28岁！西湖大学最年轻博导来了
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2021-09-18 20:54
9月16日，福布斯中国发布2021年度30 Under 30榜单，在科学和医疗健康30人名单里，出现一个叫王睿的名字：28岁，西湖大学，特聘研究员/博导。
是的，这是一名来自西湖大学工学院的年轻PI，1993年出生，今年4月离开UCLA加盟西湖，是迄今为止西湖大学引进的最年轻的博士生导师。
2020年9月22日，在第七十五届联合国大会上，中国提出力争在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。实现这个目标的关键一步在于充分利用可再生能源，尤其是太阳能。
王睿的研究方向，就与此紧密相关。
他给自己设定的小目标之一，就是在西湖大学创造属于中国自己的“追光”纪录。
解码王睿，从钙钛矿太阳能电池说起
地球距离太阳1.5亿公里，只接收太阳巨大能量输出的十亿分之一。但仅仅把太阳辐射到地球上的0.01%的光能转化成电能，就能让全世界的人们正常生活使用一天。
为了捕捉这种巨大的能量，科学家们开发了基于硅的太阳能电池，可以将太阳能转化为电能，目前能够实现的转化效率大约在22%-23%之间，在实验室里的最高纪录能达到26%。
但硅太阳能电池存在相对的不足，比如生产过程中会产生污染，材料不易弯折，占地面积较大。并且近年来它的转化效率明显遇到了瓶颈。寻找一种新型材料的太阳能电池迫在眉睫。
2009年，日本科学家宫坂力（TsutomuMiyasaka）首次做出了钙钛矿太阳能电池，当时转化效率只有3.9%。但短短十年后，它在实验室里的转化率迅速达到25%甚至更高，堪比硅太阳能电池四十年的发展速度。
并且钙钛矿太阳能电池的制备成本十分低廉，还可以做成柔性材料，贴合不规则表面。
但令人遗憾的是，这种新材料却迟迟未能取代硅电池实现商业化。
不像单晶硅要求纯度十分高，钙钛矿材料的缺陷容忍度很高，即使稍微有点杂质，也可以得到很高的效率，但恰恰是材料的不纯导致它的稳定性变差，比如对空气和水分十分敏感，甚至光照都会引起它结构的崩塌。所以钙钛矿电池的使用寿命很短，一开始只能使用几小时，后来也就延长到几天。
于是，怎么提高钙钛矿电池的稳定性，成为各国科学家研究的重点。
2016年，王睿进入加州大学洛杉矶分校，师从Yang Yang教授。后者是国际光伏领域的著名专家，一直致力于钙钛矿太阳能电池的研究。
王睿说：“我们要做的，就是找到钙钛矿材料中的缺陷，然后对症下药，提高钙钛矿太阳能电池的转化率。”
世界三大饮料与王睿的科学新发现
科学研究的独特魅力，往往在于探索未知的艰难和突然峰回路转、柳暗花明的巨大喜悦。
王睿未曾料到，他喜爱的咖啡居然有一天会成为自己研究的突破点。
那是2018年，他一边喝咖啡一边和团队其他成员聊天，这是他们最放松的时刻。
他突发奇想说：“咖啡可以让人们情绪稳定，那么能不能让钙钛矿的‘情绪’也变得更稳定呢？”
查阅咖啡因结构，他发现这个结构上有两个官能团，正巧与团队此前研究发现能控制钙钛矿结晶、使材料生长更好的官能团一样。
说干就干，他们尝试将咖啡因添加到钙钛矿太阳能电池中，发现电池的输出功率居然真的大大提高了！这一成果很快发表在《焦耳》上。
继续研究，王睿发现钙钛矿的体相缺陷已经被很多人研究并改进了，但是表面缺陷还没有太多人关注，他敏锐地意识到这很有可能是影响电池稳定性提升的关键因素。
“如果把钙钛矿电池的容量比作一个水桶的话，体相缺陷好比桶底，表面缺陷则是桶壁，桶底决定了水桶是否能装水，但桶壁决定了水桶能装多少水。因此，表面缺陷对于钙钛矿电池来说非常重要，它决定了电池的稳定性和效率。”
于是，在咖啡因之后，研究团队又为钙钛矿太阳能电池设计了两个相似的生物碱：茶碱和可可碱，用以修复表面缺陷。实验结果表明，茶碱的效果更好，电池创造了连续工作500小时的新记录。
2019年，这一成果登陆Science杂志。表面缺陷成为了钙钛矿电池缺陷修复中的研究重点。
今年2月，王睿和他的伙伴们再次在Science上发表最新研究成果：有机共轭阳离子重构能带边缘，提高效率和稳定性。他们发现了钙钛矿中有机分子的“双重人格”，为未来新型钙钛矿材料的设计提供了新思路。
人生的三个“小目标”,都为“追光”而来
“心中有光，砥砺前行！”这是王睿在西湖大学官网个人主页上的留言。
这束光，照亮了他的未来，也照亮了我们生活的未来。
比如利用钙钛矿太阳能电池的柔性特质，可以在智能汽车上铺上一层太阳能电池，实现无限循环地充电；比如它虽然怕水怕氧，但是太空里没有水和氧气，这也许会成为它未来大展拳脚的地方。
加入西湖大学之后，王睿的第一个小目标是：让钙钛矿太阳能电池走出实验室，彻底实现商业应用。
基底制备
“如果将钙钛矿太阳能电池与其他传统的太阳能电池相结合，把传统太阳能电池作为一个底部，在上面加上一个钙钛矿电池，做成一个叠层电池，这样子串联起来的电池的转化效率很有可能超过30%，就远远超过目前市面上的太阳能电池的转化效率，实现1+1＞2的目标。”
目前全世界的研究团队都在朝着这个目标进发，每年钙钛矿太阳能电池相关领域的paper有5000多篇，可见竞争有多么激烈！
“有竞争是好事，这意味着有更多的智慧和力量集中贡献在这个领域，可以大大加快钙钛矿太阳能电池的发展进程。大家在都在爬山，都快要爬到山顶了，希望中国是第一个登顶的国家。”
王睿的第二个小目标是：打造属于中国的“追光”纪录。
就像奥运会一样，太阳能电池领域也有自己的记录，关于时长、关于稳定性、关于大小……中国在太阳能电池领域的研究是十分领先的，但是做叠层太阳能电池起步的时间比较晚，目前在Best Efficiency Chart上还没有一个特别出色的世界纪录。
“我在美国的时候，作为主要团队成员两次打破过有机太阳能电池的记录，当然现在已经被超越了，所以我希望能够在叠层太阳能电池上创造属于中国的记录。”
最后一个小目标是什么？严谨地说，这可能不是一个小目标。
王睿说：“虽然欧洲、中国、美国在完善钙钛矿太阳能电池功能方面做得非常好，但如果有朝一日这项研究获得了诺贝尔奖，那我相信，拿到这个奖项的还是那位日本科学家，因为他是第一个拿这个材料做光伏电池研究的人。”
迄今为止，王睿认为自己做的都是从1到99的工作，他希望有朝一日，自己能够做出一项0到1的成果，那才是他对“成功”的真正定义。
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