開(kāi)發(fā)有機(jī)半導(dǎo)體，探尋光電轉(zhuǎn)換背后的奧秘

“雙碳”目標(biāo)下，推動(dòng)清潔能源開(kāi)發(fā)利用、加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型進(jìn)程已成為時(shí)代之需。香港大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械工程系助理教授周慈勇身在其列，多年來(lái)，他專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)柔性、可印刷和環(huán)保的有機(jī)半導(dǎo)體與聚合物太陽(yáng)能電池。目前，他的工作不僅對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池材料中的光激發(fā)態(tài)動(dòng)力學(xué)和電荷產(chǎn)生過(guò)程提出了開(kāi)創(chuàng)性見(jiàn)解，也間接體現(xiàn)出能源行業(yè)向“陽(yáng)”而生、蓬勃發(fā)展，進(jìn)而為國(guó)家貢獻(xiàn)澎湃動(dòng)能的光明前景。

尋找可持續(xù)能源的答案

“太陽(yáng)對(duì)人類(lèi)意味著什么？”不同時(shí)代的不同人群大概會(huì)給出截然不同的答案。遠(yuǎn)古時(shí)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)內(nèi)部時(shí)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(wàn)源之源”——幾乎絕大部分人類(lèi)所需要的能量都直接或間接地來(lái)自于此，就連無(wú)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(guān)于太陽(yáng)能的利用問(wèn)題常論常新，但其實(shí)是一道古老的議題。而這道議題深種于周慈勇心中時(shí)，年少的他甚至還不知道探尋答案的路徑在哪里。

物理學(xué)是周慈勇自少時(shí)起的心之所向。作為一門(mén)嚴(yán)格、定量的自然科學(xué)帶頭學(xué)科，物理學(xué)在現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的過(guò)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(yùn)動(dòng)規(guī)律為學(xué)科宗旨，力求刨根究底地挖掘萬(wàn)物運(yùn)行內(nèi)核與世界本源。憑此特質(zhì)，即便是他人看起來(lái)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(lè)此不疲的追逐與享受，越鉆研，越美妙。

這份樸實(shí)無(wú)華的執(zhí)著與熱愛(ài)將周慈勇帶入世界頂級(jí)名?！究飘厴I(yè)于英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)、博士畢業(yè)于劍橋大學(xué)。不過(guò)這份閃閃發(fā)光的履歷并沒(méi)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(xué)術(shù)資源與師資力量，其中尤以他的博士生導(dǎo)師——英國(guó)劍橋大學(xué)理查德·弗蘭德（Richard H.Friend）教授為代表。“弗蘭德教授是有機(jī)半導(dǎo)體研究與光電器件開(kāi)發(fā)的領(lǐng)軍人物，跟隨他開(kāi)展學(xué)術(shù)研究的幾年里，我不僅收獲了扎實(shí)的專(zhuān)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(dú)行的前瞻視角及一絲不茍的治學(xué)態(tài)度?！敝钡浇裉?，導(dǎo)師的耳提面命、言傳身教仍歷歷在目，對(duì)于周慈勇而言，這才是值得珍惜一生的寶貴財(cái)富。而在如此教導(dǎo)之下，還未走出“象牙塔”的周慈勇腦海之中慢慢成形了一個(gè)問(wèn)題，即“如何克服有機(jī)半導(dǎo)體固有的物理限制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的有機(jī)太陽(yáng)能電池，將其逐步應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品并對(duì)社會(huì)產(chǎn)生真正的影響？”

自2017年返回香港并在香港大學(xué)成立自己的研究小組以來(lái)，周慈勇一直專(zhuān)注于有機(jī)太陽(yáng)能電池的研發(fā)。這既明晰了探索心中疑問(wèn)的光明方向——開(kāi)發(fā)基于有機(jī)半導(dǎo)體和聚合物的新型光電和光子應(yīng)用，也初步實(shí)現(xiàn)了他的職業(yè)夢(mèng)想——為打開(kāi)我國(guó)未來(lái)綠色能源、照明技術(shù)和仿生計(jì)算等新局面而進(jìn)行無(wú)垠的拓荒，他說(shuō)：“與傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能電池不同，有機(jī)太陽(yáng)能電池具有低成本、柔性、半透明、環(huán)保等特點(diǎn)，在建筑一體化方面具有巨大潛力，未來(lái)可期?！?/p>

兼顧“高效”與“穩(wěn)定”

對(duì)有機(jī)光伏機(jī)理的追逐是周慈勇自2017年至今產(chǎn)出期刊論文46篇、專(zhuān)利2項(xiàng)的本源動(dòng)力，卻不是他選擇回國(guó)的根本原因?！盎貒?guó)是水到渠成的選擇吧。我是土生土長(zhǎng)的香港人，因而對(duì)這片熱土有著深深的熱愛(ài)與眷戀，且國(guó)內(nèi)的研究環(huán)境和條件已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，我認(rèn)為從各個(gè)方面來(lái)講，我都沒(méi)有不回來(lái)的理由。”

