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如何更方便地利用太陽(yáng)能？我國(guó)一項(xiàng)最新的科研成果以獨(dú)創(chuàng)性的思路回答了這個(gè)世界矚目的問(wèn)題。

3月26日，《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了西北工業(yè)大學(xué)黃維院士團(tuán)隊(duì)的研究成果《室溫、高濕度穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池》，原南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生惠煒、西北工業(yè)大學(xué)博士研究生晁凌鋒及南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生蘆薈為共同第一作者，3人平均年齡26.3歲。

該團(tuán)隊(duì)提出以一種多功能的“離子液體”作為溶劑來(lái)替代傳統(tǒng)的有毒有機(jī)溶劑制備鈣鈦礦光伏材料，用這一方法制備的材料具有穩(wěn)定性好、效率高、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)鈣鈦礦光伏材料制備過(guò)程中的世界性難題，實(shí)現(xiàn)了光伏領(lǐng)域的重大突破。這項(xiàng)成果對(duì)于整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，乃至全球的鈣鈦礦光伏材料研究領(lǐng)域，都是里程碑式的成就。

科技“無(wú)人區(qū)”探險(xiǎn)，需堅(jiān)持再堅(jiān)持

“其實(shí)我之前都差點(diǎn)放棄了。”惠煒告訴記者，這項(xiàng)研究成果得來(lái)殊為不易。惠煒1995年出生于陜西農(nóng)村的一個(gè)普通家庭，這項(xiàng)成果在《科學(xué)》雜志在線發(fā)表當(dāng)天，正好是他的26歲生日。“這是最難忘的生日禮物！”惠煒激動(dòng)地說(shuō)。

當(dāng)前，解決不斷增長(zhǎng)的能源需求與可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾是各個(gè)國(guó)家的共同目標(biāo)，“碳中和、碳達(dá)峰”更是成為我國(guó)“十四五”污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的重要內(nèi)容。而在清潔能源的使用中，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的高效利用早已成為學(xué)術(shù)界的焦點(diǎn)，其中鈣鈦礦光伏材料作為一種高效、低成本的太陽(yáng)能電池材料被研究者寄予厚望。

事實(shí)上，鈣鈦礦光伏材料的制備已有不少既有思路，但現(xiàn)有成果存在制備條件苛刻、成本高、不穩(wěn)定等諸多局限，用簡(jiǎn)單方法制備鈣鈦礦光伏材料屬世界難題。黃維團(tuán)隊(duì)成員之一、惠煒的導(dǎo)師、南京工業(yè)大學(xué)教授陳永華說(shuō)：“我們一開始就跳出了鈣鈦礦光伏材料制備的傳統(tǒng)思路，希望把大家認(rèn)為不可能的事變成可能，走出一條自己的路。”

陳永華通俗地解釋說(shuō)，為了在保證高效的前提下，開發(fā)出一條更加簡(jiǎn)便的、低成本的鈣鈦礦光伏材料研發(fā)路徑，團(tuán)隊(duì)一直在尋找一種“神奇”的溶劑，這樣就可以用簡(jiǎn)單的溶液法在溫和的條件下制備出高效的鈣鈦礦光伏材料，目的是降低制備門檻，方便日后在工業(yè)中大規(guī)模推廣應(yīng)用。

“但這在科學(xué)界看來(lái)是不可能的事情。”陳永華說(shuō)，因?yàn)殁}鈦礦光伏材料極易變性，所以此前的研究都顯示需要很苛刻的制備條件，團(tuán)隊(duì)竟然試圖用簡(jiǎn)單的溶液法進(jìn)行制備，可謂難上加難。

原創(chuàng)的路什么樣？到底能不能走通？誰(shuí)都不知道。從2015年開始，該團(tuán)隊(duì)在科技“無(wú)人區(qū)”摸爬滾打。2018年，惠煒加入團(tuán)隊(duì)，帶著迎接未知挑戰(zhàn)的興奮和迷茫上路了。

“我用半年時(shí)間嘗試了各種方法，沒(méi)有任何進(jìn)展。每天早晨，我都是滿懷信心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，到晚上垂頭喪氣離開。”惠煒一方面被失敗反復(fù)折磨，一方面面臨研究生畢業(yè)的壓力，“我想放棄了”。有天，惠煒走進(jìn)陳永華的辦公室，提出想換一個(gè)簡(jiǎn)單點(diǎn)的課題。

