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比头发丝小一千倍的纳米材料,如何颠覆未来能源

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宁志军:上海科技大学物质科学与技术学院 助理教授

这是宁志军的分享做一名科学家最大的成就是他的研究推动时代往前跃进一步,而研究纳米材料是宁志军一辈子的功课。他认为这个比头发丝小一千倍的“小玩意”,有可能彻底地颠覆未来世界。


宁志军:我的研究主要是纳米材料及其光电器件的制备以及性能提高。主要分为两个方向,一个是纳米材料的设计与制备,另外一个是器件的设计与制备。

纳米技术是一个比较宽泛的概念,没有非常明确、绝对的定义,我们可以说,在原子、分子以及在亚微米这个尺度上进行的基础研究,都可以把它定义为纳米科学。针对纳米科学发展出来的技术,我们称之为纳米技术。头发丝的大小大概是几十个微米左右,纳米科技所研究的对象,大概是头发丝的千分之一,以及更小的尺度上。这个领域发展非常迅速的,它的应用前景包括很多方面,比如在发光显示方面,我们现在看到的电视机、手机的显示器。在这个里面,用发光的纳米材料可以使分辨率更加高,色域更加广,同时可以减少能耗。在探测方面,纳米材料可以做更灵敏的光探测器,比如说手机摄像头,可以提高它的分辨率。晚上我们拍照时不清晰的图像,可以通过纳米技术进一步提高分辨率。从更广泛的定义上来讲,纳米材料已经有非常多的应用了,比如说在芯片里面,它已经应用得非常成熟了。比如华为手机里面的麒麟芯片,它的每个基元尺寸的话大概只有七个纳米左右。可以说纳米技术在我们人类生活当中其实是无处不在的,未来的影响也将是非常大的。比如太阳能电池,通过纳米技术可以进一步提高它的性能,制备更加高效的太阳能电池,以后可能能够取代煤、化石这种能源,利用太阳能来发电,不会再造成环境的污染。


比头发丝小一千倍的纳米材料,如何颠覆未来能源 | 一刻·专访


我的课题组现在主要是围绕这几个方面,一个是太阳能电池这一块,就是新能源这一块,用纳米结构来解决目前新兴太阳能电池技术所面临的一些问题,比如说钙钛矿太阳能电池,现在的效率较高,但是稳定性还不够,所以需要继续提高它的稳定性。同时,我们还致力于另外一种新兴的钙钛矿太阳能电池技术,就是锡基钙钛矿,传统的钙钛矿是用铅钙钛矿,铅钙钛矿的问题之一是毒性比较大,对环境不太友好。另外,它的理论效率也有一定的限制,所以我们希望通过非铅钙钛矿,也就是锡钙钛矿材料的开发来降低它的毒性,同时提高它的转换效率,我们目前在设计和制备新型纳米结构,来提高它的稳定性,提高它的效率,现在取得了一些重要的阶段性的进展,实现了目前效率最高的锡基钙钛矿太阳能电池。

到目前为止,我觉得自己最有代表性的一个工作,是通过表面的化学键的改变,来降低纳米材料表面的一些缺陷。纳米材料的合成方法现在已经比较成熟了,但是没法把它做成很好的器件,这个方法可以很好地解决从纳米材料制备到器件组成,器件制备这一块中间环节的问题,使得纳米材料从材料合成到高效器件这一步走得更加顺利。这个研究开始的时候是很不顺利的,大概有一到两年的时间,尝试了很多很多的方法,但是都没有取得很好的效果。在经过不停地尝试之后,最终发现一种配体性能很好,除了配体本身以外,化学键的构成和溶剂、反应环境也密切相关,通过两个方面同时去努力,最终找到了这样一个合适的方法,成功地将量子点表面所固有的缺陷大幅降低,使量子点太阳能电池效率有大幅的提高。再往后进一步,我们又在《Nature》上面发表了一篇文章,这一系列工作,在一定程度上解决了量子点,从溶液法的合成,到固态器件制备这个环节的问题。


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做合成的时候,我们关注的更多是新结构的制备这一块,但是如果新结构和新材料没有跟器件结合起来,我们看到的只是这一个物质的出现,并没有把它转化成真正的性能提高。所以这时候就需要在器件层面,运用电子工程和物理学的知识,用系统工程的方法来研究材料在特定的器件结构里面的性能,这样一个研究方式,能够更有效地推动整个材料和器件性能的提高。所以多学科的交叉,对纳米材料与器件,比如纳米光电器件这个领域来说,是非常重要的。

在博士期间,我在做基于分子的有机材料和光电器件的研究。那个时候,我看到的是分子科学在光电器件领域里面很好的应用前景。在博士后期间,我又进入到无机纳米材料这个领域,我看到了无机纳米材料在光电器件方面一些优异的性能。我回国之后,希望把无机跟有机材料结合起来,通过杂化的方式,进一步提高目前纳米材料光电器件的性能。

在这个领域里同时也有很多的机会、很大的空间,有很多研究是探索新型的材料结构和新奇的性质的,这也是吸引我往目前这样一个方向去研究和发展的原因。


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科学的美,就是当通过我们的实验,通过我们的计算,发现了之前不存在的一种物质,或者发现了人类以前从来没有看到过的结构,再用实验去证实它的存在,发现它不一样的性质,这就是科学美的体现。在第一个阶段,发现新结构的基础之上,我们希望通过进一步的努力去把它真正地应用起来,这又是另外一层的发展,也是非常重要的一个方向,我们希望科学的美,不单是书本上的美,还可以真正地应用在我们日常生活当中,去服务于人类社会。


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