文 | 《中國科學(xué)報(bào)》記者 馮麗妃

近日，加拿大多倫多大學(xué)博士后陳昊以共同一作的身份（排名第一）收獲了人生中的第一篇Nature論文。文章介紹了一種高效穩(wěn)定的全鈣鈦礦疊層太陽能電池，創(chuàng)造了單節(jié)寬帶系器件和疊層器件開路電壓的世界紀(jì)錄。

在加拿大皇家科學(xué)院院士、工程院院士Edward H. Sargent實(shí)驗(yàn)室工作，發(fā)一篇“大文章”一直是陳昊的心愿?，F(xiàn)在，他的這篇大文章成為Sargent實(shí)驗(yàn)室的第16篇Nature正刊，加上其他14篇Science正刊論文，使該實(shí)驗(yàn)室僅NS正刊論文就多達(dá)30篇。

(資料圖片僅供參考)

在這篇論文的背后，陳昊“刷了不下5000個(gè)電池”。而進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域6年來，陳昊在實(shí)驗(yàn)室制作的鈣鈦礦太陽能電池更是接近5萬個(gè)。

過去一年，陳昊和伴讀的愛人僅靠著他博士后微薄的收入生活，物質(zhì)上并不富裕，但生活中的每一個(gè)小進(jìn)步都讓他們感到欣喜。過去2個(gè)月，他們收獲的“超級快樂大禮包”除了上述大文章，還有兒子多寶的降臨。

《中國科學(xué)報(bào)》請陳昊講述了他在加拿大的訪學(xué)生活。

陳昊

實(shí)驗(yàn)室做器件最厲害的人

每天早上五六點(diǎn)鐘，陳昊就會來到位于多倫多大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的實(shí)驗(yàn)室，穿上防護(hù)服，帶上手套、護(hù)目鏡，開啟一天的工作。

清洗導(dǎo)電基底、稱量藥品、旋涂空穴傳輸層和鈣鈦礦層、蒸鍍電子傳輸層……時(shí)間很快到了中午。吃完自帶的午餐，休息半小時(shí)，他繼續(xù)完成最后一層金屬電極的蒸鍍，然后在下午五點(diǎn)前完成這批器件的性能測試。晚上要整理數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)天的測試記錄，看看次日需要做哪些改進(jìn)來優(yōu)化下一批器件。

“一天差不多做18到20個(gè)器件（一個(gè)器件里還有8個(gè)小電池）。一個(gè)星期工作5天，周五開小組會，周天休息，平均下來一個(gè)月差不多有400個(gè)器件，一年在5000個(gè)器件左右。”網(wǎng)絡(luò)另一頭，陳昊給《中國科學(xué)報(bào)》記者計(jì)算著，這正是過去一年發(fā)表Nature論文前他的工作量。

陳昊在實(shí)驗(yàn)室

這個(gè)工作強(qiáng)度，其實(shí)遠(yuǎn)沒有2019年陳昊初到Sargent實(shí)驗(yàn)室時(shí)那么瘋狂。

彼時(shí)，在博士生導(dǎo)師、上?？萍即髮W(xué)寧志軍教授的推薦下，陳昊受國家留學(xué)基金資助，到“導(dǎo)師的導(dǎo)師”Sargent教授的實(shí)驗(yàn)室做聯(lián)培博士。這是陳昊夢寐以求的機(jī)會。

Sargent是材料學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域的“大咖”。迄今，除了在NS正刊上發(fā)表30篇論文，他的實(shí)驗(yàn)室所發(fā)表的Nature系列文章達(dá)到140篇，相關(guān)引用量超過10萬次。他還是3家技術(shù)公司InVisage Technologies、QD Solar和Xagenic的創(chuàng)始人，以及美國科學(xué)促進(jìn)會會士、美國電氣和電子工程師協(xié)會會士，并擔(dān)任多個(gè)學(xué)術(shù)期刊的審稿人。

每年，搶著到這位“大牛”的實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)和工作的年輕人都會擠破頭。而畢業(yè)院校、導(dǎo)師、所發(fā)表的文章都會成為競爭的砝碼。

“雖然有寧老師的推薦，我當(dāng)時(shí)在國內(nèi)也發(fā)過2篇文章，但想留在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室還是不夠。”陳昊回憶，實(shí)驗(yàn)室其他人“幾乎人手至少一篇Nature大子刊”，這讓他羨慕不已。文章是科研人的通行證，好的課題組更容易發(fā)好文章，此時(shí)他便下定決心一定要留下來做博后。

