武漢大學科學家新研究可大幅提升太陽能轉化效率

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“選誰都可以，就是不要選方老師，他特別嚴！”每每想起學姐的話，以及自己的“偏不信邪”，柯維俊就暗暗慶幸。

幸好10年前，他沒有聽學姐的話，義無反顧地報考了方老師的研究生，要不然他就錯過了一位嚴師、良師，也不會這么快就迎來自己學術生涯的一個“高光時刻”——11月9日凌晨，《自然》雜志在線發表了柯維俊教授和方國家教授團隊一項關于全鈣鈦礦疊層太陽能電池的最新研究成果，該成果實現了目前兩端全鈣鈦礦疊層電池的世界最高效率之一。

武漢大學方國家（左三）、柯維俊（左二）團隊。李思輝攝

學姐的告誡

那是2011年的春天，還在江西師范大學讀大四的柯維俊決定報考夢想中的大學——武漢大學的研究生。武大物理科學與技術學院名師眾多，該報考哪位導師呢？他拿不準，幾經輾轉，聯系上一位學姐，虛心向她請教。學姐捋了捋額頭上的流海，認真且干脆地告訴他：“選誰都可以，就是不要選方老師，他特別嚴！”

“方老師”是誰？武漢大學二級教授、國務院政府津貼獲得者、“中國高被引學者”方國家。“方老師”長期從事薄膜太陽能電池研究，他對學生的學習和科研有嚴格的要求，不允許他們混日子。他還會定期驗收學生的科研進展，不允許有人虛度光陰。

“我從‘雙非’學校考來武大，當然應該比一般人更勤奮、更努力，怎么能怕導師要求嚴格呢？越嚴格越好！”抱著這樣的態度，柯維俊積極備考，終于在那年的初秋時節，成為武大的一員，成為方老師的學生。這個決定，被他看作是自己科研生涯的一個“重要轉折”。

進入武漢大學后，他不斷惡補知識結構上的短板，面對經常失敗的實驗，他也甘之如飴，全身心地投入到學習和科研中。有趣的是，他發現自己的勤奮好學，與方老師的培養理念高度契合，師生二人配合得非常默契。

熱門的新材料

被譽為中國最美大學之一的武漢大學，坐落于武昌珞珈山上，珞珈山的半山腰有一條環山公路，那一帶也集中了武大的許多歷史建筑，每到櫻花盛開時節，游人如織，爭相打卡。然而，讀博士期間，直到在國外做博士后，再到回學校擔任教職，這中間的十年里，他竟然一次都沒有去過那里。去年秋天，他才第一次完整地爬完了珞珈山。

“主要是太忙了，自已做學生的時候大部分時間是看文獻和做實驗，周末和晚上我也在實驗室，沒特殊事一般不出門。”正是憑借這樣的鉆研勁頭，柯維俊獲得了導師的認可。2014年讀博期間，方國家教授就送他到美國托萊多大學和美國國家可再生能源實驗室聯合培養，博士畢業后又順利到美國西北大學的美國藝術與科學院院士Mercouri G. Kanatzidis教授課題組做博士后，直到2020年底回到武漢大學擔任教職。在此期間，他專注于鉆研一個細分領域——鈣鈦礦太陽能電池的研究。

柯維俊告訴《中國科學報》，太陽能是一種非常豐富的能源，太陽能電池就是把太陽能直接轉化為電能的半導體器件。目前市場上主流的半導體太能電池主要是硅電池，它仍面臨著一些需要解決的問題，比如，發電成本還不夠低。要降低太陽能電池發電成本，就需要開發一些新材料，鈣鈦礦是一個“大熱門”。相對于現在已經商業化的硅太陽能電池，鈣鈦礦太陽能電池的成本有望大幅度降低，是下一代太陽能電池的最具潛力者之一。

柯維俊團隊最近三年多的研究，主要圍繞鈣鈦礦疊層太陽能電池展開。“‘疊層’意味著它將帶來更高的效率。”柯維俊表示。

他介紹，太陽能電池需要完成一個把光轉換成電的過程。一般情況下，硅的轉化率超過26%，經過十多年的發展目前單結的鈣鈦礦效率也可以做到與之相當的水平，但是想要進一步提升卻越來越難。如果是疊層鈣鈦礦，理論效率可以達到40%以上，可以進一步突破單結電池的效率極限。如何盡最大可能提高這個轉化效率是該團隊的主攻方向。

