【缘遇恩师藤嶋昭,东渡弟子今日佼】一位中国科学家的日本情缘——中国科学院物理研究所研究员、中国科学院物理研究所清洁能源实验室主任孟庆波教授专访自述

中日人物往来 2018年01月19日

缘起藤嶋昭实验室:是先生引导我走上光科学研究之路

我是1987年从吉林大学物理系毕业后,就到中国科学院长春应化所工作学习的。1997年在应化所获得博士学位后,1997-1999年在中国科学院物理所表面物理国家重点实验室做博士后。记得是1998年春夏之交,我在北京遇到了多年未见的大学同学江雷。在江雷的推荐和帮助下,我成功申请了日本科技厅的STA Fellow 位置。1999年8月1日,我和妻子、儿子一同来到了日本,有幸加入了藤嶋先生领导的神奈川科学技术研究院(KAST)光科学重点实验室SATO-Group,从此就与藤嶋昭先生的科研团队结下不解之缘。之后因工作需要,我工作的职位先后变为KAST专任研究员、东京大学研究员和日本NEDO研究员。直到2002年8月19日回国工作之前,这期间一直是在藤嶋先生的关心和指导下开展的,同时也得到了Group Leader佐藤博士的无私帮助。可以说,藤嶋昭先生和佐藤博士研究团队是我在日本开展科学研究的第一队领路人。

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孟庆波与藤嶋昭先生

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孟庆波与佐藤博士

情满藤嶋昭实验室:是他们给予我太阳能电池研究的信心

第一次出国,一切都是陌生的,是顾忠泽到成田机场接的我们。在忠泽的帮助下,我全家顺利地度过了到国外生活的障碍,并得以快速进入工作状态。在具体科研工作中,也得到了忠泽的帮助。这期间,先后结识多位日本朋友、中国朋友、印度朋友、美国朋友,如:高桥博士、栄长博士、速水博士、俞加力、久保、尙子、由美子、只今芳博士、钱卫平博士、何志聪博士、张晰桐博士、刘洪武博士、崔爱丽博士、Rao、Tryk等等。我们在工作中增进了了解和友谊,至今还记得在成功组装出高质量光子晶体和研制出第一块全固态染料敏化太阳能电池时的喜悦心情(如下图)。

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同时也更感谢藤嶋先生对我在太阳能电池研究工作中给予的无私帮助和鼓励。这期间,是藤嶋先生的知遇之情让我把太阳能电池的研究方向坚持下来。在藤嶋实验室,我还认识了五湖四海的朋友,获得了无私而永恒的友谊。这段时间是我们全家在日本渡过的最快乐时光。

恩深似海:时间见证了我和藤嶋先生的深情厚谊

我自己科研观的转变是受到藤嶋先生的直接影响的,同时也能完全理解藤嶋先生追求的科学价值观。这个价值观已经超出了国界,在这一点上,我们的心是相通的!是先生的全力推荐,我才来到物理所工作的。为了使我能更快更好地开展工作, 2002年-2006年间,先生多次来到物理所访问,并在物理所主办中关村论坛上作学术报告。和当时所长王恩哥老师,表面物理国家重点实验室主任薛其坤老师、陈立泉先生、科研处长孙牧座谈,阐述清洁能源的重要性,为促成我建立自己的研究团队起到了关键作用。

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藤嶋先生和陈立泉院士

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藤嶋先生和薛其坤院士

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藤嶋先生和王恩哥院士

藤嶋先生每次访问物理所,都会安排顺访先期回来的师兄、师姐们的实验室,请师兄、师姐们对我的工作给予关照和帮助,也通过先生认识了佟振合先生和赵进才老师这一对良师益友。应赵进才老师邀请,我有幸通过在赵老师组织的中日双边会议上及全国光化学和光催化会议上做邀请报告,使我能快速进入国内光化学学术圈。并从2002年回国后的一个人,发展到固定员工5人和20余名研究生的团队,且已经成为在新一代量子点太阳能电池研究领域有一定影响的实验室。这些都要特别感谢老师的培养之恩、知遇之恩。

