9月16日，福布斯中國發布2021年度30 Under 30榜單，在科學和醫療健康30人名單裡，出現一個叫王睿的名字：28歲，西湖大學，特聘研究員/博導。
是的，這是一名來自西湖大學工學院的年輕PI，1993年出生，今年4月離開UCLA加盟西湖，是迄今為止西湖大學引進的最年輕的博士生導師。
2020年9月22日，在第七十五屆聯合國大會上，中國提出力爭在2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和。實現這個目標的關鍵一步在於充分利用可再生能源，尤其是太陽能。
王睿的研究方向，就與此緊密相關。
他給自己設定的小目標之一，就是在西湖大學創造屬於中國自己的“追光”紀錄。
01、解碼王睿，從鈣鈦礦太陽能電池說起
地球距離太陽1.5億公里，只接收太陽巨大能量輸出的十億分之一。但僅僅把太陽輻射到地球上的0.01%的光能轉化成電能，就能讓全世界的人們正常生活使用一天。
為了捕捉這種巨大的能量，科學家們開發了基於矽的太陽能電池，可以將太陽能轉化為電能，目前能夠實現的轉化效率大約在22%-23%之間，在實驗室裡的最高紀錄能達到26%。
但矽太陽能電池存在相對的不足，比如生產過程中會產生汙染，材料不易彎折，佔地面積較大。並且近年來它的轉化效率明顯遇到了瓶頸。尋找一種新型材料的太陽能電池迫在眉睫。
2009年，日本科學家宮坂力（TsutomuMiyasaka）首次做出了鈣鈦礦太陽能電池，當時轉化效率只有3.9%。但短短十年後，它在實驗室裡的轉化率迅速達到25%甚至更高，堪比矽太陽能電池四十年的發展速度。
並且鈣鈦礦太陽能電池的製備成本十分低廉，還可以做成柔性材料，貼合不規則表面。
但令人遺憾的是，這種新材料卻遲遲未能取代矽電池實現商業化。
不像單晶矽要求純度十分高，鈣鈦礦材料的缺陷容忍度很高，即使稍微有點雜質，也可以得到很高的效率，但恰恰是材料的不純導致它的穩定性變差，比如對空氣和水分十分敏感，甚至光照都會引起它結構的崩塌。所以鈣鈦礦電池的使用壽命很短，一開始只能使用幾小時，後來也就延長到幾天。
於是，怎麼提高鈣鈦礦電池的穩定性，成為各國科學家研究的重點。
2016年，王睿進入加州大學洛杉磯分校，師從Yang Yang教授。後者是國際光伏領域的著名專家，一直致力於鈣鈦礦太陽能電池的研究。
王睿說：“我們要做的，就是找到鈣鈦礦材料中的缺陷，然後對症下藥，提高鈣鈦礦太陽能電池的轉化率。”
02、世界三大飲料與王睿的科學新發現
科學研究的獨特魅力，往往在於探索未知的艱難和突然峰迴路轉、柳暗花明的巨大喜悅。
王睿未曾料到，他喜愛的咖啡居然有一天會成為自己研究的突破點。
那是2018年，他一邊喝咖啡一邊和團隊其他成員聊天，這是他們最放鬆的時刻。
他突發奇想說：“咖啡可以讓人們情緒穩定，那麼能不能讓鈣鈦礦的‘情緒’也變得更穩定呢？”
查閱咖啡因結構，他發現這個結構上有兩個官能團，正巧與團隊此前研究發現能控制鈣鈦礦結晶、使材料生長更好的官能團一樣。
說幹就幹，他們嘗試將咖啡因新增到鈣鈦礦太陽能電池中，發現電池的輸出功率居然真的大大提高了！這一成果很快發表在《焦耳》上。
繼續研究，王睿發現鈣鈦礦的體相缺陷已經被很多人研究並改進了，但是表面缺陷還沒有太多人關注，他敏銳地意識到這很有可能是影響電池穩定性提升的關鍵因素。
“如果把鈣鈦礦電池的容量比作一個水桶的話，體相缺陷好比桶底，表面缺陷則是桶壁，桶底決定了水桶是否能裝水，但桶壁決定了水桶能裝多少水。因此，表面缺陷對於鈣鈦礦電池來說非常重要，它決定了電池的穩定性和效率。”
於是，在咖啡因之後，研究團隊又為鈣鈦礦太陽能電池設計了兩個相似的生物鹼：茶鹼和可可鹼，用以修復表面缺陷。實驗結果表明，茶鹼的效果更好，電池創造了連續工作500小時的新記錄。
2019年，這一成果登陸Science雜誌。表面缺陷成為了鈣鈦礦電池缺陷修復中的研究重點。
今年2月，王睿和他的夥伴們再次在Science上發表最新研究成果：有機共軛陽離子重構能帶邊緣，提高效率和穩定性。他們發現了鈣鈦礦中有機分子的“雙重人格”，為未來新型鈣鈦礦材料的設計提供了新思路。
03、人生的三個“小目標”，都為“追光”而來
“心中有光，砥礪前行！”這是王睿在西湖大學官網個人主頁上的留言。
這束光，照亮了他的未來，也照亮了我們生活的未來。
比如利用鈣鈦礦太陽能電池的柔性特質，可以在智慧汽車上鋪上一層太陽能電池，實現無限迴圈地充電；比如它雖然怕水怕氧，但是太空裡沒有水和氧氣，這也許會成為它未來大展拳腳的地方。
加入西湖大學之後，王睿的第一個小目標是：讓鈣鈦礦太陽能電池走出實驗室，徹底實現商業應用。
基底製備
“如果將鈣鈦礦太陽能電池與其他傳統的太陽能電池相結合，把傳統太陽能電池作為一個底部，在上面加上一個鈣鈦礦電池，做成一個疊層電池，這樣子串聯起來的電池的轉化效率很有可能超過30%，就遠遠超過目前市面上的太陽能電池的轉化效率，實現1+1＞2的目標。”
目前全世界的研究團隊都在朝著這個目標進發，每年鈣鈦礦太陽能電池相關領域的paper有5000多篇，可見競爭有多麼激烈！
“有競爭是好事，這意味著有更多的智慧和力量集中貢獻在這個領域，可以大大加快鈣鈦礦太陽能電池的發展程序。大家在都在爬山，都快要爬到山頂了，希望中國是第一個登頂的國家。”
王睿的第二個小目標是：打造屬於中國的“追光”紀錄。
就像奧運會一樣，太陽能電池領域也有自己的記錄，關於時長、關於穩定性、關於大小……中國在太陽能電池領域的研究是十分領先的，但是做疊層太陽能電池起步的時間比較晚，目前在Best Efficiency Chart上還沒有一個特別出色的世界紀錄。
“我在美國的時候，作為主要團隊成員兩次打破過有機太陽能電池的記錄，當然現在已經被超越了，所以我希望能夠在疊層太陽能電池上創造屬於中國的記錄。”
最後一個小目標是什麼？嚴謹地說，這可能不是一個小目標。
王睿說：“雖然歐洲、中國、美國在完善鈣鈦礦太陽能電池功能方面做得非常好，但如果有朝一日這項研究獲得了諾貝爾獎，那我相信，拿到這個獎項的還是那位日本科學家，因為他是第一個拿這個材料做光伏電池研究的人。”
迄今為止，王睿認為自己做的都是從1到99的工作，他希望有朝一日，自己能夠做出一項0到1的成果，那才是他對“成功”的真正定義。
編輯：張鵬
