“小本”的“頂級(jí)SCI”誕生記
——北理工“新時(shí)代 新作為”之人才培養(yǎng)系列報(bào)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(qiáng)
編輯：吳楠 審核：藺偉,、張青山 閱讀次數(shù)：
能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題已成為阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首要問(wèn)題,，也是世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn),。在眾多新能源技術(shù)中,，太陽(yáng)能電池（也稱為太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)或光伏發(fā)電技術(shù)）成為最具有應(yīng)用前景的方向之一。隨著光伏發(fā)電技術(shù)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(shí)間里,，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池獲得了22.7%的光電轉(zhuǎn)換效率,，其性能已超過(guò)了多晶硅太陽(yáng)能電池,，被《Science》雜志評(píng)選為2013年度十大科技突破之一，并被譽(yù)為“光伏領(lǐng)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(lái)自北京理工大學(xué)材料學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)的2015級(jí)本科生李宗麒,，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,，憑借自己的勤奮與努力，在鈣鈦礦太陽(yáng)能電池研究領(lǐng)域中有了自己的位置,。
2018年5月24日,，作為一名大三在讀學(xué)生的李宗麒，在材料學(xué)院陳棋教授的指導(dǎo)下,，以第一作者身份在能源領(lǐng)域頂級(jí)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(shí)期,，李宗麒就對(duì)清潔能源及太陽(yáng)能電池相關(guān)領(lǐng)域有著濃厚的興趣,，他通過(guò)網(wǎng)絡(luò)慕課平臺(tái)，自學(xué)了國(guó)外該領(lǐng)域的最新研究技術(shù)與研究進(jìn)展,，由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)慕課的發(fā)展還不完善,，李宗麒的自學(xué)主要是通過(guò)慕課平臺(tái)來(lái)進(jìn)行?！叭⑽牡氖谡n形式對(duì)當(dāng)時(shí)的自己來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn),，為了達(dá)到更好的學(xué)習(xí)效果，每次聽(tīng)課前我都會(huì)提前預(yù)習(xí)課程內(nèi)容,，以便在聽(tīng)課過(guò)程對(duì)所學(xué)的知識(shí)有更深刻地理解,。我想這就是興趣的力量?！崩钭邝枵f(shuō)到,。即便是在備戰(zhàn)高考期間，李宗麒也擠出時(shí)間繼續(xù)學(xué)習(xí),，積累大量的該領(lǐng)域知識(shí),，為他升入大學(xué)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展課題研究，打下了良好的基礎(chǔ),。
2015年,，懷揣著這顆“太陽(yáng)能電池”興趣的種子，李宗麒如愿成為了北京理工大學(xué)材料學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)的一名本科生,，而學(xué)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(xué)校每年秋季的實(shí)踐學(xué)期,，各個(gè)學(xué)院會(huì)根據(jù)不同專業(yè)學(xué)科方向的特點(diǎn),，為學(xué)生量身定制相應(yīng)的實(shí)踐課程。
李宗麒所在的材料化學(xué)專業(yè),，會(huì)要求學(xué)生們提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室,，深入了解各個(gè)科研方向，挖掘自己的興趣點(diǎn)及潛在科研能力,。這種實(shí)踐課程的設(shè)置,，讓李宗麒覺(jué)得有一點(diǎn)“小興奮”。他積極咨詢實(shí)驗(yàn)室里各個(gè)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(diǎn)關(guān)注鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化研究后,，他主動(dòng)與陳棋教授溝通交流,，并于大二下學(xué)期正式進(jìn)入課題組，在陳棋教授的指導(dǎo)下,，正式進(jìn)入到疊層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池生產(chǎn)成本的研究中,。從此，李宗麒正式開(kāi)啟了良鄉(xiāng)校區(qū)上課,、中關(guān)村校區(qū)做實(shí)驗(yàn)的兩校區(qū)“奔波”模式,。
紙上得來(lái)終覺(jué)淺 絕知此事要躬行
“最初進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，我依舊把主要精力放在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)上,，認(rèn)為只有具備了足夠的基礎(chǔ)知識(shí)才能對(duì)實(shí)驗(yàn)本身有足夠的理解,。”李宗麒沿用之前的學(xué)習(xí)模式,，繼續(xù)通過(guò)Edx,、Coursera、MIT等網(wǎng)絡(luò)公開(kāi)課,，學(xué)習(xí)半導(dǎo)體和太陽(yáng)能電池的相關(guān)領(lǐng)域知識(shí),。然而，由于理論知識(shí)過(guò)于抽象,，李宗麒逐漸意識(shí)到,，學(xué)習(xí)中遇到的一些問(wèn)題，并不能完全從理論課程中找到解決方法,，從而導(dǎo)致科研進(jìn)展緩慢,。為此，李宗麒和指導(dǎo)教師進(jìn)行了深入地交流,，“陳老師為我指定了一位課題組組長(zhǎng),，要求我協(xié)助學(xué)長(zhǎng)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉實(shí)驗(yàn)的操作流程,，在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(dǎo)教師陳棋教授
