当前位置: 主页 > 太阳能 > 杨世和:钙钛矿太阳能电池研究正在开悟之坡上稳步前进

杨世和:钙钛矿太阳能电池研究正在开悟之坡上稳步前进

发布时间:2020-10-07 点击:钙钛矿太阳能电池前景
  

  在电催化方面,发展了二维复合催化剂,如LDH和石墨烯的插层产氧电催化剂,是当前发展较快的高效非贵金属产氧电催化剂之一。最近的系统研究厘清了具有分散Fe单原子的二维Fe-CNx催化剂在酸(FeN4)碱(g-型 N-CH)介质中的氧还原催化活性中心。

  几十年来,研究文化其实发生了很大的变化。原来更多的是小分队合作,老师和学生的联系更紧密。我开始研究工作时实验室的事大都是和学生一起做,老师和学生的关系更像师徒关系。现在大团队作战的多一些了。这与科研事业发展的进程有关:原来的研究领域更些,需要精深探索;而现在单一领域日趋成熟,更需整合不同领域。这其实对学生提出了更高的要求:你要知晓更多的东西,但又不能样样精通。

  我们团队的研究目前主要集中在太阳能利用,包括将太阳能转换成电能和化学能。深入探讨电子与光子的相互作用,电子的转移,收集和重排以及相应的化学键重组是我们关注的基础问题,以此促进太阳能材料和器件的创新。

  杨教授不仅在科研领域有着丰硕的,多次获得国家和省部级嘉;同时杨教授也为国内外众多高校和科研机构培养了一批批优秀的科研人才。请杨教授可否针对导师如何带领学生做科研以及学生如何更好的开展科研生涯,分享一些您的经验并给指导意见。

  太阳能是我们的可持续的终极清洁能源。将太阳能高效地转换成可运输,可储存的绿色气体液体燃料如氢气具有广阔的应用前景。实现这种从太阳能到化学能的至少有一下三种方式:1)太阳能电池加水电解;2)光电化学水分解;3)光催化水分解。这三种方式各有优缺点,但目前第一种方式因其优化及部件的而致效率最高。第二种和第三种有集成和无线的优势,但核心材料的优化和匹配和器件组件的设计和优化是当前要解决的关键问题。这些材料和结构要同时满足高吸收高传导低损失的要求。

  在团簇研究的基础上,我后来将研究兴趣延伸到纳米材料的生长,特别是纳米线阵列的原位生长,以及纳米材料在能量转换,特别是太阳能转换中的应用。所以我后面关于纳米能源的跨领域研究发源于我早期团簇研究的根。我一直认为,根扎的深枝叶才能茂盛。纳米能源材料方面的研究工作虽然跨越多领域,但在化学物理上都是相通的,主要关心的是材料中原子的价电子的行为。由于受兴趣駆使而非功利心,我趋向于把研究看生中难得的旅行,最关注的不是结果,而是过程和周围的风景,有一种行到水穷处,坐看云起时的。

  在光电化学领域,发展了聚光结构和杂化结构,以实现光子管理与电子管理并进,有效地促进了从太阳能到化学能的转换。最近,通过和异质结构建的有机结合,解决了表面缺陷降低光电压及异质结能级失配的问题,提升了电极在低偏压下的分解水光电流密度,从而极大地提高分解水的效率。

  现如今,能源问题是一个全球化问题,各个国家的众多科研工都在努力研发各种新型能源来应对这个问题。请杨教授就新型功能化纳米材料应用于新能源领域的应用前景、主要困难等方面发表您的观点。

  杨教授团队在能量领域,比如钙钛矿型太阳能电池的研究中有很多重要工作,在您看来,目前钙钛矿太阳能电池的研究处于什么阶段?所面临的挑战有哪些?

  在新兴的钙钛矿太阳能电池领域,发展了反应嵌入式碳基无空传输层电池,NiO基反式结构太阳能电池,以及基于胶体前驱体形成钙钛矿薄膜的配位化学机制。最近的一个工作发展了钙钛矿在空气湿度下通过预成核的策略有效地控制了钙钛矿薄膜的高质量生长,使得在空气中制备高性能钙钛矿太阳能电池成为可能。

  另外钙钛矿的廉价和易加工性使得钙钛矿太阳能电池很快地向大面积电池和模组方向发展,遇到的问题是如何在放大的过程中尽可能地减小效率的损失和保持电池的稳定性。稳定性问题的解决也会使钙钛矿材料对的影响减小至最低程度。但是经过研究者的努力,通过结构设计,组分工程,,界面修饰等,使得以上几个方面都得到了长足的发展。可以说目前钙钛矿太阳能电池的研究已经越过了达克效应的山峰和之谷,正在开悟之坡上稳步前进。

  众所周知,杨教授不仅在低维纳米材料的设计合成领域丰硕,也在新型太阳能电池、光电化学电池、二氧化碳电化学及光催化还原、新型光电器件开发等诸多领域取得突破进展。请问杨教授,在这些不同学科和跨领域研究工作中,您是怎样做到都能做出高水准研究工作的?可否跟我们分享您的经验与。

  近二十年来,新型能源纳米材料和器件的发展势头非常强劲,包括太阳能电池,锂电池/类锂电池,超级电容器,热电转换器,纳米发电机等等。其中有一些已经商业化或者接近商业化。我们知道,新型能源纳米材料和器件的研制在横向上涉及到跨学科科学和技术问题,在纵向上依赖于基础研究和应用研究的衔接。这样在发展过程中会碰到这样那样的困难。所以进一步的发展有赖于克服这些各种各样的困难。