“陳老師鼓勵(lì)我說(shuō)：我們總是重復(fù)別人的工作也沒(méi)有意義，還是得做些原創(chuàng)性工作，是不是？再堅(jiān)持堅(jiān)持！”惠煒從陳永華那里重獲了一些信心和新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路，“那就再堅(jiān)持堅(jiān)持吧！”

“突然有一天下午，我成功了！當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了22%！”惠煒說(shuō)，這一初步實(shí)驗(yàn)成果已接近此前國(guó)外學(xué)者用苛刻條件制備鈣鈦礦材料的最高效率記錄，這意味著解決了核心問(wèn)題——神奇的溶劑找到了！

在“羊群”中放入“牧羊犬”，一石三鳥

神奇的溶劑到底是什么？

要解決制備工藝的問(wèn)題，研究者探尋的是一種環(huán)境友好、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可調(diào)和的溶劑，而惠煒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的離子液體溶劑便是這樣一種“四兩撥千斤”般的存在。

“離子液體就像是草原上的‘牧羊犬’，在‘羊群’也就是鈣鈦礦的分子成分中起到了發(fā)號(hào)施令、排兵布陣的作用，它穩(wěn)定隊(duì)形后便無(wú)聲退出了。這個(gè)新隊(duì)形就是我們想要得到的鈣鈦礦電池的穩(wěn)定性。”研究團(tuán)隊(duì)“大師兄”晁凌鋒形象地解釋道，這樣就破解了材料極易變性的難題。

陳永華介紹，將離子液體溶劑引入制備過(guò)程后，鈣鈦礦光伏材料的制備過(guò)程變得非常簡(jiǎn)單，且整個(gè)過(guò)程完全可以在空氣中和高濕度的環(huán)境下進(jìn)行，更令人驚喜的是，通過(guò)這一工藝制備的鈣鈦礦材料穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)化率都大大增加，“可謂是一石三鳥”。

“第一次實(shí)驗(yàn)成功之后，陳老師立刻趕到實(shí)驗(yàn)室，我們又重復(fù)了一次。大家一直笑、一直笑……”現(xiàn)在回想起當(dāng)時(shí)的情景，惠煒總結(jié)道：“科學(xué)的魅力在于未知，盡管探索的過(guò)程很艱難。”在晁凌鋒看來(lái)，“這絕不是一時(shí)運(yùn)氣，而是團(tuán)隊(duì)日復(fù)一日的堅(jiān)持和不斷創(chuàng)新的結(jié)果。”

“基礎(chǔ)科研就是要做別人沒(méi)有做過(guò)的東西，要產(chǎn)生引領(lǐng)性成果，讓全世界跟著我們?nèi)プ觥?rdquo;黃維院士經(jīng)常對(duì)團(tuán)隊(duì)說(shuō)：“原始創(chuàng)新是從‘0到1’的突破，常常意味著漫長(zhǎng)而艱難的探索，但卻可能產(chǎn)生顛覆性的變革，帶來(lái)顛覆性的技術(shù)和產(chǎn)品。”

原始創(chuàng)新之路從不平坦。是什么力量為團(tuán)隊(duì)注入了源源不斷的動(dòng)能？“要敢于在原始創(chuàng)新的無(wú)人區(qū)中尋寶。黃維院士告訴記者，走入科研的“無(wú)人區(qū)”，考驗(yàn)著科研工作者的能力水平，也體現(xiàn)著科學(xué)報(bào)國(guó)的初心與情懷。

“我們所做的，正是堅(jiān)定不移走中國(guó)特色自主創(chuàng)新的道路。”黃維說(shuō)，一要超前謀劃，獨(dú)辟蹊徑，開辟一個(gè)領(lǐng)域；二要牽住“牛鼻子”，對(duì)偶然現(xiàn)象多加思考，攻克薄弱環(huán)節(jié)；三要“非對(duì)稱”趕超，在“卡脖子”的地方下大功夫。 

原標(biāo)題：黃維院士團(tuán)隊(duì)攻克光伏材料領(lǐng)域世界性難題