柯維俊團隊在實驗過程中，發現了一種特殊的添加劑，這種添加劑與鈣鈦礦結合后，能夠同時提升太陽能電池的效率和穩定性，一箭雙雕地解決了上述兩個最關鍵的問題，有望大幅降低太陽能電池的度電成本。

作者的焦慮

這個添加劑是如何發現的？論文第一作者、博士生周順表示，2021年，在一次實驗過程中，他偶然發現了一種天冬氨酸鹽，它會和鈣鈦礦發生分子間的相互作用，這種相互作用同時提高了疊層電池中的窄帶隙鈣鈦礦子電池的效率和穩定性。有了這個發現后，周順高興地把這個情況報告給了導師柯維俊，并積極撰寫論文。

令他一度非常郁悶的是，他的論文寫好后，柯維俊遲遲不予投稿，并且一次次要求他再做實驗、再進行論證，確保每一個實驗數據都無懈可擊。眼看時間已經過去一年多，身邊的很多同學都相繼發表了論文，而自己還在實驗屢屢失敗、導師嚴苛要求中徘徊，周順開始變得焦慮，這個過程非常煎熬。

他坦言：“最初，我只希望這篇文章能發表到國際期刊就滿足了，以后有機會再發更好的期刊。但柯老師堅持要精益求精，反復打磨，有點極度完美主義。”

面對頗有情緒的學生，柯維俊有時會打打趣、緩和下氣氛，但終究不肯放低要求。他說，方老師的“嚴”，讓自己受益了終生；現在自己做老師了，也不能誤導了學生——學做研究的時候嚴格一些，今后才能更嚴謹一些，科研的效率、質量才可能更高一些；一旦放松了要求，覺得差不多就行了，往往就會淪為二、三流研究。

今年五月份，經過多輪數據校正，并拿到第三方權威認證：武漢大學團隊通過天冬氨酸鹽一體化摻雜策略同時提高了窄帶隙鈣鈦礦子電池的效率和穩定性，疊層電池實現了第三方認證效率27.34%（科研團隊自測穩態效率為27.62%），達到兩端全鈣鈦礦疊層電池的世界最高效率之一。

至此，柯維俊才終于同意：“可以投稿了，要投就投最好的《自然》。”

審稿過程相對順利：《自然》審稿人對工作提出了高度肯定，但是還是提了幾十條修改意見，該團隊全員出動，與時間賽跑。最終，經過五個月的審稿過程終于正式接收了！得知論文被《自然》接收，周順立馬發了一條朋友圈 “守得云開見月明”。

 方老師的“嚴”

方國家在接受《中國科學報》采訪時表示，他和團隊成員2003 年就開始研究包括與薄膜有關的光電材料。10多年前，柯維俊老師在這里攻讀博士，也開始研究光電材料、器件的制備。他認為，包括鈣鈦礦疊層太陽能電池在內的新型電池未來會有很大的應用空間，但目前也還有不少需要迫切解決的科學問題，這需要一個過程，但這方面領先全球的研究非常有意義。

談到柯維俊，他欣慰的是，自己的學生現在也成了老師，也在帶博士，而且帶出了很優秀的成果。更令他欣慰的是，柯維俊不僅接續了他的研究，而且繼承了他“嚴”的培養方式。

在對學生的培養上，方國家始終堅持“嚴與寬”。 他認為，在生活上，對學生應該更“寬”一些，多些關心愛護。在學術研究和做事上一定要要求更嚴一些，學生在讀書的時候可能還不是很理解，可一旦出去工作了以后，或者他自己為師了，他就會理解，嚴格能夠讓他更嚴謹、學到更多東西、得到更多鍛煉，有助于一個人取得創新型成果、突破性成果。比如周順這個成果，如果要求不嚴、不高，也許就埋沒在論文堆里了，不可能登上《自然》。所以說，對學生一定要立規矩、明方向、定目標、促落實，唯有如此才能在潛移默化中，鍛煉學生的研究能力，為他們今后的科研生涯奠定基礎。

“當年那位學姐現在在哪兒？沒聽她的建議你后悔過嗎？”面對記者的提問，柯維俊爽朗一笑：“我一直感謝她的好意。但我一直為自己當年的選擇感到慶幸。外出交流過程中，我也會遇到一些學生咨詢我怎么選導師，我經常的建議是——也許你可以認準一個嚴一點兒的老師。”

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