光学青年

段春晖教授:“高效率+低成本+高稳定性”是我对有机太阳电池的不懈追求

段春晖教授,博士生导师,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室、材料科学与工程学院教授,第十四批国家“海外高层次人才引进计划”青年项目入选者,广东省青年珠江学者。2008年本科毕业于大连理工大学、2013年博士毕业于华南理工大学。2014年至2017年在荷兰埃因霍温理工大学开展博士后研究。

段春晖教授长期从事有机高分子光电材料与器件的研究,在有机高分子光电材料的设计合成、光电器件界面调控、高性能有机太阳电池等方面取得了系列创新成果。至今发表SCI论文80多篇,其中第一/通讯作者论文56篇,论文获他人引用4200多次,h因子30,先后12篇论文入选ESI高被引论文;共同主编中文专著1部,出版英文专著4章;申请/授权发明专利12项。曾获2014年高等学校科学研究优秀成果一等奖(第六完成人)、2013年中国青少年科技创新奖等奖励。

“我希望能用结构简单的低成本材料制备出高效稳定的有机太阳电池,在今后走向应用。”在采访中,这是段春晖教授反复提及的一句话。“实用性”三个字深深扎根于他的科学研究中,指导着他在有机光伏领域不断取得成果,向着应用这扇大门不断靠近。

 学科交叉的魅力也是科研的动力 ●

我的大学专业是高分子材料,当时以专业第一的成绩保研到华南理工大学,师从中国科学院院士曹镛教授。曹院士的研究方向是有机太阳电池,在这一阶段,我逐渐发现了这一领域的乐趣和意义。

与传统高分子材料的研究范围不同,有机光伏的学科交叉跨度非常大,进入这一领域好像打开了一扇大门,从有机化学反应、高分子化学合成、再到高分子物理、器件物理和半导体物理,往上、往下都能不断延伸,能探索、拓展的领域非常广阔,充满了未知。这帮助我确立了日后的研究方向。

后来,我前往荷兰埃因霍温理工大学从事博士后研究工作,很多器件研究及制备方面的经验都是在这一时期跟随René A. J. Janssen教授及其团队积累下来的。René A. J. Janssen教授是荷兰皇家科学院院士,曾荣获荷兰最高科学奖,他的知识非常渊博,具有良好的物理学、化学的知识背景,从化学到器件物理的功底都非常深厚,并在化学系、物理系分别带组从事科学研究,他的科研模式深深影响了我,我在日后独立从事科学研究时也十分注重学科交叉。

博士后阶段,我参与了一个关于有机叠层太阳电池的欧盟研究项目,当时我的任务是制备宽带隙材料。但我意识到这是一个很好的涉入器件研究的机会,叠层比单层的器件难做很多,除了对器件工艺上的要求,还涉及到很多光学模拟。我主动融入到群体中,参与了很多叠层器件和光学模拟的研究。在日后我回国继续从事有机太阳电池的研究时,先前的科研训练大大扩展了我的知识面,在研究中更有底气和信心。

 希望制备出“高效率、低成本、高稳定性”综合性能良好的器件

回国后,我一直以实际应用为导向开展有机光伏技术的研究,并组建了一个学科高度交叉融合的研究团队,由化学、材料、半导体、光电技术等不同专业背景的成员组成,开展“有机合成→材料表征→器件集成”的全链条研究。我们的研究以有机光伏材料的分子设计与合成为基础,结合材料表征与器件物理研究,致力于推动有机太阳电池的技术进步与实用化。

目前,光伏技术的类型较多,如硅电池、钙钛矿电池、胶态量子点电池等,都是很有潜力的发展方向。而有机太阳电池具有很独特的优点,如可溶液加工、轻质量、机械柔性、半透明、颜色可调等,在便携式和可穿戴电子产品、光伏农场、光伏建筑一体化、物联网等领域具有较好的应用前景。经过多年的发展,有机太阳电池的能量转换效率不断提升,目前已经超过18%。在兼顾效率的同时,如何提高器件的稳定性、降低材料的成本是我现阶段及未来在有机太阳电池方面的研究重点。我希望能采用较为绿色的手段、制备出综合性能良好的材料。

近年来,我和团队取得了一些研究成果。开发了几类结构简单的新型构建单元,仅需几步反应即可合成,材料制备成本显著降低;在全聚合物太阳电池方面,通过改进受体的表面能和相容性,获得了稳定性极为优异的器件;最近还实现了全聚合物太阳电池的世界纪录效率。这些工作得到了国际同行的积极评价。

