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热播:小本”的“顶级SCI”诞生记

——北理工“新时代 新作为”之人才培养系列报道

供稿: 党委宣传部 吴楠 摄影: 新闻中心 郭强 编辑: 吴楠
(2018-09-15) 阅读次数:
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  能源危机和环境污染问题已成为阻碍经济发展的首要问题,也是世界各国关注的焦点。在众多新能源技术中,太阳能电池(也称为太阳能发电技术或光伏发电技术)成为最具有应用前景的方向之一。随着光伏发电技术的迅速发展,杂化卤化物钙钛矿成为最有希望的新一代光伏材料。

  在不到八年的时间里,钙钛矿太阳能电池获得了22.7%的光电转换效率,其性能已超过了多晶硅太阳能电池,被《Science》杂志评选为2013年度十大科技突破之一,并被誉为“光伏领域的新希望”,受到诸多科研人员的青睐。在这其中,就有一位年仅22岁,来自北京理工大学材料学院材料化学专业的2015级本科生李宗麒,在导师的指导下,凭借自己的勤奋与努力,在钙钛矿太阳能电池研究领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“青年千人”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。

兴趣的“种子”在北理工落地生根

  高中时期,李宗麒就对清洁能源及太阳能电池相关领域有着浓厚的兴趣,他通过网络慕课平台,自学了国外该领域的最新研究技术与研究进展,由于当时国内慕课的发展还不完善,李宗麒的自学主要是通过慕课平台来进行。“全英文的授课形式对当时的自己来说是一个很大的挑战,为了达到更好的学习效果,每次听课前我都会提前预习课程内容,以便在听课过程对所学的知识有更深刻地理解。我想这就是兴趣的力量。”李宗麒说到。即便是在备战高考期间,李宗麒也挤出时间继续学习,积累大量的该领域知识,为他升入大学进入实验室开展课题研究,打下了良好的基础。

  2015年,怀揣着这颗“太阳能电池”兴趣的种子,李宗麒如愿成为了北京理工大学材料学院材料化学专业的一名本科生,而学校的人才培养模式,更为这颗种子的生根发芽提供了沃土。在学校每年秋季的实践学期,各个学院会根据不同专业学科方向的特点,为学生量身定制相应的实践课程。

  李宗麒所在的材料化学专业,会要求学生们提前进入实验室,深入了解各个科研方向,挖掘自己的兴趣点及潜在科研能力。这种实践课程的设置,让李宗麒觉得有一点“小兴奋”。他积极咨询实验室里各个课题组的研究方向,在了解到陈棋教授课题组目前正在重点关注钙钛矿太阳能电池的产业化研究后,他主动与陈棋教授沟通交流,并于大二下学期正式进入课题组,在陈棋教授的指导下,正式进入到叠层钙钛矿太阳能电池生产成本的研究中。从此,李宗麒正式开启了良乡校区上课、中关村校区做实验的两校区“奔波”模式。

纸上得来终觉浅 绝知此事要躬行

  “最初进入实验室的时候,我依旧把主要精力放在学习基础知识上,认为只有具备了足够的基础知识才能对实验本身有足够的理解。”李宗麒沿用之前的学习模式,继续通过Edx、Coursera、MIT等网络公开课,学习半导体和太阳能电池的相关领域知识。然而,由于理论知识过于抽象,李宗麒逐渐意识到,学习中遇到的一些问题,并不能完全从理论课程中找到解决方法,从而导致科研进展缓慢。为此,李宗麒和指导教师进行了深入地交流,“陈老师为我指定了一位课题组组长,要求我协助学长完成实验内容,熟悉实验的操作流程,在实践过程中发现问题并尝试解决。”陈棋教授为李宗麒提供了新的思路。

