InfoMat:刘生忠专访:把握领域前沿,专注专长特色

个人简介:

InfoMat:刘生忠,陕西师范大学特聘教授,大连化学物理研究所特聘研究员,博士生导师。1983年毕业于陕西师范大学,获学士学位;1986年毕业于兰州大学化学系,获硕士学位;1992年在美国西北大学 (Northwestern University) 获博士学位。1992-2011年间,先后在美国Argonne National Laboratory(阿贡国家实验室)、Solarex、BP Solar、United Solar从事研究工作。2012年回国工作,任大连化学物理研究所洁净能源国家实验室太阳能部副部长、陕西师范大学新能源高等技术研究院院长,陕西省能源新材料与器件重点实验室主任、陕西师范大学陕西省能源新技术工程实验室主任。研究领域集中在太阳能电池、钙钛矿单晶材料、纳米材料、薄膜材料、光电功能材料、激光表面处理和光伏技术的开发、放大和生产。担任J. of Energy Chemistry 期刊(Elsevier)国际顾问、Advanced Functional Materials客座编辑、Scientific Report编委、Nano Select 副主编。发表SCI论文200余篇,获国际和中国授权专利六十余项。连续两年入选高被引科学家榜单,H-index 61。

研究工作

InfoMat:您能否简要介绍课题组的工作?

我在陕西师范大学和中国科学院大连化学物理研究所各有一个研究团队。主要研究方向有钙钛矿太阳能电池、高效钙钛矿/单晶硅叠层电池、轻便柔性薄膜太阳能电池、钙钛矿单晶材料、光电探测传感、X-射线及高能射线探测成像、光电催化和太阳燃料等。在钙钛矿电池方面,我们的工作涉及钙钛矿薄膜材料的制备、结晶生长机制和性能优化;电子传输层材料、制备和表面处理;新型空穴传输层材料;添加剂工程;钝化、掺杂及表面工程等。

高效钙钛矿/单晶硅叠层电池主要是由企业牵引的应用项目,通过优化透明导电薄膜,降低吸收和反射损失,提高光利用效率和叠层电池效率。

在轻便柔性钙钛矿薄膜太阳能电池方面,我们涉足较早,具体工作包括柔性基底和透明导电薄膜的优化、大面积薄膜沉积方法、优质电荷传输材料的低温制备方法、真空卷对卷连续薄膜制备方法、超高功质比薄膜电池、弱光应用薄膜电池等。

在钙钛矿单晶材料方面,我们是最早开展钙钛矿单晶生长研究的团队之一,早在2015年,我们就发展了升温反应析晶的单晶生长策略,报道了尺寸为71 毫米的大钙钛矿单晶及其生长方法等;接着我们发展了阶段接力方法,把单晶生长到120毫米,并发展了钙钛矿单晶切片方法和各类集成光电探测阵列;我们提出了“流动辅助限域空间薄片单晶生长方法”,获得了薄度和形状可调的钙钛矿薄片单晶及光电探测传感阵列;

在非铅钙钛矿单晶方面,我们也完成了一系列工作,报道了一系列高性能X-射线探测成像材料和器件。

幸遇希望之星—钙钛矿电池

InfoMat:当您还在上学的时候,未来想从事什么职业?是什么机缘促使您开始钙钛矿太阳能电池领域的研究呢?

  我16岁上大学,那时确实非常幼稚。一听说大学毕业还可以考研究生,就下定决心要献身科学研究。硕士期间听说可以留学深造,自然就有了新的奋斗目标。博士毕业后在美国工作,才慢慢进入太阳能电池研究,主要从事多结硅薄膜电池研发。回国后,正好赶上“第一代”晶硅电池产业崛起,“第二代”薄膜电池面临被淘汰的局面,幸好正赶上钙钛矿电池,自然就选择了这颗希望之星。

InfoMat: 对于您发表的著作,哪些是令您最骄傲的?您最喜欢的是您哪部分的研究工作?(总结代表性工作+代表论文DOI

我最自豪的是我们的单晶生长工作,主要是我的前研究生刘渝城博士和张云霞同学完成的。这部分工作既有前期充分的理论分析和指导,又有大量的实验工作、技术和反应器设计,更有后期的广大应用前景,是我最喜欢的研究工作。简言之,通过分析研究前驱体材料、化学反应、热力学性质、溶剂体系、溶解-络合-结晶平衡、溶解度随温度变化趋势等,设计溶剂-溶液-结晶体系、微反应器、最佳温度区间等,进而应用关键参量,控制反应和生长环境,获得优质单晶。我们已经发展了一系列钙钛矿单晶生长方法,生长了一系列钙钛矿单晶材料,发展了一系列高性能光电探测传感和X-射线成像器件,在单晶尺寸、质量和应用方面等都位居领域前列。主要代表性工作如下:

  • DOI:

1. 10.1002/adma.201502597

2. 10.1002/adom.201600327

3. 10.1038/ncomms16086

4. 10.1016/j.jechem.2017.11.002

5. 10.1039/c6tc03592b

6. 10.1002/adma.201707314

7. 10.1016/j.mattod.2018.04.002

8. 10.1016/j.matt.2019.04.002

  • DOI:

1. 10.1002/adom.201600327

2. 10.1007/s11426-017-9081-3

3. 10.1016/j.mattod.2018.04.002

4. 10.1002/adom.202000814

5. 10.1016/j.matt.2020.04.017

6. 10.1002/adfm.202002742

  • DOI:

1. 10.1002/adma.201601995

2. 10.1038/s41467-018-07440-2

3. 10.1039/c8tc06129g

是机遇也是挑战

InfoMat:您认为未来10年钙钛矿电池发展面临的重大挑战是什么?

钙钛矿是具有ABX3类型的一大类材料,通过替换A、B和X,已经发展了一系列性能优异的光电功能材料,甚至涌现出了一批不严格符合ABX3化学式的“低维钙钛矿”材料。在太阳能电池方面,最接近产业化的是有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池及其与单晶硅电池叠层构成的高效双结电池。面临的挑战主要有两个:一是长期稳定性;二是大面积。因为产业化的标准稳定性测试需要对大规模生产线生产的产品进行随机抽样,目前还没有公司大规模生产钙钛矿电池产品,所有钙钛矿电池的稳定性数据都是基于小规模实验室样品的不规范测量,因此,钙钛矿电池的产品稳定性还需要时间来优化提高。另外,目前的高效钙钛矿电池都限于实验室小面积样品,一旦放大,电池效率急剧下降。实际上虽然小面积钙钛矿电池的效率早已领先所有薄膜电池,但大面积电池的效率还远低于其它薄膜电池,如CdTe、CIGS等。因此,提升大面积电池效率仍然是未来的一个挑战。

钙钛矿材料有很多潜在应用,如几种不同的钙钛矿材料都在X-射线成像应用中展示出很好的灵敏度和探测率。因为这类应用投资少、风险小、利润高,鄙人估计很可能会是钙钛矿材料的第一个产业化应用场景。

其它应用如发光等还距离大规模应用较远,有待研发。

InfoMat:能否简单描述下您对柔性钙钛矿太阳能电池研究发展的愿景?

当前,单晶硅电池已经垄断了光伏市场。直接正面和一个亿万产值的产业化技术竞争难度巨大。但单晶硅的缺点是不能直接制造柔性电池,因此柔性一定是钙钛矿薄膜电池的优势。

对科研人员的建议

InfoMat:钙钛矿太阳能电池领域的研究进展十分迅速,您对从事相关领域的研究人员如何选择研究方向有什么建议呢?

钙钛矿太阳能电池的研究进展确实非常迅速,很难跟踪上百种期刊的所有论文。但把握领域的前沿动向又是做好科研的必要条件,因此,建议跟踪领域的一区期刊论文。另外,要充分利用自己的基础和设备优势,要发挥特长,发展特色。对资源有限的团队,一定要集中力量打歼灭战,不能遍地撒网。另外,交叉合作一定是科学研究的最好方法。

InfoMat:您认为科研人员最重要的品质是什么?

        不畏失败,勇于坚持。

        发扬特色,关注细节。

        善于交叉,主动合作。

InfoMat: 您对学生如何保持高效办公或阅读文献有什么建议吗?

每天结束时一定要总结当天的工作,确定明天的计划。

排除干扰,工作时间不带手机。建议每天只在固定的休息时间看手机、微信。

阅读文献是科研成功的捷径!要站在巨人的肩膀上,阅读文献是必经之路。

闲暇之余

InfoMat:科研工作之余,您有什么爱好?

读/听属灵书籍,听/唱圣诗。

InfoMat: 能否与我们的读者分享两本您认为值得一读的书呢?

《Developing the Leader Within You》, John Maxwell, 中文译本《开发你内在的领导力》

《活出美好》,Joel Osteen