語音播報
劉文柱?受訪者供圖
“真正解決實干中的問題,滿足國家最緊迫的需求。”這是中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所(以下簡稱上海微系統(tǒng)所)研究員劉文柱不變的初心。
年僅34歲的劉文柱已專注太陽電池研究12年,由他主導開發(fā)的柔性單晶硅太陽電池打破了業(yè)界對單晶硅技術(shù)的固有認知,為全球光伏領(lǐng)域的研究指明了方向。該成果已被用于我國多個型號的太陽能無人機和浮空器平臺,以及南極科考可再生能源系統(tǒng),并在許多戰(zhàn)略場景中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
日前,獲得第二屆“中國科學院青年五四獎?wù)隆钡膭⑽闹鶎τ浾哒f,他對自己有兩個要求:第一,做原創(chuàng)研究,而非追隨他人腳步;第二,瞄準工程上遇到的真實問題,而非為了發(fā)表論文去“制造”問題。
科研靈感源于生活
單晶硅太陽電池發(fā)明近70年來,光伏領(lǐng)域的科學家一直有個共識,即單晶硅材質(zhì)很“脆”,柔韌性差,容易斷裂,這限制了單晶硅太陽電池的應(yīng)用場景。
“那些做薄膜太陽電池的人,為了突出其重要性,總會用一頁PPT強調(diào)‘單晶硅太陽電池無法進行柔性應(yīng)用’?!眲⑽闹f。
這一固有認知最終被劉文柱團隊打破了。2023年5月24日,劉文柱等人在《自然》發(fā)表封面論文,宣布能夠彎曲超過360度的柔性單晶硅太陽電池誕生。
時隔一年,劉文柱參加光伏展會時發(fā)現(xiàn),柔性單晶硅太陽電池這一成果已經(jīng)引領(lǐng)了光伏領(lǐng)域的風潮,各大公司甚至專門成立事業(yè)部對其進行開發(fā)。
那么,劉文柱團隊是如何把“脆脆的”硅片變軟的?答案是,他們開發(fā)了一種全新的邊緣圓滑處理技術(shù)。而這竟是劉文柱從生活小事中獲得的啟發(fā)。
“我們都知道,陶瓷盤子摔在地上會碎,但如果運氣好,盤子只會出現(xiàn)裂紋而不會碎。我發(fā)現(xiàn)裂紋總是從邊緣開始出現(xiàn),那么硅片的斷裂也是如此嗎?”
劉文柱迫不及待想要弄清楚硅片斷裂的全過程。于是,他請研究流體力學的師弟楊自強對硅片斷裂的瞬間進行逐幀分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),硅片的力學短板就在其邊緣。受此啟發(fā),劉文柱團隊將硅片的邊緣進行圓滑處理,既能提升其柔韌性,又能保證電池效率不下降。
劉文柱告訴《中國科學報》,日常生活就是他科研靈感的寶庫,對于具有科學敏感性的人來說,對生活細微的觀察和獨特的思考常常引發(fā)創(chuàng)新的突破。
比如,走在路上時,劉文柱會想:為什么不把路燈上的太陽能電池板面積做大,使其接收更多陽光、發(fā)電能力更強呢?他又想到了限制太陽能電池板面積的原因——在大風天氣下容易被掀翻,甚至把路燈桿壓斷。解決這一問題的方法就是把電池板做成柔性纏繞在路燈桿上,360度接受陽光照射,從而延長發(fā)電時間。這就是那期《自然》封面圖片靈感的來源。
時時在思考,處處靈感來。或許,這就是科研人員最好的狀態(tài)。
扎根太陽電池研究12年
2012年,在山東大學物理學院讀大四的劉文柱即將本科畢業(yè)。在開展畢業(yè)設(shè)計時,劉文柱跟隨導師林兆軍,在實驗室做起了太陽電池。他越做越覺得有意思,從此與太陽電池“結(jié)緣”。
當時,劉文柱做的是染料敏化太陽電池,與他現(xiàn)在研究的硅太陽電池是完全不同的種類。由于染料敏化太陽電池效率低,且液態(tài)電解質(zhì)容易泄漏,對土壤和水造成不可逆的損害,已逐漸隨技術(shù)的進步而被淘汰。
本科畢業(yè)后,劉文柱來到上海微系統(tǒng)所碩博連讀。在此期間,導師劉正新給了他最大的自由和無條件的支持,這也影響到劉文柱做導師后帶學生的風格。劉文柱常說:“激發(fā)年輕人的創(chuàng)造力,關(guān)鍵是要給他們充分的自由。”
而在沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學從事博士后研究的經(jīng)歷,更是帶給了劉文柱不一樣的人生體驗。該“網(wǎng)紅學?!本o鄰海邊,劉文柱經(jīng)常與同學一起在海邊散步,還會開車去沙漠露營、看星星。學校分配給劉文柱的“宿舍”是500平方米的別墅,他時常在周末邀請不同研究領(lǐng)域的朋友一起做飯、聊天,這奠定了劉文柱與不同領(lǐng)域研究者密切溝通、交叉合作的基礎(chǔ)。正如劉文柱所說,“單打獨斗的時代早已過去,交叉合作才更容易創(chuàng)新”。
