過程，特別是每次看到一批新器件性能提升的瞬間，他心底會無比滿足。
創(chuàng)紀錄的性能
今年11月15日，陳昊發(fā)在Nature的處女作，被認為實現(xiàn)了“創(chuàng)開路電壓和效率紀錄的串聯(lián)鈣鈦礦太陽能電池”。這究竟是怎樣的創(chuàng)紀錄呢？
這里涉及到一個概念——鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。2009年，日本科學家Tsutomu Miyasaka制備了第一個鈣鈦礦太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率僅為3.8%，而彼時晶硅電池實驗室轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達到了18%左右。
僅僅13年過去，鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到28%，超過了目前效率最高的晶硅技術(shù)的效率（26.8%）。
光吸收系數(shù)高，成本低，這讓鈣鈦礦電池被認為是“未來之星”，近年來研究十分火熱。
陳昊向記者介紹，理論上，單節(jié)鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率可以達到30%以上，但其近幾年發(fā)展已進入瓶頸，光電轉(zhuǎn)換率自2020年至今維持在25%左右。疊層電池隨之走入視野，成為當前實驗室記錄的保持者（這個紀錄目前由南京大學譚海仁教授課題組保持）。
據(jù)介紹，疊層電池由兩個子電池串聯(lián)組成，一個是寬帶隙，一個窄帶隙。光先經(jīng)過寬帶隙，紫外-可見光會被寬帶系子電池吸收，再經(jīng)過窄帶隙，吸收寬帶隙無法吸收的光，從而達到更高效率。
陳昊和合作者的研究重點放在提升寬帶系器件的電壓上，這是決定寬帶系器件性能的一部分。他們發(fā)現(xiàn)，帶隙越寬，電壓損耗越大，性能越差，很難制備穩(wěn)定高效的寬帶系鈣鈦礦太陽能電池電池。進一步研究中，他們發(fā)現(xiàn)表面電位不均勻和鈣鈦礦電子傳輸層能量排列不良導(dǎo)是致器件過高的電壓損失主要原因。
他們通過引入1,3-丙二胺碘鹽來處理寬帶系鈣鈦礦薄膜表面，改善了鈣鈦礦表面和電子傳輸層界面處的接觸電勢，有效抑制了電壓損失，實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的性能：經(jīng)美國可再生能源實驗室（Nrel）認證，帶隙為1.79 eV的寬帶系鈣鈦礦器件取得了1.33 V的開路電壓和19.3%的光電轉(zhuǎn)化效率。
將這一底層技術(shù)用到疊層器件之后，疊層器件的電壓可以達到2.19 V，并且取得了27%以上的高光電轉(zhuǎn)換效率，Nrel認證的效率為26.3%，這是世界上第一個通過Nrel認證且超過單節(jié)鈣鈦礦器件效率的疊層器件。
陳昊在實驗室
“一個鈣鈦礦電池的效率由三部分組成：電壓、電流、填充因子，目前這三者都沒有達到最優(yōu)水平，優(yōu)化任何一個值都可以提升其效率。”陳昊介紹，其中電壓問題是目前最具挑戰(zhàn)性的問題，其理論極限值在2.45V以上，下一步他希望進一步改進寬帶隙，通過提升其電壓來提升性能。
到目前為止，陳昊已經(jīng)取得了好幾個世界紀錄。
今年4月份，陳昊同樣以共同第一作者（排第一）的身份在Nature Photonics期刊上發(fā)表了認證效率達到23.9%的反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦器件的文章，這是當時穩(wěn)態(tài)認證的世界紀錄。前不久又經(jīng)過Nrel的認證，取得了24.3%的認證效率，再一次刷新了反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦器件的世界紀錄。
“越努力越幸運，發(fā)文章有時候很需要運氣，但是只有手里面有好成果，運氣才能幫忙，機會永遠是留給有準備的人。”陳昊說。
成為論文“收割機”
那么，Sargent實驗室又如何成為別人眼中的頂刊論文“收割機”呢？身在其中的陳昊揭開了其背后的神秘面紗。
據(jù)介紹，目前Sargent本人已在美國西北大學創(chuàng)建新實驗室，其多倫多大學留下的團隊依然有70多人。其中，博士生與博士后分別達到25與43人。