“在制備實(shí)驗(yàn)中要用到的有機(jī)試劑時(shí)，需要提前對(duì)其進(jìn)行提純,，理論上,，應(yīng)該是提純次數(shù)越多試劑越純凈，可是實(shí)際操作中并非這樣,?！痹趯?shí)際操作中,，提純次數(shù)越多，試劑反而更易受到外界環(huán)境的氧化進(jìn)而被腐蝕,，這些從實(shí)踐中總結(jié)的小經(jīng)驗(yàn),，是書(shū)本上的理論知識(shí)無(wú)法取代的?！霸趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中,，除了鍛煉自己的操作技能外，還可更好地將理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合,，對(duì)所研究的課題內(nèi)容有了更直觀地認(rèn)識(shí)和更深刻地理解,。”李宗麒豁然開(kāi)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(jiàn)時(shí),，受到了不小的“打擊”，這份意見(jiàn)涉及到計(jì)算模型的更改,、研究對(duì)象的替換,、所有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的確認(rèn)與更新、補(bǔ)充信息的修改,、實(shí)驗(yàn)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(gè)月的規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成修改,，幾乎不可能。但是,，李宗麒和團(tuán)隊(duì)的伙伴們沒(méi)有放棄,，而是迅速制定工作計(jì)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?duì)新的計(jì)算模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，從晚上11點(diǎn)開(kāi)始,，我們通宵工作,，直到第二天下午2點(diǎn)與陳老師討論確認(rèn)后，才回到宿舍休息,。雖然辛苦,，但是在兩周內(nèi)，我們就重新確定了計(jì)算模型,、研究對(duì)象和核心數(shù)據(jù)與假設(shè),，為文章的修改打下了很好的基礎(chǔ),。”李宗麒回憶到,。
寒假期間,，李宗麒依舊每天按照已定工作進(jìn)度，完成對(duì)每個(gè)研究對(duì)象的成本計(jì)算以及成果圖制作,，這樣的狀態(tài)一直持續(xù)到春節(jié),。“在大年三十的晚上,，陳老師還在通過(guò)電話和我確認(rèn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性,。”對(duì)于陳棋老師的傾心指導(dǎo),，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?dǎo)和團(tuán)隊(duì)的共同努力下,，李宗麒以第一作者身份在能源領(lǐng)域頂級(jí)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(xì)地分析了兩種疊層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本,，通過(guò)預(yù)測(cè)平準(zhǔn)化度電成本（Levelized cost of electricity,，LCOE），詳細(xì)探討了疊層太陽(yáng)能電池技術(shù)路線對(duì)于鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化的重要意義,，并預(yù)言了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池未來(lái)發(fā)展的可能技術(shù)走向,。
鈣鈦礦材料由于其帶隙可調(diào)，所以能夠和不同吸光材料組合起來(lái),，成為具有優(yōu)異光電性能的疊層電池材料,。研究表明，通過(guò)調(diào)節(jié)鈣鈦礦吸光層的帶隙,，鈣鈦礦/晶硅太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦/鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的理論光電轉(zhuǎn)換效率分別可達(dá)到39%和34%,。
圖1（A）為PERC多晶硅電池材料組成；（B）為單結(jié)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(yáng)能電池材料領(lǐng)域,，通常用平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）來(lái)衡量發(fā)電實(shí)體在系統(tǒng)壽命周期內(nèi)單位發(fā)電量所消耗的成本,，這是決定發(fā)電技術(shù)能否商業(yè)化的成本估算標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)于鈣鈦礦疊層技術(shù)的太陽(yáng)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(guān)的LCOE測(cè)算方法和研究,。而李宗麒及其合作者，正是針對(duì)這一空白,，采用“自下而上的成本模型”,，對(duì)鈣鈦礦光伏組件的制備成本進(jìn)行估算，并進(jìn)一步計(jì)算光伏系統(tǒng)的LCOE,。他們?cè)谔囟ǖ募僭O(shè)下,，通過(guò)比較四個(gè)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(shí)）,；（B-E）為四種器件的LCOE組成細(xì)分。
除此之外,，李宗麒和團(tuán)隊(duì)成員,，還針對(duì)組件效率和壽命進(jìn)行了研究，首次提出了LCOE下降率（LCOE decrease rate）的概念,，用來(lái)指導(dǎo)和規(guī)劃鈣鈦礦光伏和疊層鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的技術(shù)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(yáng)能電池領(lǐng)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(guò)程,，李宗麒覺(jué)得自己很幸運(yùn)?！半m然經(jīng)歷過(guò)實(shí)驗(yàn)的失敗,，但是都能在陳老師的指導(dǎo)下，及時(shí)尋找到解決問(wèn)題的方法,，遇到困難時(shí),，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(shuō)：“在本科階段能夠提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，不僅可以在科研中拓展解決問(wèn)題的思路,，也鍛煉了自身的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,，這對(duì)于今后的科研工作，受益良多,?！?/p>
“本科生提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，可以通過(guò)實(shí)踐為知識(shí)找到出口,，這是知識(shí)內(nèi)化最有效的手段之一,。同時(shí)，在實(shí)踐中提高學(xué)生的科研鑒賞力,，拓展視野和格局,，這為培養(yǎng)一流的復(fù)合型人才奠定了重要的基礎(chǔ),。”在談到學(xué)生本科階段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)模式時(shí),，陳棋教授這樣說(shuō)到,。
