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華東理工大學近日迎來校史上首篇Science論文。 該校教授吳永真、朱為宏團隊與合作者，在鈣鈦礦太陽能電池有機空穴傳輸材料領域取得最新成果。他們基于這項技術得到的太陽能電池，功率轉換效率達到了25.4%，創造了世界紀錄。 論文的兩位共同一作都出生于1997年，是兩位博士師兄弟——張碩和葉方圓。由于張碩開展的實驗目前正處于關鍵期，剛剛畢業、時間更為充裕的葉方圓接受了《中國科學報》采訪。
盡管從2021年開始，葉方圓已以一作或共同一作身份在Nature子刊、Solar RRl等雜志發表6篇論文，當聽到論文即將在Science發表時，他依然感到“非常激動”。
“這項研究2020年就開始了，投Science的時候我們是有股沖勁兒的。”葉方圓告訴《中國科學報》，因為一審意見比較積極，大家就鉚足了勁兒去補實驗，到二輪審稿意見回來，基本就能確定被接收了。但吳永真教授來實驗室說論文即將發表時，“大家還是抑制不住地開心，覺得做了件大事”。 這篇論文聚焦的是一個熱點領域：鈣鈦礦太陽能電池。鈣鈦礦電池屬于第三代太陽能電池，這種電池具備效率上限高、成本低、可疊層、柔性四大優勢，被看作是具有革命性的新材料，被業界寄予厚望。 “但鈣鈦礦電池所謂的‘發電效率高’，很大程度還停留在理論上。當前鈣鈦礦電池的實際發電效率其實還沒有達到傳統光伏硅片的水平。”葉方圓向《中國科學報》解釋。而他們想要做的事，就是讓這個效率再高，再高一點。 鈣鈦礦電池的結構像是一個三明治，鈣鈦礦材料的兩邊分別覆蓋著電子傳輸材料和空穴傳輸材料。所謂空穴傳輸材料是一種有機半導體材料，在電場作用下可以實現載流子定向有序的可控遷移，從而達到傳輸電荷的作用。 但傳統的空穴傳輸材料要么過于疏水，無法潤濕鈣鈦礦前體，要么會與鈣鈦礦發生反應，從而導致層與層之間的掩埋界面產生限制性能的缺陷。 在這項研究中，團隊創新性地引入氰基膦酸單元，發展出雙親性小分子空穴傳輸材料，通過動態自組裝構筑有序、超薄、表面超浸潤層，“一石二鳥”地解決了器件應用中載流子輸運和界面缺陷控制兩大難題。 值得注意的是，該團隊基于有機空穴傳輸材料制備的反式結構鈣鈦礦太陽能電池，被第三方機構認證效率達到25.4%，創造了目前該類太陽能電池的最高轉化效率。 此外，該新型有機空穴傳輸材料具有良好的浸潤性，十分有利于制備大面積器件。它不僅適用于鈣鈦礦電池，還可用于有機聚合物太陽能電池，具有很好的通用性。 目前，這項技術已申請發明專利。 近年來，鈣鈦礦電池熱度不減，不僅在市場上備受矚目，也容易贏得一些頂級學術刊物的青睞。 “鈣鈦礦電池如果發展好了，可以應用的場景非常豐富。除了做光伏電站發電外，還可以用于室內光伏、可穿戴設備等。比如我們可以在衣服和背包上安裝可折疊的柔性電池，就不用再帶著沉甸甸的充電寶出門了。”葉方圓說，“我們做科研，往大里說希望推動人類社會的發展，往小里說，希望能讓我們的生活變得更好，哪怕只好一點點。電池這個領域就符合我的期待。”扎得更深，走得更遠
今年26歲的葉方圓，從本科開始就在華東理工大學讀書，本碩博一共9年。在他看來，化學化工專業一直是華理的優勢學科。更幸運的是，他在這里遇到了對自己幫助很大的導師吳永真教授。
葉方圓（左）與導師吳永真教授
