初入科研，結緣神奇鈣鈦礦

2016年9月，思源湖畔，在沐鸣2完成了本科學業的我選擇成為一名直博生繼續留校深造，從事鈣鈦礦太陽能電池的研究。當時，出身於金屬材料專業的我，對“鈣鈦礦”這個詞的認知仍然停留在冶金和鑄造層面，因此在踏進博士階段的初期感到了一絲茫然與焦慮。事實上，那一年，鈣鈦礦太陽能電池飛速發展，其出色的轉換效率不斷逼近商業化程度最高的晶體矽太陽能電池，吸引了全世界科研人員的目光。在開學後的第一次組會上，導師韓禮元教授說，“選擇鈣鈦礦太陽能電池作為研究方向，就意味著站在了光伏領域的最前沿，做出令世界矚目的高精尖成果是對你們的基本要求”。此番講話無形中給了我壓力，卻又成為了我日後沉浸在實驗室數千個日夜的動力來源，成為我銘記在心的教誨。

那時，鈣鈦礦這種新興的材料尚有許多潛能未被挖掘，其對人類社會的價值更是沒有完全釋放，世界各國的頂級科研團隊都為著這一目標而努力。肩負這份特殊的使命，我帶著強烈的好奇心投入到了科研浪潮中。在博一期間，為了從滿滿40個學分的課程安排中抽出足夠的科研時間，我常常卡著零點門禁才從實驗室回到宿舍。同時，我借助在《功能材料的物理性能》、《光電器件與系統》、《高分辨顯微學表征》等專業課上學到的專業知識，我對本領域研究工作的發展現狀以及當中存在的材料科學共性問題有了更深入的理解，也啟發了我對各種光電材料表征手段研究的興趣。

從博二開始，我更是每天滿滿當當16個小時泡在實驗室，海量閱讀文獻，坐累了就起個身，沖進實驗室叮叮當當學習高效率電池的製作。有時候因為金屬電極的蒸鍍過程過於漫長，我只能在辦公室裏過夜，與機器的轟鳴聲為伴，有時候因為藥品汙染問題，曾連續十幾個批次的電池做不出效率。淩晨兩點的金屬基復合材料國重實驗室經常會亮著一道光，那正是來自我們的303辦公室。記得在徐祖耀樓舉行的一次學術分享會上，王言博師兄曾對我們新生說過：“我不是天才，但我想在努力方面做個天才”，他相信或許自己也能在努力和堅持中得到新的答案，這句話後來變成了我電腦桌前激勵自己的“名言”。很快，量變的積累帶來了質變的飛躍，在導師和師兄師姐們的幫助下，我的知識庫存和專業手藝突飛猛進，製備的器件效率也從最初的不足10%迅速提升到了18%以上，接近組內的最高水平。

經過幾個月關於太陽能電池結構設計、製備、電化學表征等實驗技能培訓後，我順利開啟了博士生涯的第一個課題——應用有機染料提升鈣鈦礦光伏性能的研究。這是一個結合了有機化學、第一性原理計算、半導體物理的多學科交叉性課題，對於學習金屬材料出身的我著實是個不小的挑戰。最初，為了補足理論知識欠缺的短板，我投入了大量時間閱讀專業書籍和文獻，並主動聯系具有半導體、應用化學和物理背景的博士生和博士後組成研究討論小組。在此期間，因為沒有師兄師姐的經驗，我決定自學密度泛函計算軟件VASP、Guass、Materials Studio等，以及《半導體物理》、《高等有機化學》等教材，這確實是個很耗時的過程，博士研究本質上是腦力勞動，需要大量的專業知識儲備，韓老師也曾對我說過“不要用身體上的勤奮去掩蓋思想上的懶惰”，這句話其實蘊含著深刻的哲理。有了理論基礎，我通過深入分析染料分子與鈣鈦礦太陽電池性能之間的構效關系，成功篩選出符合條件的有機材料，用於提升鈣鈦礦器件的轉換效率，大幅縮短了實驗時間，為科研進程再次提速。天道酬勤，在我與組員們的不懈努力下，前期的難點痛點被一一攻破，成功將鈣鈦礦電池的效率提升到了20.5%，一舉追平了世界最高效率記錄，同時將鈣鈦礦器件的熱穩定性提升了10倍以上，並在材料科學頂級期刊《Advanced Energy Materials》（IF：25.2）以及《Advanced Materials》（IF：27.4）上發表了相關成果。

