“小本”的“頂級SCI”誕生記
——北理工“新時代 新作為”之人才培養(yǎng)系列報道
發(fā)布日期：2018-09-15 供稿：黨委宣傳部 吳楠 攝影：新聞中心 郭強
編輯：吳楠 審核：藺偉,、張青山 閱讀次數(shù)：
能源危機和環(huán)境污染問題已成為阻礙經(jīng)濟發(fā)展的首要問題,，也是世界各國關注的焦點,。在眾多新能源技術中,，太陽能電池（也稱為太陽能發(fā)電技術或光伏發(fā)電技術）成為最具有應用前景的方向之一。隨著光伏發(fā)電技術的迅速發(fā)展,，雜化鹵化物鈣鈦礦成為最有希望的新一代光伏材料,。
在不到八年的時間里，鈣鈦礦太陽能電池獲得了22.7%的光電轉換效率,，其性能已超過了多晶硅太陽能電池,，被《Science》雜志評選為2013年度十大科技突破之一,，并被譽為“光伏領域的新希望”,，受到諸多科研人員的青睞。在這其中,，就有一位年僅22歲,，來自北京理工大學材料學院材料化學專業(yè)的2015級本科生李宗麒，在導師的指導下,，憑借自己的勤奮與努力,，在鈣鈦礦太陽能電池研究領域中有了自己的位置。
2018年5月24日,，作為一名大三在讀學生的李宗麒,，在材料學院陳棋教授的指導下，以第一作者身份在能源領域頂級期刊《Joule》發(fā)表題為“Cost Analysis of Perovskite Tandem Photovoltaics”（鈣鈦礦疊層光伏成本分析）的研究成果,。
興趣的“種子”在北理工落地生根
高中時期,，李宗麒就對清潔能源及太陽能電池相關領域有著濃厚的興趣，他通過網(wǎng)絡慕課平臺,，自學了國外該領域的最新研究技術與研究進展,，由于當時國內慕課的發(fā)展還不完善，李宗麒的自學主要是通過慕課平臺來進行,?！叭⑽牡氖谡n形式對當時的自己來說是一個很大的挑戰(zhàn),，為了達到更好的學習效果，每次聽課前我都會提前預習課程內容,，以便在聽課過程對所學的知識有更深刻地理解,。我想這就是興趣的力量?！崩钭邝枵f到,。即便是在備戰(zhàn)高考期間，李宗麒也擠出時間繼續(xù)學習,，積累大量的該領域知識,，為他升入大學進入實驗室開展課題研究，打下了良好的基礎,。
2015年,，懷揣著這顆“太陽能電池”興趣的種子，李宗麒如愿成為了北京理工大學材料學院材料化學專業(yè)的一名本科生,，而學校的人才培養(yǎng)模式,，更為這顆種子的生根發(fā)芽提供了沃土。在學校每年秋季的實踐學期,，各個學院會根據(jù)不同專業(yè)學科方向的特點,，為學生量身定制相應的實踐課程。
李宗麒所在的材料化學專業(yè),，會要求學生們提前進入實驗室,，深入了解各個科研方向，挖掘自己的興趣點及潛在科研能力,。這種實踐課程的設置,，讓李宗麒覺得有一點“小興奮”。他積極咨詢實驗室里各個課題組的研究方向,，在了解到陳棋教授課題組目前正在重點關注鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化研究后,，他主動與陳棋教授溝通交流，并于大二下學期正式進入課題組,，在陳棋教授的指導下,，正式進入到疊層鈣鈦礦太陽能電池生產(chǎn)成本的研究中。從此,，李宗麒正式開啟了良鄉(xiāng)校區(qū)上課,、中關村校區(qū)做實驗的兩校區(qū)“奔波”模式。
紙上得來終覺淺 絕知此事要躬行
“最初進入實驗室的時候,，我依舊把主要精力放在學習基礎知識上,，認為只有具備了足夠的基礎知識才能對實驗本身有足夠的理解。”李宗麒沿用之前的學習模式,，繼續(xù)通過Edx,、Coursera、MIT等網(wǎng)絡公開課,，學習半導體和太陽能電池的相關領域知識,。然而，由于理論知識過于抽象,，李宗麒逐漸意識到,，學習中遇到的一些問題，并不能完全從理論課程中找到解決方法,，從而導致科研進展緩慢,。為此，李宗麒和指導教師進行了深入地交流,，“陳老師為我指定了一位課題組組長,，要求我協(xié)助學長完成實驗內容，熟悉實驗的操作流程,，在實踐過程中發(fā)現(xiàn)問題并嘗試解決,。”陳棋教授為李宗麒提供了新的思路,。
圖中左為李宗麒,、右為指導教師陳棋教授
“在制備實驗中要用到的有機試劑時，需要提前對其進行提純,，理論上,，應該是提純次數(shù)越多試劑越純凈，可是實際操作中并非這樣,?！痹趯嶋H操作中，提純次數(shù)越多,，試劑反而更易受到外界環(huán)境的氧化進而被腐蝕，這些從實踐中總結的小經(jīng)驗,，是書本上的理論知識無法取代的,。“在實驗過程中,，除了鍛煉自己的操作技能外,，還可更好地將理論知識與實踐經(jīng)驗相結合，對所研究的課題內容有了更直觀地認識和更深刻地理解,?！崩钭邝杌砣婚_朗。