回國(guó)之后，周慈勇先是在香港科技大學(xué)任職，之后在2020年加入香港大學(xué)并建立“有機(jī)光電實(shí)驗(yàn)室”。過(guò)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(biāo)更進(jìn)一步。在2022年，他產(chǎn)出了優(yōu)秀成果——針對(duì)基于富勒烯受體和非富勒烯受體的聚合物有機(jī)光伏電荷產(chǎn)生機(jī)理發(fā)表了專(zhuān)論文章。其中介紹了兩種體系的優(yōu)劣勢(shì)，即富勒烯體系雖然可以實(shí)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(guò)程相對(duì)較慢，并且在一些情況下需要熱能的輔助來(lái)實(shí)現(xiàn)。

“基于以Y6為代表的Y系列非富勒烯受體的有機(jī)太陽(yáng)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(gè)挑戰(zhàn)。因此，我們必須深入分析Y系列受體獨(dú)特的分子堆積方式和電荷產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)，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(jī)光伏器件的相對(duì)較高成本也是限制它實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備的關(guān)鍵瓶頸之一。所以未來(lái)我要做的事情還很多?！敝艽扔抡f(shuō)。

追求極限與實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定堪稱(chēng)材料學(xué)上極難平衡的“天平”之一，無(wú)異于要求“魚(yú)與熊掌”兼得。但周慈勇深知做科研是一份逢山開(kāi)路、遇水搭橋的職業(yè)，因此生出了堅(jiān)定的進(jìn)取之心。在2020年加入香港大學(xué)機(jī)械工程系之后，他開(kāi)始以“科技生力軍”的覺(jué)悟踐行自己心中的學(xué)術(shù)之道。兩年之后，他獲得在國(guó)家重大科技任務(wù)中“挑大梁”的絕佳機(jī)遇，獲批國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（港澳），著重對(duì)光電能量轉(zhuǎn)換背后的機(jī)理問(wèn)題進(jìn)行研究。這一次，周慈勇制定了更遠(yuǎn)大的目標(biāo)——實(shí)現(xiàn)“建筑光伏一體化”。

“進(jìn)一步提高太陽(yáng)能發(fā)電量對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)2030年‘碳達(dá)峰’與2060年‘碳中和’目標(biāo)意義重大。目前，硅太陽(yáng)能電池在人口稠密的城市地區(qū)安裝面積十分有限，因?yàn)槠洳牧虾苤厍也煌该鳌Ａ硗?，硅太?yáng)能電池的制備還要經(jīng)過(guò)高溫煅燒，并不節(jié)能環(huán)保。因此相比之下，開(kāi)發(fā)適合與摩天大樓的玻璃幕墻結(jié)合并實(shí)現(xiàn)‘建筑光伏一體化’的有機(jī)太陽(yáng)能電池材料就顯得迫在眉睫?！敝艽扔聦⒘㈨?xiàng)的目的娓娓道來(lái)。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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即便是能量轉(zhuǎn)換效率為15%的有機(jī)太陽(yáng)能電池想要持續(xù)高效運(yùn)行數(shù)年都非常困難。原因在于有機(jī)太陽(yáng)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(lái)克服有機(jī)半導(dǎo)體中的高激子結(jié)合能，這種方式依賴(lài)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(yùn)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(lǐng)團(tuán)隊(duì)努力探索。傳統(tǒng)的基于小分子Y系列受體材料的有機(jī)太陽(yáng)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(jī)太陽(yáng)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(jī)理及較高穩(wěn)定性的原因還不清楚。近日，周慈勇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)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(yáng)能電池電荷產(chǎn)生及具有較高穩(wěn)定性的關(guān)鍵。報(bào)道其目前研究成果的相關(guān)文章已被頂級(jí)國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）順利接收，這或許又是推動(dòng)行業(yè)向前邁進(jìn)的一大步。

于科研，周慈勇數(shù)年一日、篤行不??；于教學(xué)，他同樣盡心盡力、認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?！白畲蟮男脑妇褪俏业膶W(xué)生們都能找到自己想要堅(jiān)守住的科研方向，在他們感到困惑時(shí)，無(wú)論學(xué)習(xí)還是生活，我都會(huì)盡我所能給予他們支持和鼓勵(lì)，就像我的諸位導(dǎo)師對(duì)我那樣”，周慈勇由衷說(shuō)道。因其深諳教育是一門(mén)“功在當(dāng)代，利在千秋”的事業(yè)，所以未來(lái)他將繼續(xù)堅(jiān)守啟智潤(rùn)心的教育宗旨，用因材施教的育人智慧鼓勵(lì)大家繼續(xù)秉持批判性思考的準(zhǔn)則，于細(xì)微處入手、于點(diǎn)滴處入心，持續(xù)為香港、為國(guó)家輸送科研人才，鼓勵(lì)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！