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：2019-08-21 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(guān)注的焦點。在眾多新能源技術(shù)中,，太陽能電池（也稱為太陽能發(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,。
在不到八年的時間里,，鈣鈦礦太陽能電池獲得了22.7%的光電轉(zhuǎn)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(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,，來自北京理工大學(xué)材料學(xué)院材料化學(xué)專業(yè)的2015級本科生李宗麒,，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(guān)領(lǐng)域有著濃厚的興趣,，他通過網(wǎng)絡(luò)慕課平臺，自學(xué)了國外該領(lǐng)域的最新研究技術(shù)與研究進展,，由于當(dāng)時國內(nèi)慕課的發(fā)展還不完善,，李宗麒的自學(xué)主要是通過慕課平臺來進行,。“全英文的授課形式對當(dāng)時的自己來說是一個很大的挑戰(zhàn),，為了達到更好的學(xué)習(xí)效果,，每次聽課前我都會提前預(yù)習(xí)課程內(nèi)容，以便在聽課過程對所學(xué)的知識有更深刻地理解,。我想這就是興趣的力量,。”李宗麒說到,。即便是在備戰(zhàn)高考期間,，李宗麒也擠出時間繼續(xù)學(xué)習(xí)，積累大量的該領(lǐng)域知識,，為他升入大學(xué)進入實驗室開展課題研究,，打下了良好的基礎(chǔ)。
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(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)校每年秋季的實踐學(xué)期，各個學(xué)院會根據(jù)不同專業(yè)學(xué)科方向的特點,，為學(xué)生量身定制相應(yīng)的實踐課程,。
李宗麒所在的材料化學(xué)專業(yè)，會要求學(xué)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(shè)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(guān)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(xué)期正式進入課題組，在陳棋教授的指導(dǎo)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(guān)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(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識上，認為只有具備了足夠的基礎(chǔ)知識才能對實驗本身有足夠的理解,?！崩钭邝柩赜弥暗膶W(xué)習(xí)模式，繼續(xù)通過Edx,、Coursera,、MIT等網(wǎng)絡(luò)公開課，學(xué)習(xí)半導(dǎo)體和太陽能電池的相關(guān)領(lǐng)域知識,。然而,，由于理論知識過于抽象，李宗麒逐漸意識到,，學(xué)習(xí)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(dǎo)致科研進展緩慢,。為此,，李宗麒和指導(dǎo)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(xué)長完成實驗內(nèi)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,?！标惼褰淌跒槔钭邝杼峁┝诵碌乃悸贰?/p>
圖中左為李宗麒,、右為指導(dǎo)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(yīng)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(jié)的小經(jīng)驗，是書本上的理論知識無法取代的,?！霸趯嶒炦^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(jié)合,，對所研究的課題內(nèi)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(chǔ)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(nèi)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(shè)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(nèi),，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(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),。“在大年三十的晚上,，陳老師還在通過電話和我確認實驗數(shù)據(jù)的合理性,。”對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,。”在老師的指導(dǎo)和團隊的共同努力下,，李宗麒以第一作者身份在能源領(lǐng)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(yù)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(shù)路線對于鈣鈦礦光伏產(chǎn)業(yè)化的重要意義，并預(yù)言了鈣鈦礦太陽能電池未來發(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，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(diào)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(zhuǎn)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(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,。
在太陽能電池材料領(lǐng)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(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)化的成本估算標準,。而對于鈣鈦礦疊層技術(shù)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(guān)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(shè)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(dǎo)和規(guī)劃鈣鈦礦光伏和疊層鈣鈦礦太陽能電池的技術(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論文的誕生過程,，李宗麒覺得自己很幸運,。“雖然經(jīng)歷過實驗的失敗,，但是都能在陳老師的指導(dǎo)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(nèi)化最有效的手段之一,。同時,，在實踐中提高學(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)生本科階段進入實驗室的培養(yǎng)模式時,，陳棋教授這樣說到,。
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