通往成功的路上，往往還需要克服困難的毅力與恒心,。在李宗麒最初收到《Joule》期刊審稿人意見時,，受到了不小的“打擊”，這份意見涉及到計算模型的更改,、研究對象的替換,、所有數(shù)據(jù)基礎的確認與更新、補充信息的修改,、實驗數(shù)據(jù)圖表的重新繪制,、文章陳述的修改等等。在大多數(shù)人眼中,，在一個月的規(guī)定時間內完成修改,，幾乎不可能。但是,，李宗麒和團隊的伙伴們沒有放棄,，而是迅速制定工作計劃，全身心投入到文章的修改工作中,?！白屛矣∠笞钌畹囊淮问菍π碌挠嬎隳Ｐ瓦M行設計，從晚上11點開始,，我們通宵工作,，直到第二天下午2點與陳老師討論確認后，才回到宿舍休息,。雖然辛苦,，但是在兩周內，我們就重新確定了計算模型,、研究對象和核心數(shù)據(jù)與假設,，為文章的修改打下了很好的基礎?！崩钭邝杌貞浀?。
寒假期間，李宗麒依舊每天按照已定工作進度,，完成對每個研究對象的成本計算以及成果圖制作,，這樣的狀態(tài)一直持續(xù)到春節(jié)?！霸诖竽耆耐砩?，陳老師還在通過電話和我確認實驗數(shù)據(jù)的合理性?！睂τ陉惼謇蠋煹膬A心指導,，李宗麒心懷感恩,。
“小本”發(fā)出“大文章”
“騏驥一躍，不能十步,；駑馬十駕,，功在不舍?！痹诶蠋煹闹笇Ш蛨F隊的共同努力下,，李宗麒以第一作者身份在能源領域頂級期刊《Joule》發(fā)表題為“Cost Analysis of Perovskite Tandem Photovoltaics”的研究成果。他在文中詳細地分析了兩種疊層鈣鈦礦太陽能電池的生產(chǎn)成本,，通過預測平準化度電成本（Levelized cost of electricity,，LCOE），詳細探討了疊層太陽能電池技術路線對于鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化的重要意義,，并預言了鈣鈦礦太陽能電池未來發(fā)展的可能技術走向,。
鈣鈦礦材料由于其帶隙可調，所以能夠和不同吸光材料組合起來,，成為具有優(yōu)異光電性能的疊層電池材料,。研究表明，通過調節(jié)鈣鈦礦吸光層的帶隙,，鈣鈦礦/晶硅太陽能電池和鈣鈦礦/鈣鈦礦太陽能電池的理論光電轉換效率分別可達到39%和34%,。
圖1（A）為PERC多晶硅電池材料組成；（B）為單結鈣鈦礦電池材料組成,；（C）為鈣鈦礦/晶硅疊層電池材料組成,；（D）為鈣鈦礦/鈣鈦礦疊層電池材料組成。
在太陽能電池材料領域,，通常用平準化度電成本（LCOE）來衡量發(fā)電實體在系統(tǒng)壽命周期內單位發(fā)電量所消耗的成本,，這是決定發(fā)電技術能否商業(yè)化的成本估算標準。而對于鈣鈦礦疊層技術的太陽能電池材料,，盡管存在商業(yè)化的可能性,，但是目前尚未有相關的LCOE測算方法和研究。而李宗麒及其合作者,，正是針對這一空白,，采用“自下而上的成本模型”，對鈣鈦礦光伏組件的制備成本進行估算,，并進一步計算光伏系統(tǒng)的LCOE,。他們在特定的假設下，通過比較四個有代表性的光伏組件（圖1）,，研究發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦光伏組件的材料成本要低于多晶硅光伏組件。
圖2（A）為四種器件的LCOE（美分/千瓦時）,；（B-E）為四種器件的LCOE組成細分,。
除此之外，李宗麒和團隊成員，還針對組件效率和壽命進行了研究,，首次提出了LCOE下降率（LCOE decrease rate）的概念,，用來指導和規(guī)劃鈣鈦礦光伏和疊層鈣鈦礦太陽能電池的技術發(fā)展路線（圖2）。他們所發(fā)表的論文從商業(yè)化的角度為鈣鈦礦太陽能電池領域的發(fā)展方向提供了參考,。
回想自己第一篇SCI論文的誕生過程,，李宗麒覺得自己很幸運?！半m然經(jīng)歷過實驗的失敗,，但是都能在陳老師的指導下，及時尋找到解決問題的方法,，遇到困難時,，可以得到老師和課題組小伙伴們的幫助，心中又充滿力量,?！崩钭邝枵f：“在本科階段能夠提前進入實驗室，不僅可以在科研中拓展解決問題的思路,，也鍛煉了自身的團隊協(xié)作能力,，這對于今后的科研工作，受益良多,?！?/p>
“本科生提前進入實驗室，可以通過實踐為知識找到出口,，這是知識內化最有效的手段之一,。同時，在實踐中提高學生的科研鑒賞力,，拓展視野和格局,，這為培養(yǎng)一流的復合型人才奠定了重要的基礎?！痹谡劦綄W生本科階段進入實驗室的培養(yǎng)模式時,，陳棋教授這樣說到。