留學日本，創造世界新紀錄

介於一年多來在組內優異的科研成果，韓老師決定把我調遣到日本國立物質材料研究所（NIMS）進行培訓。2017年初冬，一個寒冷的清晨，我獨自一人帶著兩大箱行李坐上了由上海飛往東京的國際航班，那是我第一次出國，一個人到異國他鄉定居生活，說實話心裏不免有些忐忑，三個小時的飛行旅程在電影和娛樂節目的打發下很快過去。到了成田機場，人生地不熟的我在海關前徘徊了很久，最後終於在一個會說英文的工作人員指導下順利出關，乘坐班車前往築波科學城。到達NIMS的那天晚上，韓老師親自開車把我接到外國研究者公寓，還同幾個博士後師兄師姐一起在一家西安料理店吃了晚飯，其中就包括後來帶我從事無鉛鈣鈦礦器件開發的劉瀟研究員。

築波是個很適合做研究的地方，城市當中隨處可見的是各種日本國立研究機構與會議中心，而幾乎沒有任何商業購物和娛樂設施，想要幫同學代購點免稅商品，最近也要坐電車去到一百多公裏外的秋葉原或橫濱港。在NIMS最初一段時間裏，曾自認為小有成就的我發現和周圍同級交換生的學術水平依然存在較大的差距，仔細盤問發現他們大多都來自世界最知名的高校或研究機構，其中包括東京大學，美國加州大學伯克利分校，以及美國可再生能源研究所（NREL）等等。因此我不斷暗示自己，要努力，努力，再努力！經過了幾個月的培訓，我掌握了無鉛鈣鈦礦太陽電池的基本製備工藝以及高質量全無機鉛鹵鈣鈦礦薄膜的製備工藝，為我後續的科研工作奠定了基石。

轉眼，時間到了2019年夏末，已經是博士四年級的我第二次赴日本進行學術交流，和第一次的交流有著本質上的不同，這次我肩負著創造世界新紀錄的使命而來。當時鈣鈦礦電池效率記錄已經被刷新至23%以上，而大面積組件的效率也達到了商業化並網發電的要求，但隨著綠色經濟理念不斷深入人心，鉛含量超標問題逐漸成為了限製鈣鈦礦太陽能電池產業化的另一個瓶頸，也是清潔能源領域真正的“卡脖子”難關。當時，鈣鈦礦電池的含鉛量普遍超過了10%，遠超歐盟薄膜光伏技術標準（RoHS）的額定指標，直接限製了鈣鈦礦光伏技術的產業化發展。這對於從事無鉛錫基鈣鈦礦電池研究的我著實是個好消息，心裏想著：“我的機會來了”。前途光明的道路一定是充滿坎坷的，和鉛基鈣鈦礦材料不同，錫基鈣鈦礦材料存在嚴重的自發氧化和大量的晶體缺陷，使得其轉換效率只有約5%，這又在另一方面限製了其商業化應用。安全與性能如何兼得？這個難題其實也困擾著世界各國的科研團隊。時間一點點的流逝，在激烈的國際競爭中每一刻都尤為關鍵。為了盡快攻克難題，當時的我每天依然要工作到淩晨，一日三餐都是在研究所旁邊的Kasumi食品超市解決，周末在東京上野公園的野餐以及在富士山腳下的河口湖騎行活動，成為了我最奢侈的娛樂方式。