图中左为李宗麒、右为指导教师“青年千人”陈棋教授

  “在制备实验中要用到的有机试剂时,需要提前对其进行提纯,理论上,应该是提纯次数越多试剂越纯净,可是实际操作中并非这样。”在实际操作中,提纯次数越多,试剂反而更易受到外界环境的氧化进而被腐蚀,这些从实践中总结的小经验,是书本上的理论知识无法取代的。“在实验过程中,除了锻炼自己的操作技能外,还可更好地将理论知识与实践经验相结合,对所研究的课题内容有了更直观地认识和更深刻地理解。”李宗麒豁然开朗。

  通往成功的路上,往往还需要克服困难的毅力与恒心。在李宗麒最初收到《Joule》期刊审稿人意见时,受到了不小的“打击”,这份意见涉及到计算模型的更改、研究对象的替换、所有数据基础的确认与更新、补充信息的修改、实验数据图表的重新绘制、文章陈述的修改等等。在大多数人眼中,在一个月的规定时间内完成修改,几乎不可能。但是,李宗麒和团队的伙伴们没有放弃,而是迅速制定工作计划,全身心投入到文章的修改工作中。“让我印象最深的一次是对新的计算模型进行设计,从晚上11点开始,我们通宵工作,直到第二天下午2点与陈老师讨论确认后,才回到宿舍休息。虽然辛苦,但是在两周内,我们就重新确定了计算模型、研究对象和核心数据与假设,为文章的修改打下了很好的基础。”李宗麒回忆到。

  寒假期间,李宗麒依旧每天按照已定工作进度,完成对每个研究对象的成本计算以及成果图制作,这样的状态一直持续到春节。“在大年三十的晚上,陈老师还在通过电话和我确认实验数据的合理性。”对于陈棋老师的倾心指导,李宗麒心怀感恩。

“小本”发出“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。

  钙钛矿材料由于其带隙可调,所以能够和不同吸光材料组合起来,成为具有优异光电性能的叠层电池材料。研究表明,通过调节钙钛矿吸光层的带隙,钙钛矿/晶硅太阳能电池和钙钛矿/钙钛矿太阳能电池的理论光电转换效率分别可达到39%和34%。

图1(A)为PERC多晶硅电池材料组成;(B)为单结钙钛矿电池材料组成;(C)为钙钛矿/晶硅叠层电池材料组成;(D)为钙钛矿/钙钛矿叠层电池材料组成。

  在太阳能电池材料领域,通常用平准化度电成本(LCOE)来衡量发电实体在系统寿命周期内单位发电量所消耗的成本,这是决定发电技术能否商业化的成本估算标准。而对于钙钛矿叠层技术的太阳能电池材料,尽管存在商业化的可能性,但是目前尚未有相关的LCOE测算方法和研究。而李宗麒及其合作者,正是针对这一空白,采用“自下而上的成本模型”,对钙钛矿光伏组件的制备成本进行估算,并进一步计算光伏系统的LCOE。他们在特定的假设下,通过比较四个有代表性的光伏组件(图1),研究发现钙钛矿光伏组件的材料成本要低于多晶硅光伏组件。

图2(A)为四种器件的LCOE(美分/千瓦时);(B-E)为四种器件的LCOE组成细分。

  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论文的诞生过程,李宗麒觉得自己很幸运。“虽然经历过实验的失败,但是都能在陈老师的指导下,及时寻找到解决问题的方法,遇到困难时,可以得到老师和课题组小伙伴们的帮助,心中又充满力量。”李宗麒说:“在本科阶段能够提前进入实验室,不仅可以在科研中拓展解决问题的思路,也锻炼了自身的团队协作能力,这对于今后的科研工作,受益良多。”

  “本科生提前进入实验室,可以通过实践为知识找到出口,这是知识内化最有效的手段之一。同时,在实践中提高学生的科研鉴赏力,拓展视野和格局,这为培养一流的复合型人才奠定了重要的基础。”在谈到学生本科阶段进入实验室的培养模式时,陈棋教授这样说到。


(审核:蔺伟、张青山)

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