Sargent沒有三頭六臂，卻能遠程遙控，把一個如此龐大的實驗室運行得井井有條。據(jù)介紹，Sargent課題組各方面都有專門的負責人，新人來了有專人帶著熟悉環(huán)境，進行儀器培訓，能夠盡快進入科研狀態(tài)；儀器有專人維修，使實驗室每天都處于正常運行狀態(tài)；課題組有充裕的科研經(jīng)費，沒有后顧之憂。
“每個組有Leader。Leader的科研能力非常強，我們每個星期五都會開組會，他們會給出很多很好的建議。如果你對一個課題有興趣，也可以先跟Leader討論，他覺得可以就會匯報給教授，隨后會收到教授具體的建議。”陳昊說，他本人就曾得到如今的新加坡國立大學助理教授侯毅和西北大學研究助理教授陳斌的很多幫助。
即便是“遙控”，Sargent每個月也會給每個組員的研究提出具體建議。陳昊印象中，Sargent的知識面非常廣，包括光學、催化、探測器、激光等四五個大方向，每個方向他都能提出很獨特的見解。
Sargent對實驗室每篇論文的要求都極其嚴格。一篇文章在發(fā)表前，他會先要求組員反復(fù)修改，然后自己再修改，才能投出去。
“作為很多期刊的審稿人，他知道一篇大文章需要什么樣的標準。”陳昊說，“首先，不能讓別人質(zhì)疑我們的研究結(jié)果；其次，要讓人覺得這項工作確實是值得發(fā)表。”
團隊合影
“學生內(nèi)部也有人因為文章放在手里發(fā)不出去而焦慮，但他覺得如果說連內(nèi)部的標準都達不到，那就不要發(fā)了。”
其實，能夠進入該實驗室的成員都是非常優(yōu)秀的，這無疑是其保持高質(zhì)量產(chǎn)出的另一個因素。“大家都很勤奮，又能互相幫助與合作，充分利用各自優(yōu)勢，發(fā)一篇文章其實很快。”陳昊說，“比如有的人器件做得好，有的人表征做得好，有的人文章寫得好，大家擰成一股繩，花一年時間可以完成別人好幾年做的東西。”
在這個團隊里，陳昊也能看到自己身上的不足。他覺得國內(nèi)博士做事很積極，但大部分時間用在做實驗上，理論知識相對比較欠缺。這也讓他對如何彌補自己的不足有了更清晰的規(guī)劃。
“畫餅”
談起現(xiàn)在的訪學生活，陳昊用“痛并快樂著”來形容。
生活壓力就是“痛”的一個方面。陳昊博士后的“薪水”一個月到手在3600加元左右（約1.84萬元人民幣），單是房租一個月就要2000多加元。寶寶的到來給小兩口帶來歡樂，也增加了一筆開支。三口之家節(jié)儉度日，剛能覆蓋生活。
“科研上我是一個合格的工作者，但家庭上是一個不合格的丈夫。只能盡量去平衡，沒法得到很好的兼顧。”陳昊的語氣里有點遺憾。
去年，當他前往加拿大的時候，愛人選擇放棄“鐵飯碗”（上海一所高中的在編教職），跟他伴讀。他每天早出晚歸做實驗，愛人就把家務(wù)活全搞定。愛人懷孕期間，他也很少時間在家陪伴。
無論是手頭的拮據(jù)，還是科研的壓力，都沒有影響小家的歡樂氛圍?？蒲猩系拿恳稽c進展，孩子成長的每一個小細節(jié)，他和愛人都會彼此分享，讓家里充滿樂觀向上的活力。
陳昊與妻子、孩子
“一個人的心態(tài)是非常關(guān)鍵的，其實我們已經(jīng)算不錯的了。我們組的博后工資在整個加拿大體系里面應(yīng)該是最高的，我們來這邊也不是為了錢，夠生活就好，學到知識和發(fā)好文章才是最終目的。”陳昊說。
有時，愛人也會有點情緒，擔心他們回國之后找不到合適的工作，這時陳昊總會給愛人“畫餅”：“你看我們工作做得好，文章發(fā)得好，回去肯定有很好的發(fā)展空間。”
未來，陳昊內(nèi)心深處希望在祖國大地上發(fā)光發(fā)熱。
作為一個從湖南郴州農(nóng)村走出來的大學生，他感覺人生每個階段的生活都在向上走。國內(nèi)科研水平、設(shè)備、資助都已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，他內(nèi)心深處有著強烈的歸屬感。
但要成為一名獨立的博士生導(dǎo)師，要建立自己的實驗室，他還需要“攢一些資本”，獲得更好的發(fā)展機會。
訪學之旅已經(jīng)走完了一半，多倫多大學的博后合同將在明年4月底結(jié)束，之后他會跟隨Sargent前往美國西北大學做研究，2024年左右開始在國內(nèi)尋找教職。
“西北大學的材料、化學專業(yè)都非常厲害，‘大佬’也非常多，這將會是一個非常好的機會，借此我可以完善自己的知識體系為回國發(fā)展做準備。”他說。
為太空衛(wèi)星供電，給汽車提供動能，將相關(guān)柔性電池用于衣物保暖或制冷……在他看來，未來太陽能鈣鈦礦電池大有可為。今后5到10年，即使不能完全商業(yè)化，至少可以在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05541-z
標簽： Nature