  目前高性能材料如III-V族半导体可实现高效太阳能到化学能的转换,但稳定性和高成本是存在的问题。可持续性材料有的吸光性差,如TiO2,有的传导性差,如Fe2O3. 对于光阳极来讲,目前BiVO4因其相对较强的太阳光吸收和较好的载流子传到成为其中的佼佼者。我们最近通过其与氮化碳(C3N4)形成的异质结以及相应的Mo和B,促进了电子空分离,从而有效地提升了电极在低偏压下的分解水光电流密度。进一步解决吸光和传导的问题有望最终发展出基于可持续性材料的高效太阳能到化学能转换的技术。

  我们知道杨教授在纳米材料、能源等多个领域都有建树。请问杨教授,您和您团队目前正聚焦在哪方面工作当中,有哪些激动的进展和发现?

  杨世和是大学深圳研究生院和科技大学教授,广东省纳米微米材料研究重点实验室主任。长期致力于团簇、纳米材料和新能源领域的研究。近年来聚焦于旨在可持续太阳能利用的低维多级纳米材料的设计、构建和多功能化。在国际权威期刊上发表论文约600篇。发表论文被引用40000余次。

  中国既是能源短缺国、又是能源消耗大国,如何在实现能源的有效利用的同时,好生态,是一个严峻挑战。光催化技术可以将太阳能成氢能,氢能作为一种高效绿色能源,在众多领域有着广阔的应用前景。请杨教授就目前热门光催化材料,如TiO2、过渡金属氧化物、新型光催化材料和共催化复合材料各自的优缺点,发表您的看法。

  卤素钙钛矿太阳能电池的迅猛发展是太阳能领域的一个奇迹。在短短的几年内其效率就已直逼单晶硅的电池效率。钙钛矿太阳能电池相对于其它高效太阳能电池的一个最大特点是可以溶液加工而不失其高性能。这可以归因于形成卤素钙钛矿材料的相对较弱的离子键,使得其前驱体能够在极性溶剂中沿着一定的向自组装而得到尽可能完美的又具有一定的缺陷度的钙钛矿薄膜。这个弱离子键的特点同时也产生了钙钛矿材料自身的稳定性问题,包括光,热,电,水,氧,机械力等的影响。

  一个人的历程取决于你所处的和自身的取舍。决定了你不能做什么,自身决定了你能够做什么。所以我一直在允许的情况下尽量做自己感兴趣的事。真正把我引导到科研上的是我的研究生导师Richard E. Smalley教授。他将我引到了一个新兴领域—团簇—也就是纳米材料的前身。我当时刚到美国对科研脑子里一片空白,Richard E. Smalley教授绘声绘色地将团簇描述为从原子到固体的过渡,指出了其在物质结构中无限的研究机会,使我受到很大的感染和影响。团簇的研究没有初衷,导致了富勒烯家族的发现,有力地推动了纳米科技的发展。

  团队的大小对师生关系会有直接影响,如团队太大见老师一面都不容易。不管怎样,我希望学生有性,有自己的兴趣,同时尊重学生的兴趣。培养性是自立的根本,这是研究生阶段的一个重要任务。培养性当然不是放羊不管,而是关注,引导,达到润物细无声之妙。在像能源纳米材料这样的跨学科领域,学生既要敢做敢闯,又要不忘记基本功;既要能粗到跨学科的主干,又要能细到技巧性的枝节。这是很高的要求,不能一蹴而就,需要逐渐培养。总的来讲,我觉得最重要的是培养兴趣,少一些功利心。兴趣是最好的老师,也是最好的伴侣。

  Cell Press细胞出版社特别邀请本次活动嘉宾之一的杨世和教授进行了专访,请他为大家进一步详细解读钙钛矿太阳能电池研究领域的发展。

  之前我们对杨阳教授进行了一次专访(),今天,我们又邀请到了本次在线另一位嘉宾杨世和教授。杨世和教授长期致力于研究物质从原子、过渡到凝聚态的中间形态(团簇和低维纳米材料)的结构、性质及应用。现阶段的研究兴趣包括设计新材料、发现新现象、建立新机理及拓展其在能量转换中的应用等方面。研究特色保持基础与应用并重,材料与器件相成,与创新同进。

  能源问题是当前的所有问题之首,而纳米科技的利剑似乎就是为了解决这个问题应运而生。这是我的导师,诺贝尔金获得者Richard E. Smalley教授二十年前就提出的一个命题。能量对于人类之所以重要是因为远离平衡态的耗散体系(如生命和社会)需要能量和物质来驱动。新型功能化纳米材料在新能源领域的应用前景是显而易见的。事实上自然界早已进化出完美的纳米结构通过光合作用来获取太阳能,生物体内负责能量转换的纳米机器更是不胜枚举。但现今自然界的生物能以远远不能满足人类社会的迅速发展。科学认识的深化和技术的进步对发展应用于新能源领域的新型功能化纳米材料提出了新的要求。

  化石燃料给人类文明送上了的一程,但化石燃料毕竟是不可持续的,而且其利用会导致气候暖化和污染。我们现在的任务就是要利用化石燃料给我们留下的宝贵遗产—科技知识积累—来实现从化石燃料到太阳能燃料的尽快过渡。

    顶一下
    (0)
    0%
    踩一下
    (0)
    0%
    相关文章 Top↑
    精彩推荐