納米材料將如何顛覆太陽(yáng)能電池技術(shù)

:寧志軍：上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 助理教授他認(rèn)為這個(gè)比頭發(fā)絲小一千倍的“小玩意”，有可能徹底地顛覆未來(lái)世界。

寧器件的制備以及性能提高。主要分為兩個(gè)方向，一個(gè)是納米材料的設(shè)計(jì)與制備，另外一個(gè)是器件的設(shè)計(jì)與制備。

納米技術(shù)是一個(gè)比較寬泛的概念，沒(méi)有非常明確、絕對(duì)的定義，我們可以說(shuō)，在原子、分子以及在亞微米這個(gè)尺度上進(jìn)行的基礎(chǔ)研究，都可以把它定義為納米科學(xué)。針對(duì)納米科學(xué)發(fā)展出來(lái)的技術(shù)，我們稱之為納米技術(shù)。頭發(fā)絲的大小大概是幾十個(gè)微米左右，納米科技所研究的對(duì)象，大概是頭發(fā)絲的千分之一，以及更小的尺度上。這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展非常迅速的，它的應(yīng)用前景包括很多方面，比如在發(fā)光顯示方面，我們現(xiàn)在看到的電視機(jī)、手機(jī)的顯示器。在這個(gè)里面，用發(fā)光的納米材料可以使分辨率更加高，色域更加廣，同時(shí)可以減少能耗。在探測(cè)方面，納米材料可以做更靈敏的光探測(cè)器，比如說(shuō)手機(jī)攝像頭，可以提高它的分辨率。晚上我們拍照時(shí)不清晰的圖像，可以通過(guò)納米技術(shù)進(jìn)一步提高分辨率。從更廣泛的定義上來(lái)講，納米材料已經(jīng)有非常多的應(yīng)用了，比如說(shuō)在芯片里面，它已經(jīng)應(yīng)用得非常成熟了。比如華為手機(jī)里面的麒麟芯片，它的每個(gè)基元尺寸的話大概只有七個(gè)納米左右。可以說(shuō)納米技術(shù)在我們?nèi)祟惿町?dāng)中其實(shí)是無(wú)處不在的，未來(lái)的影響也將是非常大的。比如太陽(yáng)能電池，通過(guò)納米技術(shù)可以進(jìn)一步提高它的性能，制備更加高效的太陽(yáng)能電池，以后可能能夠取代煤、化石這種能源，利用太陽(yáng)能來(lái)發(fā)電，不會(huì)再造成環(huán)境的污染。

我的課題組現(xiàn)在主要是圍繞這幾個(gè)方面，一個(gè)是太陽(yáng)能電池這一塊，就是新能源這一塊，用納米結(jié)構(gòu)來(lái)解決目前新興太陽(yáng)能電池技術(shù)所面臨的一些問(wèn)題，比如說(shuō)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，現(xiàn)在的效率較高，但是穩(wěn)定性還不夠，所以需要繼續(xù)提高它的穩(wěn)定性。同時(shí)，我們還致力于另外一種新興的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池技術(shù)，就是錫基鈣鈦礦，傳統(tǒng)的鈣鈦礦是用鉛鈣鈦礦，鉛鈣鈦礦的問(wèn)題之一是毒性比較大，對(duì)環(huán)境不太友好。另外，它的理論效率也有一定的限制，所以我們希望通過(guò)非鉛鈣鈦礦，也就是錫鈣鈦礦材料的開(kāi)發(fā)來(lái)降低它的毒性，同時(shí)提高它的轉(zhuǎn)換效率，我們目前在設(shè)計(jì)和制備新型納米結(jié)構(gòu)，來(lái)提高它的穩(wěn)定性，提高它的效率，現(xiàn)在取得了一些重要的階段性的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了目前效率最高的錫基鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。

