1cm²的电池能有多牛？川大的这篇Nature论文告诉你
“大到发电站、空间站，小到手机充电、计算器……太阳电池的用途远比你想象中的广泛。”
在材料科学与工程学院的大楼里，赵德威这样为记者解释道。
作为2019年入职川大材料科学与工程学院的教授与博士生导师，赵德威曾入选2019年国家级青年人才、四川省学术和技术带头人、四川省杰出青年科技人才等。这几年来，他与团队一直坚持科研的“四个面向”，瞄准世界科技前沿、面向国家重大需求，致力于研究高性能全钙钛矿叠层太阳能电池光伏材料与器件机理相关的基础科学与关键技术问题。
他的团队和合作者们刚刚在Nature上联合发表了一篇关于全钙钛矿叠层太阳电池的论文。
01
“做电池就像化妆。”
太阳电池简单来说就是将太阳能或者说光能转换为电能的一种载体，而全钙钛矿叠层（钙钛矿/钙钛矿叠层）太阳电池是以钙钛矿作为光伏材料的一种太阳能电池。
钙钛矿被发现可作为光伏材料是在2009年，属于一种新型光伏材料。具备高效率、低成本、污染较小等优势，是极具潜力的光伏材料之一。“钙钛矿叠层电池”是两个钙钛矿子电池的叠加，能够使电池的效率实现最大化，理论上可达到45%，可实现的效率也有34%左右，远高于单结电池，能更加充分和高效地利用太阳光。
赵德威提到，过去几年，全钙钛矿叠层电池的效率提升速度非常快，但大部分工作主要集中在相对小面积（~0.05 cm2）水平，在大面积电池上仍存在较多亟待攻克的难题。赵德威团队在原有的基础上，开发出了一种新的空穴传输材料，并将之用到叠层电池当中，大幅提升了1 cm²叠层电池的性能。“我们提出了一个新的方法或者说新的策略，最终达到的效果就是进一步提升太阳电池的转换效率。”
最终完成的器件多达十余层，却仅有2微米厚。赵德威将这个制作过程形象地比喻为化妆。“首先要把粉底打好、打牢了，接下来的一层层工序才能更好地进行。”
得益于其工艺特性，钙钛矿电池也被赋予了丰富的应用场景。通过印刷，钙钛矿电池可以附着于各类其他材料之上。而轻、柔等特点也使其具备进入各类日常生活电器的“灵活身躯”。
赵德威团队制作的全钙钛矿叠层太阳电池
该项实验自2021年开展至今已有一年半左右的时间，期间也遇到了不少困难与阻碍。
赵德威表示学校的经费支持是项目能够持续推动并获得当下成果的重要原因，学生们努力认真的态度与不厌其烦进行实验也为此次的重要进展打下了坚实的基础。其次，他想要感谢材料科学与工程学院及太阳能所（太阳能材料与器件研究所）。太阳能所不仅为他提供了人员上的支撑，也为他提供了研究的场地。在这里他学到了很多经验，还得到了许多精神上的支持。
02
“要给足学生学术的自由。”
材料科学与工程学院的2020级博士研究生贺锐，2020级硕士研究生易宗锦是论文的共同第一作者。要完成一篇顶级期刊的写作与发表并非易事，这背后离不开导师与团队的培养。
赵德威笑着说并不存在什么培养秘诀，“关键在于要给他们足够的学术自由。”
这是他认为最重要的事，也是他曾经的亲身体悟。
赵德威团队
以导师作为主导，学生们进行自主研究，是赵德威团队的主要培养方式。
赵德威坦言，学生们在学习科研上都非常自觉，几乎不用他操心。
作为导师，首先他会给出一个具体的目标，比方说在导师课题这个大方向下主要的基础科学与关键技术问题，以此作为学生们钻研与攻克的工作方向。自己则会作为观测者和引导者，及时跟进学生们的研究现状，并在他们遇到问题的时候适时给出合理的建议与指导。
不会过多地干涉学生学习之外的自由时间，鼓励他们有自己放松的方式与爱好，以充沛的精力去面对学习与科研。