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中日双边会议纪念照片

我回国以来已培养了32名博士、11名硕士,其中1人次获院长奖学金,1人次获宝钢教育基金优秀学生奖,1人次获朱李月华优秀博士生奖,1名学生被评为中国科学院优秀毕业生,2名学生被评为中国科学院优秀学生干部,2名学生作为优秀毕业生代表在毕业典礼上发言,29人次获得中国科学院大学三好学生奖,学生们毕业后在各自领域都有很好的发展。

链接之一:孟庆波研究室及其团队的卓越之处

孟庆波研究室是一个追逐阳光的团队!为了心中的梦想,孟庆波教授和他的团队在追逐阳光的路上携手同行。

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孟庆波研究团队照片

孟庆波研究室在物理所B栋,面积700余平方米。有先进的太阳能材料制备、表征与器件组装与评价仪器和设备。研究室有3位教授,1位高级工程师和20余名研究生。主要从事太阳能材料与器件应用基础研究,包括太阳能材料的制备与光电器件、风光互补智慧微电网设计与控制研究、新型复合光催化材料的制备(光分解水制氢)、光子晶体器件的组装及应用等。

近年来,孟庆波研究室累计在J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Environ. Sci.、Chem. Comm.、Appl.Phys.Lett.、J. Phys. Chem.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Electrochem.Commun.、Solar Energy Mater. Solar Cells等国际重要学术杂志上发表论文近200篇,被引7000余次,论文被引用的h因子是50,申请80余项国家发明专利,其中47项获得授权(包括1项日本发明专利),在国际和国内重要学术会议作邀请和大会报告100余次。已完成的“863”课题和“973”所取得的结果受到了科技部专家组和科技部领导的高度评价,被评为“十五”科技部重大成果,“十一五”期间得到了滚动资助。目前,每年研究经费大约300万元。

孟庆波教授也积极参与了很多社会活动,目前任英国《Electrochemistry Communication》杂志编委和德国《Green: The International Journal of Sustainable Energy Conversion and Storage》杂志创刊编委,中国可再生能源学会常务理事,中国可再生能源学会光化学和光伏专业委员会委员,中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事,国家基金委第十三、十四届工程与材料科学部专家评审组成员。孟庆波教授从2014年起连续成功主办四届新型太阳能电池学术研讨会,参会人数逐年增多,从500余人递增到800余人。特别是第四届研讨会设立了网络直播,除却现场参会人员之外,另有平均约550国内外科技工作者在线参会。引起了广泛的关注和赞誉,提升了物理研究所和中国科学院在新型太阳能电池研究领域的影响力。

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新型太阳能电池学术研讨会现场

链接之二:孟庆波及其团队的主要科研成就

孟庆波教授深受藤嶋昭先生影响,十分关注产学研的结合。纳晶染料敏化太阳能电池是九十年代发展起来的一种新型光伏发电技术,孟庆波研究室对固态纳晶太阳能电池的各组成部分包括纳晶薄膜、染料、电解质及对电极等进行了全面的分析和优化,制备了大比表面、高空隙率的纳晶二氧化钛薄膜,宽光谱回应的有机染料,高离子传导和电导率的固态电解质以及低载铂量高活性的对电极;组装的小面积固态纳晶电池的效率达到5.48%的国际先进水平;研制的环境友好的准固态电解质纳晶太阳能电池的效率达到6%。此外,对电池的制备组装工艺也进行了全面的研究,为大面积电池的制备和工业化生产打下良好的基础。实验室成功地制备了15×10 cm2的大面积电池,具有潜在的商业价值。

量子点太阳能电池研究方面,设计、合成多组分新型量子点,通过调节化学组分获得了具有近红外吸收的CdSexTe1-x合金量子点,并将所合成的量子点应用于量子点太阳电池。通过界面修饰和引入SiO2凝胶电解质协同相互作用,将宽光谱吸收的CdSexTe1-x合金量子点敏化电池效率进一步提高到11.3%,此结果为目前报导的最高效率之一,且电池稳定性优异。

