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竇樂添:變色智慧光伏玻璃實時響應外界環境引領太陽能電池新概念

2019年1月21日,《麻省理工科技評論》公佈了2018年“35歲以下創新35人”(Innovators Under 35 China)中國區榜單。從榜單中,我們看到更多中國創新科研力量的崛起,也看到跨學科、跨領域、並且對落地應用有更強烈企圖心與使命感的科研創新,這其中涵蓋人工智慧研究與應用、NLP、腦科學、新材料、新能源、生命科學、生物科技、自動駕駛等多個不同領域。我們將陸續發出對35位獲獎者的獨家專訪,介紹他們的科技創新成果與經驗,以及他們對科技趨勢的理解與判斷。

關於Innovators Under 35 China榜單

自 1999 年起,《麻省理工科技評論》每年都會推出“35歲以下創新35人”(Innovators Under 35 China)榜單,旨在於全球範圍內評選出被認為最有才華、最具創新精神,以及最有可能改變世界的 35 位年輕技術創新者或企業家,共分為發明家、創業家、遠見者、人文關懷者及先鋒者五類。2017年,該榜單正式推出中國區評選,遴選中國籍的青年科技創新者。新一屆榜單正在徵集提名與報名,截止時間2019年5月31日。

你可能聽說過“光伏玻璃”:可以讓人類肉眼可見的太陽光波段透射進來照亮屋子,又可以把肉眼不可見、通常只能轉換為熱量的紅外、紫外波段轉換為電能,實現節能、發電的一舉兩得;你也可能聽說過“智慧窗”:可以在不同電壓、溫度等外界條件下,呈現出或透明、或半透明/不透明的兩種不同狀態,類似於房屋的“變色墨鏡”一樣,可以在寒冷的冬季放陽光進來溫暖屋子,又可以在炎熱的夏天減少陽光的射入。這是兩種對於建築節能來說很重要的科技產品。

那麼,有沒有可能,把這兩種產品的效能結合在一起,組成“智慧光伏玻璃”呢?寒冷的時候保持透明,炎熱的時候變暗,不只可以減少光線射入,更可以把自己遮擋住的太陽光轉化為電能?

這麼做的難度在於,傳統半導體材料的原子,是被較強的共價鍵維繫在一起的。共價鍵一旦被打斷,材料就會徹底被破壞掉難以復原,無法實現智慧光伏玻璃要求的在透明和吸光兩種狀態下的反覆切換。但竇樂添和他的合作者卻找到了解決這個問題的辦法,利用的還是一種新型材料——“鹵化物鈣鈦礦”最大的“缺點”:相不穩定性。他們把這種對於常規電池來說讓人無比頭疼的特點,變成了智慧光伏玻璃裡迴圈穩定性的關鍵。這種太陽能電池的全新概念,用於建築、車輛等場景時,可以顯著降低能耗,有望對太陽能電池、節能建築、屏顯等領域的發展產生深遠影響。

而竇樂添的故事,還要從小時候說起。

竇樂添的人生一直是興趣驅動的。他會把自己對任何事情的興趣愛好,轉換為對它長時間的專注和鑽研。小時候,相對於學習,他更大的熱情是在足球和四驅車上。為了練好足球,他甚至參加了一些專業訓練;而在改裝四驅車方面,他更是獲得過少年宮比賽的第一名。這是他得到的第一個獎,很大程度地激勵了他的自信心,讓他有了一種“一定可以靠努力取得成功的信念”。

高中就參加化學和物理競賽的竇樂添,後來考上了北京大學化學系,並在大二的時候就進入到了實驗室。他感興趣的是一種有點反直覺的材料研究:有機高分子通常是用來製作塑料的,但用來做半導體時,可以實現一些神奇的功能,比如施加以電壓就會改變顏色。因此,這種材料可以被用作智慧窗的生產。畢業之後,他決定去有機光電領域最好的研究機構深造,便加入了加州大學洛杉磯分校(UCLA)的楊陽教授課題組。在博士的第二年,他就取得了突破,研究出了一個全新的高分子材料,通過和其它材料的層疊,把有機光伏的發電效率從5%大幅提升到了10%,這是那年有機光伏領域的重大突破。

博士畢業之後,一直研究有機化學的竇樂添,加入了加州大學伯克利分校的楊培東教授的實驗室,開始了自己“跨領域”到無機化學的博士後研究工作。那是2014年,鈣鈦礦材料剛剛“橫空出世”,成為了全球材料研究的焦點:它像無機材料一樣有著良好的各種性質,又像有機材料一樣可以用低成本的方法加工製造。一開始,大家的研究重點都在無機有機雜化鈣鈦礦太陽能電池上面,但由於材料裡的有機基團會降低電池的穩定性,他們起初的想法是用無機材料把有機的部分都替換掉。但純無機的鈣鈦礦光伏也有自己的問題——化學穩定性雖好,相穩定性卻不佳。在溫度下降到室溫時,材料的晶體結構會發生原子層面的變化,從不透明、可以吸收光線發電的鈣鈦礦相,變成透明、無法發電的非鈣鈦礦相,而控制材料不發生相變的難度非常大。但竇樂添卻從這個“致命”的問題裡看到了機會。他想到了本科時候研究的智慧窗。為什麼不把它跟智慧窗的概念結合起來,做成一個智慧發電玻璃呢?既可以隔絕陽光,又可以發電,一舉兩得!

實現這個想法的過程是很複雜的,但最後他們還是證明了這個概念的可行性,獲得了很高的發電效率和相變轉換速度。而且,相比於傳統半導體材料,鹵化物鈣鈦礦中的原子是通過離子鍵維繫在一起的,具有“柔軟”和“動態”的特點,讓這種智慧光伏玻璃擁有極佳的迴圈穩定性,反覆多次的轉換也並不會降低材料的電學效能。許多主流媒體都報道了這個激動人心的研究成果,工業界更是興奮不已。

離開加州,竇樂添獲聘普渡大學化學工程系助理教授,開始了自己獨立的研究工作。一方面,他在研究新型的二維材料體系,另一方面也在進一步尋找更好的電池材料與電池器件,通過結合無機材料與有機材料各自的優點,開發出下一代更好的太陽能電池。

Reference:科技日報

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