同时，尽自己最大的努力担当学生们的答疑解惑者。
“我支持并且尊重他们有自己的想法。”
思路与想法比可行性更重要。赵德威认为学生们的自主思考是宝贵的，他希望学生们可以通过自己的努力解决过程中遇到的问题。如果不能，他会帮忙分析实验过程中出现的问题并提出解决办法。
做实验本来就是一个试错的过程，不可能一蹴而就。赵德威经常这样鼓励在科研过程中遭遇挫折的学生。
“当把所有的错误都犯了，把所有的不可能都尝试之后，剩下的就只有可能了。”
赵德威与学生们在校留影
不仅仅在实践操作上严谨负责，在修改论文方面，赵德威也从未松懈。
“我改论文很慢，因为想尽可能地完善学生们的辛苦成果。”
尽管这样会花费过多时间，赵德威表示至少他希望修改完的论文能够达到他本人能及的水平。
“因为是老师的第一个博士生，老师对我的关心与指导尤其多。初入实验室，赵老师在衬底清洗、药品称量和器件制备等实验方面事无巨细地手把手教学我与师弟师妹们；在论文撰写和修改时，老师又从图形绘制，格式排版甚至字句的推敲等方面给予指导和修改，每一篇论文的发表都离不开老师倾注的心血。”
贺锐真切地感叹道，在学术交流讨论时赵老师是老师，在各个方面给予指导；在平时生活中他又像朋友，聚餐团建，畅所欲言；在生活中遇到困难时，老师又像是大家长给予保护与关爱，帮助同学度过难关。
或许他本人并未察觉，在不知不觉中，赵德威已经把学生当成了家人。
“他们做实验总是很辛苦，来回往返校园的两个方向。”
夏天很热，冬天又冷。
他期盼着自己的学生们能够学有所成。
能做师生是一种缘分。赵德威珍惜这种缘分，也在试着延续这种缘分。
“希望在这个过程中，我能够将他们真正想要的东西给到他们。不论是学术上的亦或是为人上的。”
赵德威率学生参与2021年中国材料大会
团队，给予的不仅仅是知识的传递与交汇，更有生活上的帮助，情感上的支撑。有人在这里学会了如何合作，克服困难；有人学会了如何高效地管理时间，事半功倍；还有人学会了永不设限。以不断地攀登，换取视界之外的绝美风景。
03
接下来的研究方向是……
作为一种获取清洁能源的重要途径，太阳电池在未来的能源利用中也占据着重要地位。钙钛矿是难得又兼具多种优势的材料，如果能够充分利用好的话将受益无穷。在赵德威看来，钙钛矿电池是一个很好的研究方向，其潜力也有待进一步挖掘。
未来赵德威团队会继续聚焦于全钙钛矿叠层太阳电池，助力达成“双碳目标”。
目前钙钛矿太阳电池的进一步研发有两大亟待解决的关键问题：一个是电池尺寸放大后的效率有所下降，另一个是长期工作的稳定性有待继续提升。
这两个问题也指引了赵德威团队接下来的发展方向：通过开发新材料、新方法和新工艺来制备更大面积的叠层太阳电池及组件，在保持高效率的同时，也要聚焦于稳定性问题，研究器件性能衰降的物理机制，提升各个子电池及叠层电池的长期工作稳定性。赵德威期待未来这项学术研究成果能够落地转化，最终回馈社会。
赵德威团队
贺锐是赵德威的第一个博士生，易宗锦则是他带的第一届硕士研究生之一。
此次发表于Nature的文章主要报道的是1平方厘米全钙钛矿叠层太阳电池的最新研究进展。
赵德威说，希望他们的研究能够不断创新和突破，由一至百，至千，至更高更远。
对于赵德威以及他的团队而言，或许“一”不单单是开始，也是接下来的奋斗目标。
希望他们在将来的学术旅途中始终如一，一往无前，一帆风顺。
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大川
图片/受访者提供
采写、编辑/袁月