新型钙钛矿太阳能电池研究方面,通过改进钙钛矿薄膜二步沉积法有效提高了钙钛矿吸光层的晶体质量及界面结合性,无空穴钙钛矿太阳能电池效率率先突破10%,达到10.5%,为发表当时最高效率,进一步发展基于碳电极的无空穴PSCs,电池效率达到13.5%。利用半导体太阳能电池理想二极管模型,系统研究了该电池的电荷输运及异质结特性,证明该电池是一种典型的异质结太阳能电池,此工作发表在APL104(2014)063901,被评为2014年度中国百篇最具影响国际学术论文,目前已被引用284次。孟庆波教授与李玉良院士研究组合作,首次将具有共轭大π键的石墨炔引入P3HT空穴传输层,并将其应用于钙钛矿太阳能电池中。石墨炔的引入既提高了空穴迁移速率,同时由于石墨炔有较强的散射作用,有利于电池在长波范围的吸收,电池效率有效提升(Adv. Energy Mater.2015, 5, 1401943,已被引用68次)。进一步通过电子传输层界面改性研究,降低界面电荷复合损耗,协同优化溶液法薄膜制备配方和条件,提高薄膜的晶体质量及载流子传输性能,优化钙钛矿薄膜制备条件,电池效率超过21%。

光催化分解水制氢方面,孟庆波研究室自主研制了一套光分解水制氢在线分析测试评价系统;设计合成了系列硫化物催化剂(如CdS、ZnIn2S4等)、系列石墨相C3N4复合光催化剂等,通过形貌调控、掺杂等,实现了对半导体催化剂的导带/价带位置的调控,促进光生载流子分离,提高光催化产氢及光降解活性,研究了光催化制氢的反应机理,发表15篇SCI论文,申请专利5项,授权4项。

仪器研制方面,针对染料敏化太阳能电池光回应慢及光源不稳定特点,采用双光路系统并结合跨导放大器原理及负反馈技术研制了光电转化效率(IPCE)测量系统。该系统测量时间短,测量准确性高,优于国外同类商品。该工作有3项授权国家发明专利,并已研发出定型产品,推广应用到清华大学、中国石油大学、德州学院、厦门大学、北京航空航天大学(2套)、北京信息科技大学、东北师范大学、重庆大学、首都师范大学等十多家兄弟院校。进一步自主研制了一套用于检测半导体光电器件的电荷及电场回应的可调控的瞬态光电测量系统,该系统可以测量研究实际工作状态下太阳能电池的电荷动力学过程。基于该测量系统和相关物理模型,定量研究了传统多晶硅和新型钙钛矿太阳能电池各个界面电荷转移的动力学过程,并解释了其物理机制。进一步阐明了钙钛矿电池宏观光电迟滞背后的微观动力学原因及其物理机制,从而建立了该电池离子输运、掺杂和缺陷间的内在联系。

文/客观日本编辑部

孟庆波的个人名片:
孟庆波,中国科学院物理研究所研究员,现任职中国科学院物理研究所清洁能源实验室主任、中国科学院清洁能源前沿研究实验室主任、北京市新能源材料与器件重点实验室主任.,中国可再生能源学会常务理事、中国可再生能源学会光化学委员会委员、中国可再生能源学会光伏专业委员会委员、中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事以及多个英文核心期刊编辑委员。1999-2002年留学日本加入藤嶋先实验室,先后任职日本科学技术厅特别研究员(STA-FELLOW)、东京大学研究员和日本KAST专任研究员。2001年入选中国科学院“百人计划”,2005年获得中国科学院“百人计划”优秀奖,2007年获得“杰出青年基金”,2010年获得国务院政府特殊津贴,2011年获得东京理科大学校长奖,2013年入选科技北京“百名领军人才”,2014年作为项目负责人获得“国家自然科学基金委创新群体”资助。

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