2021年1月，在吳永真教授的指導下，葉方圓在太陽能領域期刊Solar RRl發表了自己的第一篇論文。該研究提出一種錨定組裝分子，進行底界面電子傳輸材料設計。目前，這個方法已經被廣泛用于空穴傳輸材料的設計中。 盡管這是一篇“小文章”，但對葉方圓影響很深：“第一次發表論文，我的科研思維、科研能力和英文寫作能力都得到了很大的鍛煉。但更重要的是，這是我第一次通過一個科學上的idea，創造了一些可以在現實場景中應用的東西。” 在這個低調而務實的課題組里，葉方圓在材料開發領域越扎越深，但他同時也意識到，除了深度外，科研的寬度也非常重要。在吳永真教授的支持下，他開始主動出擊，尋求在國外交流學習的機會。 葉方圓找國外導師的思路也很別致——通過閱讀大量文獻進行“海選”。 “因為鈣鈦礦太陽能電池是新興的熱門領域，”葉方圓說，“這個領域每月都會有大量論文發表，但其中哪些文章有‘干貨’，哪些文章是‘灌水’的，我們還是很清楚的。” 在讀文獻的過程中，葉方圓注意到了德國科學院院士、波茨坦大學教授Dieter Neher。“我對其中一些論文印象深刻，Dieter Neher教授在器件物理方面的理解，以及他的方法和思路對我們一定有幫助。”葉方圓說。 順著論文線索，葉方圓找到Dieter Neher的郵箱并發去了郵件。他首先介紹了自己和自己的工作，并提出對Dieter Neher論文的看法，同時表達出想去交流學習的愿望。 很快，Dieter Neher回信邀請他進行面試。面試效果不錯，葉方圓便申請了國家留學基金，赴德進行研究工作。 在德國，Dieter Neher安排年輕PI——Martin Stolterfoht指導葉方圓，他倆成了實驗室走得最晚的人。一天晚上工作結束后，Martin Stolterfoht拎著幾瓶啤酒過來，問葉方圓“能飲一杯無”。沒想到葉方圓也有同好，此后兩人經常在下班后“把酒言歡”，聊科研、聊興趣、聊生活、聊愛好。那段時間，葉方圓覺得收獲很大，就像打開了一個新視角。
葉方圓與Martin Stolterfoht
公派學習結束后，Dieter Neher希望葉方圓能把研究的題目做完，于是把他推薦到亥姆霍茲能源與材料研究所教授Steve Albrecht團隊，又進行了為期半年的研究。
“吳老師擅長化學領域，Dieter Neher側重器件物理。他們擅長的領域不同，研究風格和思維方法也各有特色。”葉方圓說，“因此，在德國的這段研究生涯讓我受益良多，也算打通了一條和國外課題組深入合作的通道。”一切都是最好的“安排”
從選擇學校和專業，確定科研夢想，認準研究方向，到決定去國外哪個實驗室深造。一路走來，葉方圓都是主動規劃、積極爭取。 “這也算我的人生態度吧。”他笑道。 一直以來，葉方圓都有屬于自己的“時間表”。每天幾點鐘起床、幾點鐘工作、幾點睡覺，包括每天“刷”幾次手機不能超過半小時都寫得清清楚楚。他甚至給自己定下一個特別的規矩：每周日下午3點開始考慮下一周要做的事情。 “這些規劃中的很多細節，其實我未必都能嚴格遵守。但心里有了這樣一個標準，就會盡量去靠近。”葉方圓說，“做科研必須做好規劃，做什么實驗，做多少實驗，有怎樣的進度都得安排好。包括我們要用什么儀器都需要提前預約，一絲不茍地完成每個實驗，才能保證整個研究的進度。” 博士畢業后，葉方圓再次慎重地選擇了未來的人生道路，他入職上海電氣，繼續鈣鈦礦和硅異質結太陽能電池的研究。 “發展新型光伏技術，為防止國家在關鍵能源技術上被‘卡脖子’至關重要。我選擇了這個領域，就希望能用自己的研究成果，創造一些實實在在的貢獻。國家現在倡導產學研結合，企業能讓科研成果走出實驗室，實現產業化，這正是我的夢想所在。”他說。