開發(fā)有機半導體，探尋光電轉(zhuǎn)換背后的奧秘

“雙碳”目標下，推動清潔能源開發(fā)利用、加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型進程已成為時代之需。香港大學工程學院機械工程系助理教授周慈勇身在其列，多年來，他專注于開發(fā)柔性、可印刷和環(huán)保的有機半導體與聚合物太陽能電池。目前，他的工作不僅對有機太陽能電池材料中的光激發(fā)態(tài)動力學和電荷產(chǎn)生過程提出了開創(chuàng)性見解，也間接體現(xiàn)出能源行業(yè)向“陽”而生、蓬勃發(fā)展，進而為國家貢獻澎湃動能的光明前景。

尋找可持續(xù)能源的答案

“太陽對人類意味著什么？”不同時代的不同人群大概會給出截然不同的答案。遠古時期，它是一切“溫暖”的根源，恍若上天的恩賜，因此被許多部落奉為神祇；今天，隨著科學技術的發(fā)展，這個內(nèi)部時刻發(fā)生著氫、氦聚變從而釋放巨大核能的發(fā)光體被視作“萬源之源”——幾乎絕大部分人類所需要的能量都直接或間接地來自于此，就連無生命的煤炭、石油和天然氣等化石能源也少不了受其“恩惠”——它們多由深埋地下的古生物腐蝕演變而成。因此，雖然關于太陽能的利用問題常論常新，但其實是一道古老的議題。而這道議題深種于周慈勇心中時，年少的他甚至還不知道探尋答案的路徑在哪里。

物理學是周慈勇自少時起的心之所向。作為一門嚴格、定量的自然科學帶頭學科，物理學在現(xiàn)代科學發(fā)展的過程之中一直扮演著極其重要的角色，以研究物質(zhì)世界最基本的結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用、最一般的運動規(guī)律為學科宗旨，力求刨根究底地挖掘萬物運行內(nèi)核與世界本源。憑此特質(zhì)，即便是他人看起來再枯燥的數(shù)與形、理與論，落在極富好奇心的周慈勇眼中，也成了一份樂此不疲的追逐與享受，越鉆研，越美妙。

這份樸實無華的執(zhí)著與熱愛將周慈勇帶入世界頂級名?！究飘厴I(yè)于英國帝國理工大學、博士畢業(yè)于劍橋大學。不過這份閃閃發(fā)光的履歷并沒有成為他自滿的理由，反而在他眼中，這些院校雖然盛名在外，但更重要的始終是那些前沿的學術資源與師資力量，其中尤以他的博士生導師——英國劍橋大學理查德·弗蘭德（Richard H.Friend）教授為代表。“弗蘭德教授是有機半導體研究與光電器件開發(fā)的領軍人物，跟隨他開展學術研究的幾年里，我不僅收獲了扎實的專業(yè)理論，更重要的是，我看到了他身上兼容并蓄的胸懷、千山獨行的前瞻視角及一絲不茍的治學態(tài)度?！敝钡浇裉?，導師的耳提面命、言傳身教仍歷歷在目，對于周慈勇而言，這才是值得珍惜一生的寶貴財富。而在如此教導之下，還未走出“象牙塔”的周慈勇腦海之中慢慢成形了一個問題，即“如何克服有機半導體固有的物理限制，同時實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的有機太陽能電池，將其逐步應用于商業(yè)產(chǎn)品并對社會產(chǎn)生真正的影響？”

自2017年返回香港并在香港大學成立自己的研究小組以來，周慈勇一直專注于有機太陽能電池的研發(fā)。這既明晰了探索心中疑問的光明方向——開發(fā)基于有機半導體和聚合物的新型光電和光子應用，也初步實現(xiàn)了他的職業(yè)夢想——為打開我國未來綠色能源、照明技術和仿生計算等新局面而進行無垠的拓荒，他說：“與傳統(tǒng)硅太陽能電池不同，有機太陽能電池具有低成本、柔性、半透明、環(huán)保等特點，在建筑一體化方面具有巨大潛力，未來可期?！?/p>

兼顧“高效”與“穩(wěn)定”

對有機光伏機理的追逐是周慈勇自2017年至今產(chǎn)出期刊論文46篇、專利2項的本源動力，卻不是他選擇回國的根本原因。“回國是水到渠成的選擇吧。我是土生土長的香港人，因而對這片熱土有著深深的熱愛與眷戀，且國內(nèi)的研究環(huán)境和條件已經(jīng)取得了長足進展，我認為從各個方面來講，我都沒有不回來的理由?！?/p>

