太阳能转化效率大幅提升背后的严师传承

本文转自：中国科学报

方国家（左三）、柯维俊（左二）团队在实验室。李思辉/摄

■本报记者 李思辉 通讯员 吴江龙

“选谁都可以，就是不要选方老师，他特别严！”每每想起学姐的话，以及自己的“偏不信邪”，如今已是武汉大学教授的柯维俊都会暗自庆幸。

幸好10年前，他没有听学姐的话，义无反顾地报考了方国家的研究生，要不然他就错过了一位严师、良师，也不会这么快迎来学术生涯的一个“高光时刻”——11月9日，《自然》杂志在线发表了他和武汉大学教授方国家团队一项关于全钙钛矿叠层太阳能电池的最新研究成果。该成果达到了目前两端全钙钛矿叠层电池的世界最高效率之一。

学姐的告诫

2011年春天，在江西师范大学读大四的柯维俊决定报考武汉大学。该校物理科学与技术学院名师众多，他不清楚该报考哪位导师的研究生。几经辗转，他联系上一位学姐，并虚心向她请教。学姐认真且干脆地告诉他：“选谁都可以，就是不要选方老师，他特别严！”

后来他了解到，学姐口中的“方老师”叫方国家，长期从事薄膜太阳能电池研究。他对学生的学习和科研有严格的要求，会定期验收科研进展，不允许学生虚度光阴。

“我从普通院校考进武汉大学，应该比一般人更勤奋、更努力，怎么能怕导师要求严格呢？越严格越好！”于是，柯维俊积极备考，最终成为方国家的学生。柯维俊将这看作科研生涯的一个“重要转折”。

进入武汉大学后，柯维俊恶补知识结构上的短板，全身心地投入到学习和科研中。他发现自己的学习理念与方国家的培养理念高度契合，师生二人配合得非常默契。

热门的新材料

武汉大学坐落于武昌珞珈山上，半山腰一带集中了许多历史建筑。每到樱花盛开的时节，那里游人如织。然而，从读博一直到出国从事博士后研究，再到回武汉大学任教，这10年里，柯维俊一次都没有去打过卡。去年秋天，他才第一次爬完珞珈山。

“主要是太忙了，学生时期大部分时间都在看文献、做实验，周末和晚上我也在实验室，没特殊事一般不出门。”正是凭着这股钻研劲儿，柯维俊获得了导师的认可。

2014年，方国家把柯维俊送到美国托莱多大学和美国国家可再生能源实验室进行联合培养。博士毕业后，柯维俊顺利到美国西北大学的美国艺术与科学院院士Mercouri G. Kanatzidis课题组从事博士后研究，直到2020年底回到武汉。其间，他专注于钻研一个细分领域——钙钛矿太阳能电池的研究。

柯维俊告诉《中国科学报》，太阳能是一种非常丰富的能源，而太阳能电池是把太阳能直接转化为电能的半导体器件。目前市场上主流的半导体太阳能电池主要是硅电池，但它仍存在一些需要解决的问题，比如，发电成本不够低。要降低太阳能电池发电成本，需要开发一些新材料，其中钙钛矿是“大热门”。相对于现在已经商业化的硅太阳能电池，钙钛矿太阳能电池的成本有望大幅降低，是最具潜力的下一代太阳能电池之一。

柯维俊团队最近3年多的研究，主要围绕钙钛矿叠层太阳能电池展开。“‘叠层’意味着它将带来更高的效率。”柯维俊介绍。

一般情况下，硅的光电转化率超过26%，经过10多年的发展，目前单结的钙钛矿的转化效率与之相当，但是进一步提升效率越来越难。如果是叠层钙钛矿，理论效率就可达40%以上，能进一步突破单结电池的效率极限。如何最大可能地提高这个转化效率是柯维俊团队的主攻方向。

实验过程中，研究团队发现了一种特殊的添加剂，其与钙钛矿结合后，能够使太阳能电池的效率和稳定性同时提升，一下解决了上述两个最关键的问题，有望大幅降低太阳能电池的度电成本。

严师的传承

这个添加剂是如何被发现的？论文第一作者、团队博士生周顺表示，2021年，在一次实验中，他偶然发现了一种天冬氨酸盐，它和钙钛矿会发生分子间的相互作用，这同时提高了叠层电池中的窄带隙钙钛矿子电池的效率和稳定性。周顺高兴地把这个情况报告给导师柯维俊，并积极撰写论文。

令他一度郁闷的是，论文写好后，柯维俊迟迟不予投稿，并且一次次要求他再做实验、再进行论证，确保每一个实验数据无懈可击。

眼看时间已经过去一年多，身边的很多同学都相继发表了论文，而自己还在实验屡屡失败以及导师的严苛要求中徘徊，周顺开始焦虑。“最初，我只希望这篇文章能发表于国际期刊，以后有机会再发更好的期刊。但柯老师坚持精益求精、反复打磨，有点儿极度完美主义。”周顺说。

学生“闹情绪”时，柯维俊会打趣、缓和气氛，但要求绝不放低。他说，方国家的“严”，让他受益终身，“现在自己做老师了，不能误导学生，学做研究的时候严一些，今后科研效率、质量才能更高。一旦放松了要求，觉得差不多就行了，往往研究就停留在二三流”。

今年5月，经过多轮数据校正，武汉大学团队通过天冬氨酸盐一体化掺杂策略同时提高了窄带隙钙钛矿子电池的效率和稳定性，叠层电池实现了第三方认证效率27.34%（科研团队自测稳态效率为27.62%），这是两端全钙钛矿叠层电池的世界最高效率之一。

至此，柯维俊才同意投稿，并将其直接投给了《自然》。《自然》审稿人高度肯定了团队的研究，但还是提了几十条修改意见。最终经过5个月的修改与审稿，论文正式被接收。周顺终于松了口气，并在朋友圈感慨 “守得云开见月明”。

有严亦有宽

方国家在接受《中国科学报》采访时表示，他和团队成员2003年就开始研究与薄膜有关的光电材料。10多年前，柯维俊攻读博士时，开始研究光电材料、器件的制备。他认为，包括钙钛矿叠层太阳能电池在内的新型电池未来应用空间很大，但目前还有不少亟待解决的科学问题。在这方面做出领先全球的研究，非常有意义。

让方国家感到欣慰的是，他的学生柯维俊现在成了老师，而且产出了很优秀的成果。更令他开心的是，柯维俊不仅接续了他的研究，而且继承了他培养学生的方式。

方国家说，他在学生培养方面始终坚持“严与宽”并行。在生活上，对学生应该“宽”一些，多些关心爱护，但在学术研究上一定要严一些。学生在读书的时候可能不是很理解，一旦走向社会、参加工作了，或者自己成为师者了，就能理解严格要求的意义——让学生更严谨、学到更多东西、得到更多锻炼，有助于一个人取得创新型成果、突破性成果。

方国家认为，周顺等人的成果登上《自然》就是一个很好的例子。因此，培养学生一定要立规矩、明方向、定目标、促落实，唯有如此，才能为学生今后的科研生涯打下坚实的基础。

“当年那位学姐现在在哪儿？没听她的建议你后悔过吗？”面对记者的提问，柯维俊爽朗一笑：“我一直感谢她的好意。但我一直为当年的选择感到庆幸。外出交流过程中，我也会遇到一些学生咨询怎么选导师，我的建议是——也许你可以认准一个严一点儿的老师。”

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06707-z