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　　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)習效果，每次聽課前我都會提前預(yù)習課程內(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，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。”李宗麒沿用之前的學(xué)習模式，繼續(xù)通過Edx、Coursera、MIT等網(wǎng)絡(luò)公開課，學(xué)習半導(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。”陳棋教授為李宗麒提供了新的思路。

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。”在實際操作中，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。“在實驗過程中，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。”李宗麒豁然開朗。

　　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。“讓我印象最深的一次是對新的計算模型進行設(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。”李宗麒說：“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。”

　　“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。