回國之后，周慈勇先是在香港科技大學任職，之后在2020年加入香港大學并建立“有機光電實驗室”。過去7年，他幾乎每一年都拿到了香港政府提供的優(yōu)配研究金，助其朝著研究目標更進一步。在2022年，他產(chǎn)出了優(yōu)秀成果——針對基于富勒烯受體和非富勒烯受體的聚合物有機光伏電荷產(chǎn)生機理發(fā)表了專論文章。其中介紹了兩種體系的優(yōu)劣勢，即富勒烯體系雖然可以實現(xiàn)超快的電荷分離，卻普遍存在較大的能量損失；而非富勒烯體系雖大幅降低了器件的能量損失，但其電荷產(chǎn)生過程相對較慢，并且在一些情況下需要熱能的輔助來實現(xiàn)。

“基于以Y6為代表的Y系列非富勒烯受體的有機太陽能電池已經(jīng)取得了接近20%的能量轉(zhuǎn)換效率。但是，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)以及器件工作穩(wěn)定性仍然是一個挑戰(zhàn)。因此，我們必須深入分析Y系列受體獨特的分子堆積方式和電荷產(chǎn)生動力學，從而提出降低能量損失和提高器件性能的可能手段。另外，目前有機光伏器件的相對較高成本也是限制它實現(xiàn)大規(guī)模制備的關鍵瓶頸之一。所以未來我要做的事情還很多。”周慈勇說。

追求極限與實現(xiàn)穩(wěn)定堪稱材料學上極難平衡的“天平”之一，無異于要求“魚與熊掌”兼得。但周慈勇深知做科研是一份逢山開路、遇水搭橋的職業(yè)，因此生出了堅定的進取之心。在2020年加入香港大學機械工程系之后，他開始以“科技生力軍”的覺悟踐行自己心中的學術之道。兩年之后，他獲得在國家重大科技任務中“挑大梁”的絕佳機遇，獲批國家自然科學基金優(yōu)秀青年科學基金項目（港澳），著重對光電能量轉(zhuǎn)換背后的機理問題進行研究。這一次，周慈勇制定了更遠大的目標——實現(xiàn)“建筑光伏一體化”。

“進一步提高太陽能發(fā)電量對于我國實現(xiàn)2030年‘碳達峰’與2060年‘碳中和’目標意義重大。目前，硅太陽能電池在人口稠密的城市地區(qū)安裝面積十分有限，因為其材料很重且不透明。另外，硅太陽能電池的制備還要經(jīng)過高溫煅燒，并不節(jié)能環(huán)保。因此相比之下，開發(fā)適合與摩天大樓的玻璃幕墻結(jié)合并實現(xiàn)‘建筑光伏一體化’的有機太陽能電池材料就顯得迫在眉睫?！敝艽扔聦⒘㈨椀哪康逆告傅纴?。如他所言，如今重量輕、柔性且透明的材料或許更適合作為為城市提供可持續(xù)能源的解決方案。但實驗發(fā)現(xiàn)，即便是能量轉(zhuǎn)換效率為15%的有機太陽能電池想要持續(xù)高效運行數(shù)年都非常困難。原因在于有機太陽能電池產(chǎn)生自由電荷需要借助給體和受體材料之間的界面能量差來克服有機半導體中的高激子結(jié)合能，這種方式依賴于給體和受體材料的特定形態(tài)，因此極大程度上限制了電池運行的穩(wěn)定性。

眼下，即便科研道路上充滿挑戰(zhàn)，周慈勇仍帶領團隊努力探索。傳統(tǒng)的基于小分子Y系列受體材料的有機太陽能電池具有較高效率，但穩(wěn)定性較差。最近幾年的新興聚合物Y系列受體材料使得有機太陽能電池能夠兼具較高效率及良好穩(wěn)定性，但其電荷產(chǎn)生的機理及較高穩(wěn)定性的原因還不清楚。近日，周慈勇帶領團隊經(jīng)過系統(tǒng)深入地研究，揭示出給體和受體分子在界面處相互滲透的形態(tài)是基于聚合物Y系列受體材料的太陽能電池電荷產(chǎn)生及具有較高穩(wěn)定性的關鍵。報道其目前研究成果的相關文章已被頂級國際學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）順利接收，這或許又是推動行業(yè)向前邁進的一大步。

于科研，周慈勇數(shù)年一日、篤行不怠；于教學，他同樣盡心盡力、認真嚴謹?！白畲蟮男脑妇褪俏业膶W生們都能找到自己想要堅守住的科研方向，在他們感到困惑時，無論學習還是生活，我都會盡我所能給予他們支持和鼓勵，就像我的諸位導師對我那樣”，周慈勇由衷說道。因其深諳教育是一門“功在當代，利在千秋”的事業(yè)，所以未來他將繼續(xù)堅守啟智潤心的教育宗旨，用因材施教的育人智慧鼓勵大家繼續(xù)秉持批判性思考的準則，于細微處入手、于點滴處入心，持續(xù)為香港、為國家輸送科研人才，鼓勵更多的創(chuàng)新科研人才加入行業(yè)中，共同攜手探尋光電轉(zhuǎn)換背后的奧秘！