窦乐添:变色智能光伏玻璃实时响应外界环境,他在引领太阳能电池全新概念 | 35岁以下科技创新35人榜单人物专栏

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窦乐添:变色智能光伏玻璃实时响应外界环境,他在引领太阳能电池全新概念 | 35岁以下科技创新35人榜单人物专栏
麻省理工科技评论 2019-04-08

2019-04-08

窦乐添和他的合作者利用一种新型材料——“卤化物钙钛矿”最大的“缺点”:相不稳定性。他们把这种对于常规电池来说让人无比头疼的特点,变成了智能光伏玻璃里循环稳定性的关键。
35岁以下科技创新35人
窦乐添和他的合作者利用一种新型材料——“卤化物钙钛矿”最大的“缺点”:相不稳定性。他们把这种对于常规电池来说让人无比头疼的特点,变成了智能光伏玻璃里循环稳定性的关键。

2019年1月21日,《麻省理工科技评论》公布了2018年“35岁以下创新35人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单。从榜单中,我们看到更多中国创新科研力量的崛起,也看到跨学科、跨领域、并且对落地应用有更强烈企图心与使命感的科研创新,这其中涵盖人工智能研究与应用、NLP、脑科学、新材料、新能源、生命科学、生物科技、自动驾驶等多个不同领域。我们将陆续发出对35位获奖者的独家专访,介绍他们的科技创新成果与经验,以及他们对科技趋势的理解与判断。

关于Innovators Under 35 China榜单

自 1999 年起,《麻省理工科技评论》每年都会推出“35岁以下创新35人”(Innovators Under 35 China)榜单,旨在于全球范围内评选出被认为最有才华、最具创新精神,以及最有可能改变世界的 35 位年轻技术创新者或企业家,共分为发明家、创业家、远见者、人文关怀者及先锋者五类。2017年,该榜单正式推出中国区评选,遴选中国籍的青年科技创新者。新一届榜单正在征集提名与报名,截止时间2019年5月31日。

你可能听说过“光伏玻璃”:可以让人类肉眼可见的太阳光波段透射进来照亮屋子,又可以把肉眼不可见、通常只能转换为热量的红外、紫外波段转换为电能,实现节能、发电的一举两得;你也可能听说过“智能窗”:可以在不同电压、温度等外界条件下,呈现出或透明、或半透明/不透明的两种不同状态,类似于房屋的“变色墨镜”一样,可以在寒冷的冬季放阳光进来温暖屋子,又可以在炎热的夏天减少阳光的射入。这是两种对于建筑节能来说很重要的科技产品。

那么,有没有可能,把这两种产品的性能结合在一起,组成“智能光伏玻璃”呢?寒冷的时候保持透明,炎热的时候变暗,不只可以减少光线射入,更可以把自己遮挡住的太阳光转化为电能?

这么做的难度在于,传统半导体材料的原子,是被较强的共价键维系在一起的。共价键一旦被打断,材料就会彻底被破坏掉难以复原,无法实现智能光伏玻璃要求的在透明和吸光两种状态下的反复切换。但窦乐添和他的合作者却找到了解决这个问题的办法,利用的还是一种新型材料——“卤化物钙钛矿”最大的“缺点”:相不稳定性。他们把这种对于常规电池来说让人无比头疼的特点,变成了智能光伏玻璃里循环稳定性的关键。这种太阳能电池的全新概念,用于建筑、车辆等场景时,可以显著降低能耗,有望对太阳能电池、节能建筑、屏显等领域的发展产生深远影响。

而窦乐添的故事,还要从小时候说起。

窦乐添的人生一直是兴趣驱动的。他会把自己对任何事情的兴趣爱好,转换为对它长时间的专注和钻研。小时候,相对于学习,他更大的热情是在足球和四驱车上。为了练好足球,他甚至参加了一些专业训练;而在改装四驱车方面,他更是获得过少年宫比赛的第一名。这是他得到的第一个奖,很大程度地激励了他的自信心,让他有了一种“一定可以靠努力取得成功的信念”。

高中就参加化学和物理竞赛的窦乐添,后来考上了北京大学化学系,并在大二的时候就进入到了实验室。他感兴趣的是一种有点反直觉的材料研究:有机高分子通常是用来制作塑料的,但用来做半导体时,可以实现一些神奇的功能,比如施加以电压就会改变颜色。因此,这种材料可以被用作智能窗的生产。毕业之后,他决定去有机光电领域最好的研究机构深造,便加入了加州大学洛杉矶分校(UCLA)的杨阳教授课题组。在博士的第二年,他就取得了突破,研究出了一个全新的高分子材料,通过和其它材料的层叠,把有机光伏的发电效率从5%大幅提升到了10%,这是那年有机光伏领域的重大突破。

博士毕业之后,一直研究有机化学的窦乐添,加入了加州大学伯克利分校的杨培东教授的实验室,开始了自己“跨领域”到无机化学的博士后研究工作。那是2014年,钙钛矿材料刚刚“横空出世”,成为了全球材料研究的焦点:它像无机材料一样有着良好的各种性质,又像有机材料一样可以用低成本的方法加工制造。一开始,大家的研究重点都在无机有机杂化钙钛矿太阳能电池上面,但由于材料里的有机基团会降低电池的稳定性,他们起初的想法是用无机材料把有机的部分都替换掉。但纯无机的钙钛矿光伏也有自己的问题——化学稳定性虽好,相稳定性却不佳。在温度下降到室温时,材料的晶体结构会发生原子层面的变化,从不透明、可以吸收光线发电的钙钛矿相,变成透明、无法发电的非钙钛矿相,而控制材料不发生相变的难度非常大。但窦乐添却从这个“致命”的问题里看到了机会。他想到了本科时候研究的智能窗。为什么不把它跟智能窗的概念结合起来,做成一个智能发电玻璃呢?既可以隔绝阳光,又可以发电,一举两得!

实现这个想法的过程是很复杂的,但最后他们还是证明了这个概念的可行性,获得了很高的发电效率和相变转换速度。而且,相比于传统半导体材料,卤化物钙钛矿中的原子是通过离子键维系在一起的,具有“柔软”和“动态”的特点,让这种智能光伏玻璃拥有极佳的循环稳定性,反复多次的转换也并不会降低材料的电学性能。许多主流媒体都报道了这个激动人心的研究成果,工业界更是兴奋不已。

离开加州,窦乐添获聘普渡大学化学工程系助理教授,开始了自己独立的研究工作。一方面,他在研究新型的二维材料体系,另一方面也在进一步寻找更好的电池材料与电池器件,通过结合无机材料与有机材料各自的优点,开发出下一代更好的太阳能电池。

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