和一群強(qiáng)者競爭，憑什么取勝呢？

鼎盛時(shí)期的Sargent實(shí)驗(yàn)室博士、博士后人數(shù)過百，一個(gè)小組有十多號人，實(shí)驗(yàn)儀器有限，競爭壓力很大。“天分不夠，那就努力來湊。”自知各方面跟其他人相比還有很大差距，陳昊便充分利用實(shí)驗(yàn)室儀器的空閑時(shí)間 “瘋狂刷器件”，一星期7天朝六晚十都泡在實(shí)驗(yàn)室，聯(lián)培博士一年基本沒出去玩過。

“做不了團(tuán)隊(duì)里面最優(yōu)秀的那個(gè)，那就做最努力的那個(gè)吧。”他這么想。

那時(shí)，每天他都能完成一到兩批器件的制備，最后用一年時(shí)間讓研究組的反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦太陽能電池達(dá)到了世界最高效率。這讓他有勇氣向Sargent申請做博士后，經(jīng)過面試，最終拿到了通行證。

現(xiàn)在，陳昊每周會給自己放一天假，陪伴愛人，幫著照顧剛出生的寶寶。其他時(shí)間，他仍然很拼。

陳昊與妻子

“在這邊，我們的合同都是一年一簽。這既給了我們?nèi)チ舻淖杂桑步o了我們較大的壓力，需要一直努力才能順利簽下下一年的合同。”陳昊說，“這很辛苦，但我覺得很值。大牛組的成員都來自全球優(yōu)秀高校和課題組，不同的人帶來了不同的知識碰撞，視野也會更開闊。”

至今，陳昊已經(jīng)研究了6年的鈣鈦礦太陽能電池，手底下刷過近5萬件器件。熟能生巧，他做一個(gè)器件無需多想，下一步要做什么就能手到擒來。他也是現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室做器件做得最快的人。

在很多人眼中一次次重復(fù)同一個(gè)過程無疑枯燥又單調(diào)，但陳昊覺得“挺有趣”。他很享受這個(gè)過程，特別是每次看到一批新器件性能提升的瞬間，他心底會無比滿足。

創(chuàng)紀(jì)錄的性能

今年11月15日，陳昊發(fā)在Nature的處女作，被認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了“創(chuàng)開路電壓和效率紀(jì)錄的串聯(lián)鈣鈦礦太陽能電池”。這究竟是怎樣的創(chuàng)紀(jì)錄呢？

這里涉及到一個(gè)概念——鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。2009年，日本科學(xué)家Tsutomu Miyasaka制備了第一個(gè)鈣鈦礦太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率僅為3.8%，而彼時(shí)晶硅電池實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)達(dá)到了18%左右。

僅僅13年過去，鈣鈦礦太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到28%，超過了目前效率最高的晶硅技術(shù)的效率（26.8%）。

光吸收系數(shù)高，成本低，這讓鈣鈦礦電池被認(rèn)為是“未來之星”，近年來研究十分火熱。

陳昊向記者介紹，理論上，單節(jié)鈣鈦礦電池的光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到30%以上，但其近幾年發(fā)展已進(jìn)入瓶頸，光電轉(zhuǎn)換率自2020年至今維持在25%左右。疊層電池隨之走入視野，成為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室記錄的保持者（這個(gè)紀(jì)錄目前由南京大學(xué)譚海仁教授課題組保持）。

據(jù)介紹，疊層電池由兩個(gè)子電池串聯(lián)組成，一個(gè)是寬帶隙，一個(gè)窄帶隙。光先經(jīng)過寬帶隙，紫外-可見光會被寬帶系子電池吸收，再經(jīng)過窄帶隙，吸收寬帶隙無法吸收的光，從而達(dá)到更高效率。

陳昊和合作者的研究重點(diǎn)放在提升寬帶系器件的電壓上，這是決定寬帶系器件性能的一部分。他們發(fā)現(xiàn)，帶隙越寬，電壓損耗越大，性能越差，很難制備穩(wěn)定高效的寬帶系鈣鈦礦太陽能電池電池。進(jìn)一步研究中，他們發(fā)現(xiàn)表面電位不均勻和鈣鈦礦電子傳輸層能量排列不良導(dǎo)是致器件過高的電壓損失主要原因。