從沙特回國后,劉文柱繼續(xù)在上海微系統(tǒng)所從事科研工作。扎根太陽電池領(lǐng)域12年,劉文柱見證了該產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,更對中國光伏產(chǎn)業(yè)的未來充滿信心。
“我經(jīng)常聽到有人說,中國的太陽電池是勞動密集型產(chǎn)業(yè),靠的是人力資源成本低,這種說法是完全錯誤的,透著對光伏產(chǎn)業(yè)的無知?!眲⑽闹鶕u著頭說。
他向《中國科學報》介紹:“10多年來,中國光伏發(fā)電的成本降至不到原來的1/20,遠低于火力發(fā)電。中國光伏無論是科學研究還是產(chǎn)業(yè),都在世界上遙遙領(lǐng)先?!?/p>
劉文柱表示,如今,人工智能等更多新技術(shù)不斷與光伏產(chǎn)業(yè)融合。國家將發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性問題,無論從能源安全還是民生問題上來講,都具有重要意義。
目前,占據(jù)90%以上市場份額的單晶硅太陽電池,其效率逐漸逼近理論極限,科學家正在尋找新出路。劉文柱表示,未來一段時間,單晶硅太陽電池仍將占據(jù)市場主流,但再往后將是單晶硅和其他材料疊加在一起的多結(jié)太陽電池的天下。
好心態(tài)助力科研
在研究過程中,劉文柱遇到過許多意想不到的困難,但他坦言,自己并未經(jīng)歷過所謂“低谷期”。
這與劉文柱的心態(tài)有關(guān)。每每遇到困難,他不僅不會沮喪,反而感到高興。他認為,如果一項研究很容易完成,那么其科學品味一定不高,這樣的研究“誰都能做”,沒有挑戰(zhàn)性。
劉文柱經(jīng)常告訴學生:“一個好的研究課題,不是你在開始時就能預(yù)測到結(jié)果,相反,真正的發(fā)現(xiàn)往往發(fā)生在結(jié)果與預(yù)期不符的時刻。這些時刻標志著你站在了知識的邊界上,再拿一根針往前刺一刺,就能夠邁出一大步?!?/p>
2022年5月,劉文柱及其學生在《自然》子刊發(fā)文。他們發(fā)現(xiàn)了摻雜非晶硅薄膜中的反常Staebler-Wronski效應(yīng),并詳細解釋了背后的物理原因。這個發(fā)現(xiàn)就來源于一次實驗中的“意外”——大多數(shù)材料被太陽光照射后,導電性能會下降,而劉文柱的學生在做實驗時發(fā)現(xiàn),光照竟提升了試驗材料的導電性能。他們“揪住”這個反常現(xiàn)象,重復(fù)多次實驗,最后才獲得了突破性發(fā)現(xiàn)。
劉文柱的好心態(tài)不僅體現(xiàn)在困難面前。在如今“越來越卷”的學術(shù)環(huán)境下,許多年輕人每年都會發(fā)表大量論文以保持高產(chǎn)出。劉文柱則選擇了另一條道路——在他博士后出站回國4年多的時間里,僅發(fā)表了3篇論文,但他每年只專注于一項研究。
對劉文柱而言,成就感的真正來源并不是論文的產(chǎn)出或榮譽的加持,而是做出顛覆性科研成果?!白龅煤貌缓茫约盒睦镒钋宄??!?/p>
“追隨自己的興趣,結(jié)合國家的發(fā)展戰(zhàn)略,只要在正確的方向上保持熱情和執(zhí)著,終將有所成就”,這是他對當下年輕科研人員最誠摯的建議。
© 1996 - 中國科學院 版權(quán)所有 京ICP備05002857號-1 京公網(wǎng)安備110402500047號 網(wǎng)站標識碼bm48000002
地址:北京市西城區(qū)三里河路52號 郵編:100864
電話: 86 10 68597114(總機) 86 10 68597289(總值班室)
編輯部郵箱:casweb@cashq.ac.cn
© 1996 - 中國科學院 版權(quán)所有 京ICP備05002857號-1 京公網(wǎng)安備110402500047號 網(wǎng)站標識碼bm48000002
地址:北京市西城區(qū)三里河路52號 郵編:100864
電話: 86 10 68597114(總機) 86 10 68597289(總值班室)
編輯部郵箱:casweb@cashq.ac.cn
© 1996 - 中國科學院 版權(quán)所有
京ICP備05002857號-1
京公網(wǎng)安備110402500047號
網(wǎng)站標識碼bm48000002
地址:北京市西城區(qū)三里河路52號 郵編:100864
電話:86 10 68597114(總機)
86 10 68597289(總值班室)
編輯部郵箱:casweb@cashq.ac.cn