【中国青年女科学家】张晓丹:晒晒太阳,治愈“电量焦虑”

  • 日期:07-27
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  如今的年轻人大多患有“低电量焦虑症”,被各种电子产品团团包围的他们根本无法忍受没有“电”的世界,科学家们则一直在探索“治愈”的方法--太阳电池或许是未来解决途径之一。

  目前太阳电池还不能满足需求,主要原因在于还需进一步提升光电转换效率,降低成本。大幅提升光电转换效率的有效途径之一是研发多结叠层太阳电池,这也正是南开大学电子信息与光学工程学院光电子薄膜器件与技术研究所所长、研究员张晓丹主攻的科研方向。

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  ▲张晓丹

  由于太阳光光谱的能量分布较宽,现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中一部分光子,因此对于单结太阳电池,其光电转换效率的理论极限一般低于30%--好比单车道的小胡同,限宽、限高、限速,导致通行效率有限。

  而如果将太阳光光谱分成连续的若干部分,用能带宽度最为匹配的材料制成子电池,并按照一定顺序叠合,波长最短的光被最外层的子电池利用,波长较长的光透射进去被内层的子电池利用,即可最大限度将光能转化为电能,这就是多结叠层太阳电池--如同四车道的快速路,货车、客车、轿车,各行其道效率极高。

  不过,多结叠层太阳电池还需解决一项很重要的技术--隧穿结结构设计与实现,如同连通主路与辅路的立交匝道,在子电池之间起到级联作用。这一结构应具备高隧穿电流密度和高透光性,以求降低光电损耗。张晓丹经过多年探索并成功构建新型隧穿结,不仅实现了低电光损失,还新增了光谱分配功能,能够将不属于本层子电池的“迷路”光子送至对应层子电池,对进一步提升多结叠层太阳电池的光电转换效率大有帮助。

  得益于此,她还成功研制出世界同类电池中最高效率14.58%的非晶硅碳、非晶硅、非晶硅锗、微晶硅四结叠层太阳电池,以及国内同类电池中最高效率22.53%的钙钛矿、硅异质结叠层太阳电池。“尽管这类电池的光电转换效率目前还不算很高,但其发展速度极快,已是全球顶尖科研机构和大型跨国公司的研究热点。”张晓丹同时强调,“在科研选题方面不能片面追求热点,而要始终遵循前瞻性、满足国家重大需求等基本原则。确保所研究的课题有助于解决光伏领域存在的关键科学和技术问题,所开发的技术具备创新性和产业化应用的可能性。”

  在她严谨负责、实事求是的科研态度背后,清晰透射出光电子所薪火相传的科研精神。“2002年刚到光电子所读博时,正赶上第一期‘973’项目,这三年的历练让我彻底醉心科研,提前博士毕业并留校。在恩师熊绍珍教授、耿新华教授和赵颖教授的带领下,我连续参与三期‘973’项目并出色完成攻关任务,为国家提交了满意的答卷。”张晓丹回忆学习生涯时说。

  光电子所素有“巾帼不让须眉”的传统:十多年前就曾获评全国优秀党支部以及全国三八红旗单位等;熊教授、耿教授皆是光伏领域的女前辈;身为中青代优秀代表的张晓丹业已成为新一代领军人。

  张晓丹对学生要求极严,“人都有惰性,想要变得更优秀,就要突破自己的舒适区。”这绝不是纸上谈兵,她自己便是最好的例证:本科考研失利后,张晓丹曾在高中任教了四年物理,她教出全市高考物理最高分,送孩子们跨入知名学府的大门,却始终放不下自己的科研理想。于是,她不顾父母反对,一边上班一边偷偷复习考研,终于实现从高中教师到大学研究员的华丽转身。

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