他們通過引入1,3-丙二胺碘鹽來處理寬帶系鈣鈦礦薄膜表面，改善了鈣鈦礦表面和電子傳輸層界面處的接觸電勢，有效抑制了電壓損失，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的性能：經(jīng)美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室（Nrel）認(rèn)證，帶隙為1.79 eV的寬帶系鈣鈦礦器件取得了1.33 V的開路電壓和19.3%的光電轉(zhuǎn)化效率。

將這一底層技術(shù)用到疊層器件之后，疊層器件的電壓可以達(dá)到2.19 V，并且取得了27%以上的高光電轉(zhuǎn)換效率，Nrel認(rèn)證的效率為26.3%，這是世界上第一個(gè)通過Nrel認(rèn)證且超過單節(jié)鈣鈦礦器件效率的疊層器件。

陳昊在實(shí)驗(yàn)室

“一個(gè)鈣鈦礦電池的效率由三部分組成：電壓、電流、填充因子，目前這三者都沒有達(dá)到最優(yōu)水平，優(yōu)化任何一個(gè)值都可以提升其效率。”陳昊介紹，其中電壓問題是目前最具挑戰(zhàn)性的問題，其理論極限值在2.45V以上，下一步他希望進(jìn)一步改進(jìn)寬帶隙，通過提升其電壓來提升性能。

到目前為止，陳昊已經(jīng)取得了好幾個(gè)世界紀(jì)錄。

今年4月份，陳昊同樣以共同第一作者（排第一）的身份在Nature Photonics期刊上發(fā)表了認(rèn)證效率達(dá)到23.9%的反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦器件的文章，這是當(dāng)時(shí)穩(wěn)態(tài)認(rèn)證的世界紀(jì)錄。前不久又經(jīng)過Nrel的認(rèn)證，取得了24.3%的認(rèn)證效率，再一次刷新了反式結(jié)構(gòu)鈣鈦礦器件的世界紀(jì)錄。

“越努力越幸運(yùn)，發(fā)文章有時(shí)候很需要運(yùn)氣，但是只有手里面有好成果，運(yùn)氣才能幫忙，機(jī)會永遠(yuǎn)是留給有準(zhǔn)備的人。”陳昊說。

成為論文“收割機(jī)”

那么，Sargent實(shí)驗(yàn)室又如何成為別人眼中的頂刊論文“收割機(jī)”呢？身在其中的陳昊揭開了其背后的神秘面紗。

據(jù)介紹，目前Sargent本人已在美國西北大學(xué)創(chuàng)建新實(shí)驗(yàn)室，其多倫多大學(xué)留下的團(tuán)隊(duì)依然有70多人。其中，博士生與博士后分別達(dá)到25與43人。

Sargent沒有三頭六臂，卻能遠(yuǎn)程遙控，把一個(gè)如此龐大的實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行得井井有條。據(jù)介紹，Sargent課題組各方面都有專門的負(fù)責(zé)人，新人來了有專人帶著熟悉環(huán)境，進(jìn)行儀器培訓(xùn)，能夠盡快進(jìn)入科研狀態(tài)；儀器有專人維修，使實(shí)驗(yàn)室每天都處于正常運(yùn)行狀態(tài)；課題組有充裕的科研經(jīng)費(fèi)，沒有后顧之憂。

“每個(gè)組有Leader。Leader的科研能力非常強(qiáng)，我們每個(gè)星期五都會開組會，他們會給出很多很好的建議。如果你對一個(gè)課題有興趣，也可以先跟Leader討論，他覺得可以就會匯報(bào)給教授，隨后會收到教授具體的建議。”陳昊說，他本人就曾得到如今的新加坡國立大學(xué)助理教授侯毅和西北大學(xué)研究助理教授陳斌的很多幫助。

即便是“遙控”，Sargent每個(gè)月也會給每個(gè)組員的研究提出具體建議。陳昊印象中，Sargent的知識面非常廣，包括光學(xué)、催化、探測器、激光等四五個(gè)大方向，每個(gè)方向他都能提出很獨(dú)特的見解。

Sargent對實(shí)驗(yàn)室每篇論文的要求都極其嚴(yán)格。一篇文章在發(fā)表前，他會先要求組員反復(fù)修改，然后自己再修改，才能投出去。

“作為很多期刊的審稿人，他知道一篇大文章需要什么樣的標(biāo)準(zhǔn)。”陳昊說，“首先，不能讓別人質(zhì)疑我們的研究結(jié)果；其次，要讓人覺得這項(xiàng)工作確實(shí)是值得發(fā)表。”

