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光伏助力碳中和

党的二十大报告指出,要积极稳妥推进碳达峰碳中和,实现碳达峰碳中和是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革。北京大学深入贯彻新发展理念,于2022年设立北京大学必和必拓“碳与气候”博士研究生未名学者奖学金。该奖项由澳大利亚必和必拓公司(BHP)捐资,旨在资助北京大学科研能力突出、研究工作富有创新性的优秀博士研究生从事碳与气候相关研究。希望此项荣誉能够激励北大学子肩负起应对全球气候变化的使命,积极探索未知世界,开展高水平学术研究,在“碳与气候”相关领域发出青年声音,产出创新成果,为建成人与自然和谐共生的现代化作出突破性贡献。本学期,研究生院将推出首届北京大学必和必拓“碳与气候”博士研究生未名学者奖学金获奖者代表的系列访谈报道。


人 物 简 介              

骆 超

骆超,北京大学物理学院凝聚态物理专业2020级博士研究生,师从赵清教授,研究方向为钙钛矿光伏。独立一作发表文章影响因子和超150,获得已授权发明专利2项,曾获国家奖学金,博士期间获得北京大学校长奖学金、学术创新奖、三好学生标兵等荣誉,是2022年北京大学必和必拓“碳与气候”博士研究生未名学者奖学金获得者。


 

去解决那些稍微超出自己能力的问题,才能不断拓宽自己的边界。



研究之路:选择挑战、选择坚持


能源日益枯竭和环境持续恶化是我们当下共同面临的最大的危机,而大力推动清洁能源的研发能同时有效地缓解这两个紧迫的问题,因此我决定从事新型清洁能源相关的研究。北大为我提供了良好的研究师资和环境:在导师赵清教授的带领下,我在专业领域不断进步;同时,学校优异的研究生教育培养体制同样也给了我很大的支持,使我可以自由探索。


将太阳能转换成电能是一种清洁无污染的能源再生技术,更高效率的太阳能电池能将更多的太阳能转化为电能供我们使用,因此提升太阳能电池的能量转换效率是研究者竞相追逐的目标。但是制备高效率太阳能电池是十分困难和复杂的,需要研究者把每一步工艺和技术都做到最优,而这也是我进入该领域面临的第一个巨大挑战。


我在刚加入实验室时制备的第一个电池效率仅为5%,这远远达不到实际应用的要求。之后疫情爆发又导致实验室长时间关停。我的研究几乎是从零开始,除了努力学习、不断思考、反复练习外,没有其他办法。为此,博一期间我几乎全年无休,每天都在追寻问题根源,进入“查阅文献-思考-设计-改进-实验验证”的循环。就这样,我在这一年里陆续解决了很多关键问题,掌握了关键技术。到博二时,我已经做成了第三方认证接近25%、实验室验证超25.2%效率的太阳能电池,这种程度已经是世界领先的水平了(目前世界纪录为25.7%)。


在科研这条道路上,失败几乎占据了绝大部分时间。这是一条难走的孤独之路,但好在它是客观的、讲道理的,只要找到问题的根本,就可以找到解决问题的办法。我的经历让我确信:如果不断思考且非常努力,就一定可以战胜一次又一次的困难。



光伏助力碳中和


“碳中和”是当下的热门话题,碳中和政策也正在逐渐影响着我们的生产生活,下面我将简要介绍光伏在碳中和中的作用。


人类目前共同面临的最大危机是能源与环境危机。能源危机极其紧迫。一直以来,人类的主要能源供给都来自不可再生的化石能源,但地球上的这些不可再生能源仅够人类使用一百余年。这个时间尺度对于个人而言是漫长的,可对于地球几十亿年的生命周期而言是极其短暂的,仿佛一眨眼,地球上的能源就会枯竭。所以必须要在能源枯竭前寻找新的能源供给,人类才能继续生存下去。环境危机也正显著地威胁着我们的生产生活。过去我们的能源供给主要依靠污染性的化石燃料,这导致全球气候变暖,诱发环境问题。