到目前為止，我覺(jué)得自己最有代表性的一個(gè)工作，是通過(guò)表面的化學(xué)鍵的改變，來(lái)降低納米材料表面的一些缺陷。納米材料的合成方法現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟了，但是沒(méi)法把它做成很好的器件，這個(gè)方法可以很好地解決從納米材料制備到器件組成，器件制備這一塊中間環(huán)節(jié)的問(wèn)題，使得納米材料從材料合成到高效器件這一步走得更加順利。這個(gè)研究開(kāi)始的時(shí)候是很不順利的，大概有一到兩年的時(shí)間，嘗試了很多很多的方法，但是都沒(méi)有取得很好的效果。在經(jīng)過(guò)不停地嘗試之后，最終發(fā)現(xiàn)一種配體性能很好，除了配體本身以外，化學(xué)鍵的構(gòu)成和溶劑、反應(yīng)環(huán)境也密切相關(guān)，通過(guò)兩個(gè)方面同時(shí)去努力，最終找到了這樣一個(gè)合適的方法，成功地將量子點(diǎn)表面所固有的缺陷大幅降低，使量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池效率有大幅的提高。再往后進(jìn)一步，我們又在《Nature》上面發(fā)表了一篇文章，這一系列工作，在一定程度上解決了量子點(diǎn)，從溶液法的合成，到固態(tài)器件制備這個(gè)環(huán)節(jié)的問(wèn)題。

做合成的時(shí)候，我們關(guān)注的更多是新結(jié)構(gòu)的制備這一塊，但是如果新結(jié)構(gòu)和新材料沒(méi)有跟器件結(jié)合起來(lái)，我們看到的只是這一個(gè)物質(zhì)的出現(xiàn)，并沒(méi)有把它轉(zhuǎn)化成真正的性能提高。所以這時(shí)候就需要在器件層面，運(yùn)用電子工程和物理學(xué)的知識(shí)，用系統(tǒng)工程的方法來(lái)研究材料在特定的器件結(jié)構(gòu)里面的性能，這樣一個(gè)研究方式，能夠更有效地推動(dòng)整個(gè)材料和器件性能的提高。所以多學(xué)科的交叉，對(duì)納米材料與器件，比如納米光電器件這個(gè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，是非常重要的。

在博士期間，我在做基于分子的有機(jī)材料和光電器件的研究。那個(gè)時(shí)候，我看到的是分子科學(xué)在光電器件領(lǐng)域里面很好的應(yīng)用前景。在博士后期間，我又進(jìn)入到無(wú)機(jī)納米材料這個(gè)領(lǐng)域，我看到了無(wú)機(jī)納米材料在光電器件方面一些優(yōu)異的性能。我回國(guó)之后，希望把無(wú)機(jī)跟有機(jī)材料結(jié)合起來(lái)，通過(guò)雜化的方式，進(jìn)一步提高目前納米材料光電器件的性能。

在這個(gè)領(lǐng)域里同時(shí)也有很多的機(jī)會(huì)、很大的空間，有很多研究是探索新型的材料結(jié)構(gòu)和新奇的性質(zhì)的，這也是吸引我往目前這樣一個(gè)方向去研究和發(fā)展的原因。

科學(xué)的美，就是當(dāng)通過(guò)我們的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)我們的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了之前不存在的一種物質(zhì)，或者發(fā)現(xiàn)了人類以前從來(lái)沒(méi)有看到過(guò)的結(jié)構(gòu)，再用實(shí)驗(yàn)去證實(shí)它的存在，發(fā)現(xiàn)它不一樣的性質(zhì)，這就是科學(xué)美的體現(xiàn)。在第一個(gè)階段，發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，我們希望通過(guò)進(jìn)一步的努力去把它真正地應(yīng)用起來(lái)，這又是另外一層的發(fā)展，也是非常重要的一個(gè)方向，我們希望科學(xué)的美，不單是書本上的美，還可以真正地應(yīng)用在我們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中，去服務(wù)于人類社會(huì)。

原標(biāo)題:比頭發(fā)絲小一千倍的納米材料，如何顛覆未來(lái)能源｜一刻·專訪