但现在我还无法将低成本、高效率、高稳定这三者全部集成到同一个材料上。同时,由于受体材料本身的问题,稳定性暂时较难解决。我还需要花功夫找到既简单又稳定的新受体。

8月份,大多数同事都在休假,我开始在实验室做这项工作。那时在大多数人看来,我采取的这种磨片子方法是不规范、不靠谱的,不少人觉得这样不可能做得出来,但是我的导师支持我积极尝试。事实证明,我用这种“非主流”的方法制备出了当时品质因子最高的氧化锌微腔,直接实现了室温下的极化激元凝聚,并在此微腔上实现了一系列之前没有条件实验的与极化激元凝聚相关的物理效应,也发表了非常漂亮的实验数据和理论分析。一起合作研究的同事甚至称这个微腔为Feng’s cavity。

国内亟需科研与产业紧密结合的联盟组织 ●

在荷兰从事博士后研究工作时,我发现当地的科研与产业的结合非常紧密。举个例子,大学里设计新材料,或者提出器件方面的新概念,那接下来材料的放大合成、器件的大面积制备等一系列工作,都可以交给公司来完成,这种公司类似于介于科研院校与产业之间的孵化器公司,并会得到大公司的资助。这与我出国以前的认知非常不同。

为了促进光伏的发展,2012年荷兰成立了Solliance光伏联盟,鼓励进行硅薄膜、有机光电和CIGS的研究。这一联盟将全荷兰做太阳电池的科研单位、公司都纳入其中,并与工业伙伴紧密联系、共同协作,许多初创公司都受到了如飞利浦等大公司的资助与支持,包括我所在的大学和科研团队都加入了进来。

这一联盟对荷兰的贡献很大,有效地将产学研结合起来。任何合作都可以在联盟内部密切进行,出现问题也能进行及时调整;企业有意愿参与到前沿性的研究中来,并对大学的科研计划在简单实用性等方面提出了更高要求。

但国内的光伏领域,我们缺乏这样一个将企业和科研院所整合起来的联盟或组织机构。科研院所的科研人员对企业和市场的需求了解不深,只能按照自己的理解去提出概念或设计结构。尤其是较为前沿的研究领域,在国内主要依靠科研院所、或者高校等科研单位推动,因为距离投入市场和实用阶段仍有差距,企业不太愿意参与或参与得很少。

我认为这也是我国光伏领域目前及未来需重点考虑的方向之一。我回国之后,也希望所从事的这些研究,能够为今后长远的工业生产而考虑,从实用的角度制备结构简单、低成本的材料。

找到有机光伏的应用出口,这是我最希望看到的突破

目前,有机太阳电池的能量转换效率已经取得了很大的进步。回想2008年,我刚读研究生时,有机太阳电池的效率仅达到5%,当时业内的很多大牌专家、院士,甚至诺贝尔奖得主,认为有机太阳电池的效率“天花板”是10%左右。但中国的科研工作者凭借拼搏的精神,将这一效率提升到了现在的18%,按照目前的发展速度,有机太阳电池的效率突破20%指日可待。

效率升上去了,随之而来的是另外两个问题:一是有机太阳电池的稳定性一直没有真正地解决,而且从事稳定性研究的人不多;二是随着效率的提升,材料的结构越来越复杂,合成步骤显著增长,严重制约了大规模生产的潜力。再加上有机光伏的研究已经“热”了近20年,但由于所需材料很昂贵,造成了成本偏高,一直没有找到应用的出口。

用结构简单的新型砌块构筑低成本有机光伏材料,同时保持高效率,并在相对较短的时间内,找到应用出口,最终实现商业化应用,这是我最希望看到的突破。

目前有机太阳电池已经显现出较有潜力的应用:一是半透明器件,将普通的窗户玻璃变为发电玻璃,可使房屋“冬暖夏凉”;二是室内光伏,为物联网传感器供电。我回国之后一直在进行这样的研究,虽然过程很艰难,但已经逐步取得了一些进展,特别是在结构简单的低成本材料方面,我们具有一定的优势。

我有责任和义务支持国内的期刊发展

“荣幸”,这是我加入中国激光杂志社青年编委会的第一反应。在中国激光杂志社第二届编委增选时,我的老师——华南理工大学黄飞教授推荐了我,在经过几轮考核、投票之后,我很荣幸成为青年编委会的一员。

一直以来,我认为自己有责任和义务支持国内的学术期刊,我们最近报道世界纪录效率的全聚合物太阳电池工作就投给了国内的刊物。虽然这是一件“花力气”的事情,不能立竿见影,但我认为有必要建立科研人员对国产期刊的信心和信任。这也是我成为青年编委会的动力之一。