为应对全球气候变化危机、展现大国担当,习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出:“中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,争取在2060年前实现碳中和。”李克强总理也在2021年政府工作报告中提出十四五期间二氧化碳排放将降低18%的具体目标。


光伏发电是一种真正清洁的能源供给技术,大力推动光伏产业的发展能减少对化石燃料的依赖,在减少环境污染的同时提供大量可持续的能源。具体而言,光伏具有以下优势:(1)取之不尽用之不竭,只要有太阳,就有源源不断的能源供给;(2)真正清洁,光伏发电不会产生任何污染物;(3)能量巨大,到达地球的太阳能量辐射大约为8.6◊1018 W,利用好太阳能将获得无比巨大的能量供给;(4)分布相对均匀,能有效地避免像化石燃料的不均匀分布带来的局部掠夺性战争,使人类能够公平地获得能源;(5)免费获取,人人都可以自由地利用太阳能,这不仅能增加便利性,还有效地降低了成本。


因此,大力发展光伏产业将有利于同时缓解全球能源与环境危机,助力我国实现碳中和目标。但光伏产业的发展之路还很长,有很多问题需要解决,此次学校设立的北京大学必和必拓“碳与气候”博士研究生未名学者奖学金将进一步激励关于光伏的研究,体现了北大和必和必拓公司对环境问题的关注和支持,具有重要的意义和现实作用。




光伏产业现状概览


我国一直都高度重视并支持清洁能源的开发。目前,我国已经有许多世界领先的光伏企业,在世界排名前十的光伏企业中,中国企业通常占据7至8席,具有绝对的产业优势。当下,中国光伏产业还在加速发展。2021年我国新增光伏发电并网装机容量约5300万千瓦(即53GW),连续9年稳居世界首位;截至2021年底,光伏发电并网装机容量达到3.06亿千瓦,连续7年稳居全球首位。


当前最先进的光伏技术是钙钛矿光伏,即以钙钛矿材料为吸光层的太阳能电池。钙钛矿是一种半导体材料,主要由铅、碘和有机物组成,它具有许多优异的半导体性能,比如:

  • (1)高的光吸收能力,仅需要500纳米的钙钛矿材料即可实现90%的太阳光吸收;

  • (2)可溶于加工,仅通过配置化学溶液,然后简单地将溶液制备成薄膜即可实现电池的制造,这将极大地降低钙钛矿太阳能电池的生产成本和工艺周期;

  • (3)钙钛矿是一种可以制备成柔性太阳能电池的材料,这可以使其集成于未来需求极大的柔性可穿戴器件中;

  • (4)廉价,钙钛矿材料本身十分便宜,这可以极大地缩短钙钛矿太阳能电池的成本回收周期,对大幅推动光伏产业的发展具有重要意义。


钙钛矿太阳能电池是当前最新一代光伏技术,发展仅有十年,但在效率方面却走完了硅基光伏走了五十年的路,未来潜力巨大,很有可能成为光伏行业的颠覆者。


钝化钙钛矿表面的缺陷是发展高效钙钛矿太阳能电池的必经之路,然而先前的表面钝化技术具有一些先天性且难以解决的缺点。在此次奖学金的资助下,我希望能够创新性地提出一种靶向钝化策略,进一步提高太阳能电池效率。


学术成果列表


1. Chao Luo, Guanhaojie Zheng, Feng Gao, Xianjin Wang, Yao Zhao, Xingyu Gao and Qing Zhao. Joule. 2022, 6, 240-257.


2. Chao Luo, Guanhaojie Zheng, Xianjin Wang, Feng Gao, Changling Zhan, Xingyu Gao and Qing Zhao. Energy & Environmental Science. 2022 (accepted)


3. Chao Luo, Yao Zhao, Xianjin Wang, Feng Gao, and Qing Zhao. Adv. Mater. 2021, 2103231.


4. Chao Luo, Wen Li, Da Xiong, Ji Fu and Weiqing Yang. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000026.


5. Chao Luo, Wen Li, Ji Fu, and Weiqing Yang. Chem. Mater. 2019, 31, 5616−56247.

发布时间:2022-12-02 点击量:13 次

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