说到这些年,最“网红”的90后科学家,那么刘明侦是一个绕不开的人物,1990年出生的她,在2018年成为中国电子科技大学材料与能源学院副院长,要知道中国电子科技大学可是985高校,能够在电子科技大学执教,就已经需要很高的学历以及具有含金量的研究成果了。
刘明侦28岁成为副院长,自然引来了很多的争议,关于刘明侦的事迹很多,今天我们主要来聊聊刘明侦的研究成果。
刘明侦从事的科研领域主要是薄膜电池叠加新技术、钙钛矿太阳能电池以及新材料应用等方面,可以说和电子科技大学材料与能源学院专业十分对口。
刘明侦教授最突出的成就是在钙钛矿太阳能电池方面,太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”,是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到,瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。
1839年,法国物理学家A.E.贝克勒尔意外地发现,用两片金属浸入溶液构成的伏打电池,受到阳光照射时会产生额外的伏打电势,这种现象后来被称为光生伏特效应。
光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子(光波)转化为电子、光能量转化为电能量的过程;其次,是形成电压过程。有了电压,就像筑高了大坝,如果两者之间连通,就会形成电流的回路。
1883年,有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。也就是在这一年,第一块太阳电池由查尔斯.弗瑞兹制备成功。查尔斯.弗瑞兹用硒半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结,器件只有1%的效率。
Charles Fritts(查尔斯.弗瑞兹)和他的黄金太阳能电池
因为太阳能取之不尽,用之不竭,具有普遍、长久、无害、巨大等特点,是最好的能源,所以太阳能电池成为一个研究的热点,全世界共有136 个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中,其中有95 个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发,积极生产各种相关的节能新产品。
其中,太阳能发电最重要的是看其光电转换效率,在照射强度1000M/cm2,太阳能工作温度25℃±2℃的情况下,最大输出功率除以日照强度乘以太阳能电池板吸收光面积乘以100%,所得的结果就是光电效率。
截至目前,太阳能技术发展大致经历了三个阶段:第一代太阳能电池主要指单晶硅和多晶硅太阳能电池,其在实验室的光电转换效率已经分别达到25%和20.4%;第二代太阳能电池主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池。第三代太阳能电池主要指具有高转换效率的一些新概念电池, 如染料敏化电池、量子点电池以及有机太阳能电池等。
而钙钛矿太阳能电池就属于第三代太阳能电池,广义上的钙钛矿是指一类陶瓷氧化物,其分子通式为ABO3;此类氧化物最早被发现,是存在于钙钛矿石中的钛酸钙(CaTiO3)化合物,因此而得名。
钙钛矿太阳能电池被Science评为了2013年全球十大科学突破。因为这个材料的制备非常简单,而且价格低廉,硅晶太阳能电池的成本大约是每度电0.7美元,钙钛矿太阳能电池的成本约为每度电0.35美元。成本低,效率高,又轻又薄,商业价值巨大,可以说是大家梦寐以求的太阳能材料。近年,全球顶尖科研机构和大型跨国公司,都投入了大量人力物力,力争早日实现量产。
2013年,23岁的刘明侦在世界顶级杂志《自然》上发表了论文《关于钙钛矿太阳能电池制备工艺的研究》一文,该研究证明了钙钛矿太阳能电池工业化的巨大可能性,从而大力推动太阳能市场的发展。
这篇文章可以说是中国科学家史上最具含金量的论文之一了,,此篇论文Google学术目前引用量已超过3000次,成为钙钛矿太阳能电池领域内他引次数最高的三篇论文之一。直接帮助刘明侦入选了青年千人计划,然后成为了电子科技大学教授。
而刘明侦在接下来几年,一直着力于此方面的研究,2018年,刘明侦团队发表文章《新的非卤素铅合成长寿命高效率钙钛矿太阳电池》。
非卤素铅作为一类合成钙钛矿太阳电池吸收层的重要铅源,它具有,制作器件成本低、合成钙钛矿工艺简单、钙钛矿成膜性好等优点。
然而,非卤素铅相比较传统的碘化铅制备的钙钛矿太阳能电池,其效率还存在一定差距。为此,刘明侦团队引入一种新的非卤素铅—甲酸铅(纯度:>90%),采用无滴加反溶剂法制备致密、无孔洞的钙钛矿薄膜。该方式制备的钙钛矿薄膜的载流子寿命达到了微秒级,并且基于这种高质量的薄膜,组装成太阳能电池后,获得了18.4%的光电转换效率。
她还发表了论文《维度剪裁调控CsPbI_3无机钙钛矿相稳定性》,探讨用无机阳离子取代有机阳离子成为了一种解决稳定性问题的有效途径。
2019年刘明侦在论文上还发表了《Unveiling property and function of hydrolysis-derived DMAPbI3for caesium-based perovskite devices: composition engineering, defect mitigation, and stability optimization》一文。
有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池因结构简单,能量转换率高,低成本以及温和条件制备等优点,备受学术界的关注。但其存在一个致命的弱点:光化学稳定性和热稳定性差。而全无机钙钛矿太阳能电池(PSCs)相比于杂化钙钛矿太阳能电池由于其优越的热稳定性则受到了越来越多的科研工作者的关注。
原位热重-傅里叶红外连用和核磁共振氢谱分析分别依次确定粉末样品中的有机物的官能团结构和确定有机分子结构
其中立方相(α相)无机CsPbI3钙钛矿由于其1.73eV的宽带隙,成为了叠层太阳能电池顶部电池的理想吸收层材料。但是,由于α-CsPbI3在室温下易发生相转变,导致其光电转换效率大幅下降。使用溶液法合成所谓的前驱体‘HPbI3’来替代PbI2,辅助调节结晶过程从而抑制室温相转变成为了一种常用的方法。
Cs基钙钛矿晶体结构及钙钛矿电池器件结构示意图
刘明侦在论文中探讨了这一方法背后的机理。
她将氢碘酸(HI)溶液加入溶解有碘化铅(PbI2)的二甲基甲酰胺(DMF)溶液中,利用常规方法合成了被普遍认为是‘HPbI3’的前驱体材料。通过详细的表征阐明了目前对该材料可能存在的认识误区,并讨论了其产物对钙钛矿薄膜及太阳能电池器件性能的影响。
怎么说呢,刘明侦教授在这几年的时间里的确一直在从事钙钛矿太阳能电池方面的研究,而且也取得了一定的成果,25岁牛津大学博士毕业,并且师从钙钛矿太阳能电池方面大牛Snaith HJ,已经说明了其能力。
23岁能够在顶级学术期刊《自然》上以一作身份发文,入选青千担任电子科技大学教授,的确实至名归。而其争议点主要是因为这些年的顶尖论文数量较少。
也期待刘明侦教授可以在学术上取得更多的成就,为钙钛矿太阳能电池投入市场应用贡献更多的力量力,从而促进中国的能源发展。