赵保丹:破解钙钛矿中隐藏的能效密码 | “35岁以下科技创新35人”中国榜单专栏

科学
赵保丹:破解钙钛矿中隐藏的能效密码 | “35岁以下科技创新35人”中国榜单专栏
麻省理工科技评论 2020-03-20

2020-03-20

她以制备简单、成本低廉的新方法突破了钙钛矿 LED 效率的世界纪录,还利用锡代替铅的手段降低了钙钛矿太阳能电池的毒性。
35岁以下科技创新35人 科学
她以制备简单、成本低廉的新方法突破了钙钛矿 LED 效率的世界纪录,还利用锡代替铅的手段降低了钙钛矿太阳能电池的毒性。

2019 年 12 月 14 日,《麻省理工科技评论》公布了 2019 年“35 岁以下科技创新 35 人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单。在本届榜单上,虽然缺失了“创业家”的身影,但是我们看到了许多在具有产业化潜能的领域坚持科研使命的获奖人,也看到更多散布在海外顶尖学术机构的科学家们,用自身不改初心的坚持努力,取得了世界级标竿成就的科研成果,其中有超过半数以上的获奖者,都取得了世界级的突破性研究成果与发现。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 岁以下科技创新 35 人”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 2020 年度榜单正在征集提名与报名,截止时间 2020 年 6 月 30 日。详情请见文末。

赵保丹

先锋者

赵保丹凭借其在有机/钙钛矿 LED 领域取得的一系列成果,荣膺 2019 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区得主。

获奖时年龄:28 岁

获奖时职位:浙江大学光电科学与工程学院研究员;剑桥大学卡文迪许实验室访问研究员

获奖理由:她以制备简单、成本低廉的新方法突破了钙钛矿 LED 效率的世界纪录;另外,她还利用锡代替铅的手段降低了钙钛矿太阳能电池的毒性。

赵保丹是 2019 年“35 岁以下科技创新 35 人”(Innovators Under 35 China)中国区榜单最年轻的入选者之一。29 岁的她目前任浙江大学光电学院百人计划研究员、剑桥大学卡文迪许实验室访问研究员。

早在 1839 年, 德国矿物学家 Gustav Rose 就发现了钙钛矿材料,之后以俄罗斯矿物学家 Lev Perovski 的名字命名。因为首先被发现的钙钛矿材料是钙与钛的复合氧化物(CaTiO3),所以中文称其为钙钛矿。如今,钙钛矿已不再特指钙钛复合氧化物,而用来泛指一系列与上述矿物晶体结构相似的材料(化学式通常为 ABX3)。

这类钙钛矿结构材料有着独特的晶体及电子结构,近年来引起了太阳能电池、发光二极管、催化与电催化等领域的极大重视。如果按照材料组分分类,主要包括四大研究方向:高温超导体铜氧化物、钙钛矿氧离子导体、有机无机复合钙钛矿和纯无机钙钛矿;而在后两类材料中,如果其成分包含卤族元素的话,也叫做“卤素钙钛矿”——作为一种新兴半导体材料,它在光电子等多个领域已显现出巨大应用潜力,但其工作时的“量子转化效率”始终是制约发展的关键。

2018 年之前的四年时间里,钙钛矿发光二极管的外量子效率实现了从低于 1% 到大约 12% 的大幅度提升。然而,12% 的效率仍远低于有机发光二极管和量子点发光二极管。当时还在剑桥大学卡文迪许实验室读博的赵保丹在研究钙钛矿发光器件时,发现了影响钙钛矿发光二极管效率的重要机制——钙钛矿材料本体和器件界面上的非辐射损失。

图 | Nature Photonics 杂志的封面(来源:Nature 出版集团)

随后她从发光机理入手,在钙钛矿材料中引入聚合物,通过聚合物与钙钛矿形成的异质结构,降低了钙钛矿材料内部与界面上的非辐射能量损耗。该研究首次实现了近 100% 的内量子效率的电致发光,报道了大于 20% 的外量子效率,创造了钙钛矿发光二极管的效率纪录。有关论文在 2018 年发表于《自然·光子学》杂志,并被选为封面文章。

此外,钙钛矿材料含有毒性,是其大规模应用所面临的主要问题之一。赵保丹利用锡替代铅的方式,降低了钙钛矿的毒性,也是首批去探索高效锡铅混合钙钛矿光电子器件的研究者。其研究为推动钙钛矿器件的规模化应用起到了很大的作用。

至于为何走上科研之路,赵保丹认为和自己的性格有关,抑或是“冥冥之中自有天意”。1991 年,她出生在江苏徐州的一个小县城——沛县,从小学习成绩就非常好,是同学眼中的学霸,家长口中的“邻居家小孩儿”,不过她内在却是一个缺乏自信的人。

在赵保丹心中,总认为更大的城市、更大的平台上会有更多“真正的学霸”,而她自己只是一个“局部地区的学霸”。这也和父母“要虚心、不要骄傲”的家庭教育有关。因为自信心不足,她曾在学习生活中遇到了一些困扰;但这反而推动了她寻求挑战的劲头。在南京大学物理学院的大三生活即将结束时,她的综合成绩足以通过保研,进入国内任何一所高校,但她觉得有些“无趣”,便临时决定申请去读国外研究生。

这对于她来说是一个很大的挑战,因为既要放弃唾手可得的保研资格,还要在考出合格英语成绩的同时等待国外院校的筛选录取;好在父母当时十分尊重她的选择,给了她极大的自由。经过不到半年的准备,赵保丹的英语考试成绩顺利“低分飘过”,而且向英国和美国 10 余所大学的博士申请也得到了回复。最终,她选择到英国剑桥大学物理系攻读博士学位。

图 | 赵保丹在颁奖典礼上做演讲(来源:DeepTech)

正是这个挑战自我的选择,让赵保丹有机会前往世界最好的 OLED 研究机构之一——剑桥大学卡文迪许实验室。这里诞生过 29 个诺贝尔奖,对于所有研究物理学的科学家来说,都堪称“殿堂”一般的地方。她师从英国皇家学会院士(FRS)、皇家工程院院士(FREng)、卡文迪许物理学讲席教授理查德·弗兰德爵士(Sir Richard H. Friend) ,开始了关于钙钛矿太阳能电池与发光二极管的研究。

赵保丹认为,从小养成的这种冒险精神给她打开了科研的大门,也始终伴随着她的科研之路。她非常享受在研究中探索未知领域的快乐,以及每次从失败实验中总结,最后获得启发时的满足感。

对于钙钛矿来说,其作为发光器件尚属一个新兴研究领域。而一个成功的产业背后往往需要几十年的科学研究支持,以及技术成果的落地转化。“科研工作者的付出,就是整个过程的基石。”赵保丹说,“所以创新就是科研工作的灵魂。我很幸运生活在一个科技高速发展的时代,随着越来越多科研人员的加入,钙钛矿材料有望在不久的将来实现大规模、低能耗的柔性显示。此外,其在照明、通信、可再生能源等重要领域也有着很大的应用潜力。”

目前,赵保丹已结束了自己在剑桥大学卡文迪许实验室副研究员的工作,回到了国内,并在浙江大学光电学院继续自己的科研之路。对于自己的下一个目标,赵保丹表示,她将深入研究器件运作时性能退化的机理,努力尝试去克服钙钛矿发光器件稳定性这一大难题。因为,即便钙钛矿发光器件有发光效率高、制作成本低、发光纯度高等优势,但其稳定性不足是阻碍钙钛矿发光器件成为高性能、低能耗、低成本的新一代光源和柔性光电器件的关键因素之一。

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