團(tuán)隊(duì)合影

“學(xué)生內(nèi)部也有人因?yàn)槲恼路旁谑掷锇l(fā)不出去而焦慮，但他覺得如果說連內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)都達(dá)不到，那就不要發(fā)了。”

其實(shí)，能夠進(jìn)入該實(shí)驗(yàn)室的成員都是非常優(yōu)秀的，這無疑是其保持高質(zhì)量產(chǎn)出的另一個(gè)因素。“大家都很勤奮，又能互相幫助與合作，充分利用各自優(yōu)勢，發(fā)一篇文章其實(shí)很快。”陳昊說，“比如有的人器件做得好，有的人表征做得好，有的人文章寫得好，大家擰成一股繩，花一年時(shí)間可以完成別人好幾年做的東西。”

在這個(gè)團(tuán)隊(duì)里，陳昊也能看到自己身上的不足。他覺得國內(nèi)博士做事很積極，但大部分時(shí)間用在做實(shí)驗(yàn)上，理論知識相對比較欠缺。這也讓他對如何彌補(bǔ)自己的不足有了更清晰的規(guī)劃。

“畫餅”

談起現(xiàn)在的訪學(xué)生活，陳昊用“痛并快樂著”來形容。

生活壓力就是“痛”的一個(gè)方面。陳昊博士后的“薪水”一個(gè)月到手在3600加元左右（約1.84萬元人民幣），單是房租一個(gè)月就要2000多加元。寶寶的到來給小兩口帶來歡樂，也增加了一筆開支。三口之家節(jié)儉度日，剛能覆蓋生活。

“科研上我是一個(gè)合格的工作者，但家庭上是一個(gè)不合格的丈夫。只能盡量去平衡，沒法得到很好的兼顧。”陳昊的語氣里有點(diǎn)遺憾。

去年，當(dāng)他前往加拿大的時(shí)候，愛人選擇放棄“鐵飯碗”（上海一所高中的在編教職），跟他伴讀。他每天早出晚歸做實(shí)驗(yàn)，愛人就把家務(wù)活全搞定。愛人懷孕期間，他也很少時(shí)間在家陪伴。

無論是手頭的拮據(jù)，還是科研的壓力，都沒有影響小家的歡樂氛圍?？蒲猩系拿恳稽c(diǎn)進(jìn)展，孩子成長的每一個(gè)小細(xì)節(jié)，他和愛人都會彼此分享，讓家里充滿樂觀向上的活力。

陳昊與妻子、孩子

“一個(gè)人的心態(tài)是非常關(guān)鍵的，其實(shí)我們已經(jīng)算不錯的了。我們組的博后工資在整個(gè)加拿大體系里面應(yīng)該是最高的，我們來這邊也不是為了錢，夠生活就好，學(xué)到知識和發(fā)好文章才是最終目的。”陳昊說。

有時(shí)，愛人也會有點(diǎn)情緒，擔(dān)心他們回國之后找不到合適的工作，這時(shí)陳昊總會給愛人“畫餅”：“你看我們工作做得好，文章發(fā)得好，回去肯定有很好的發(fā)展空間。”

未來，陳昊內(nèi)心深處希望在祖國大地上發(fā)光發(fā)熱。

作為一個(gè)從湖南郴州農(nóng)村走出來的大學(xué)生，他感覺人生每個(gè)階段的生活都在向上走。國內(nèi)科研水平、設(shè)備、資助都已經(jīng)處于領(lǐng)先地位，他內(nèi)心深處有著強(qiáng)烈的歸屬感。

但要成為一名獨(dú)立的博士生導(dǎo)師，要建立自己的實(shí)驗(yàn)室，他還需要“攢一些資本”，獲得更好的發(fā)展機(jī)會。

訪學(xué)之旅已經(jīng)走完了一半，多倫多大學(xué)的博后合同將在明年4月底結(jié)束，之后他會跟隨Sargent前往美國西北大學(xué)做研究，2024年左右開始在國內(nèi)尋找教職。

“西北大學(xué)的材料、化學(xué)專業(yè)都非常厲害，‘大佬’也非常多，這將會是一個(gè)非常好的機(jī)會，借此我可以完善自己的知識體系為回國發(fā)展做準(zhǔn)備。”他說。

為太空衛(wèi)星供電，給汽車提供動能，將相關(guān)柔性電池用于衣物保暖或制冷……在他看來，未來太陽能鈣鈦礦電池大有可為。今后5到10年，即使不能完全商業(yè)化，至少可以在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05541-z

標(biāo)簽： Nature