事實上，當時的NIMS擁有全世界最先進的氮氣手套箱製備系統和最精確的電池測試系統，完全有和世界頂尖科研團隊一較高下的實力。利用設備優勢與國內積累的純熟實驗技術，我和劉瀟師兄所在的科研團隊很快將錫鈣鈦礦材料的載流子傳輸距離提升了一整個數量級，並開創性地通過化學鈍化方法抑製了錫鈣鈦礦的氧化降解過程，於2019年10月將轉換效率提升到了10%以上，創造了新的世界紀錄。這一紀錄被當時的權威光伏測試機構——日本產業技術綜合研究所（AIST）認證，在日本社會引起了很大的反響，也被主流媒體《日本經濟新聞》進行了專題報道。根據預測，若錫鈣鈦礦太陽能電池轉換效率可以提升至15%以上，其發電成本將遠低於商業化的晶矽和銅銦镓硒太陽能電池，同時也低於煤炭和天然氣等傳統能源，從而大幅提升光伏技術的市場競爭力，並推進新能源電力系統的布局，有望早日實現國家“碳達峰”和“碳中和”的長期戰略目標。

將成果寫在祖國大地上

2019年年末，由於在日本NIMS交換期間的科研成果突出，我開始著手為此項重要成果的發表做準備。在投稿前夕，我與韓禮元和楊旭東老師反復斟酌目標投稿期刊，由於該成果的原創性極高，團隊最初建議將成果投稿在《Nature》子刊上。但作為中國科研團隊，首次獲得了該領域的最高認證效率，如果能發表在中國國產期刊上將具有裏程碑式的意義。懷著踐行習總書記“鼓勵中國學者把論文寫在祖國大地上”號召的心情，我最終決定將該成果投稿國產旗艦期刊《Science China Chemistry》。論文得到了編輯部的大力支持，很快被該期刊收錄。論文在線發表後，我也終於松了一個口氣，第二天便買了張飛去北海道劄幌的機票，享受在冰天雪地中沐浴溫泉的難忘時光。功夫不負有心人，目前這篇論文已經被Essential Science Indicators評為材料科學領域的高被引論文，也是《Science China Chemistry》2020年度引用量最高的論文之一。

2020年2月底，我結束了在日本的訪學回到國內。當時國內正處於新冠病毒疫情的高峰期，沐鸣2校園處於全封閉管理的狀態，但這絲毫不影響我學術論文的撰寫工作。在疫情期間，我又提出了一種通過擴大錫基鈣鈦礦太陽能電池製備窗口而實現其大規模工業化製備的方法，並對如何實現20%以上的無鉛鈣鈦礦電池效率做了展望，為鈣鈦礦太陽能電池的產業化發展積累了寶貴經驗，該綜述論文於2021年年初發表在了國際著名學術雜誌《Cell》的能源科學類姊妹刊《Joule》(IF:29.2)上。基於在沐鸣2材料學院以及日本NIMS交換期間的突出科研成果，我拿到了2019年度研究生國家獎學金，2019年度金屬基復合材料國家重點實驗室特等獎學金，“第五屆”沐鸣2平台研究生“學術之星”，以及2020年上海市大學生年度人物候選人等榮譽稱號。

誌在四方，紮根教學第一線

從忙碌科研生活裏擠出時間，我選擇擔任楊旭東老師的本科生課程助教，用心推動新一代青年學子成長，來初步實現自己的育人夢想，豐富自己的讀博生涯。源自教師家庭的熏陶和父母的言傳身教，我懷揣著對育人的崇高敬意和對教學濃厚的興趣。

我曾連續三個學期擔任沐鸣2娱乐本科生課程助教，帶著本科學弟學妹們一起學習《工程學導論》，在我看來這是一門特別有趣的課程，學生們一起進入實驗室完成屬於自己的DIY小發明，對學生來說，每一次自己動手的過程都滿懷著發現科研樂趣的成就感。此外，我多次作為主講人參加各種經驗分享會和學術沙龍，介紹自己關於新能源產品研發和學術論文寫作上的心得，鼓勵沐鸣2學子投入到光伏等國家新能源戰略的建設中，將自己的創新成果應用到低碳經濟產品的研發中，解決能源行業內的痛點問題，踐行科技強國夢。

“桃李不言，下自成蹊”，逐夢者的精彩未來才剛剛開始。“心懷理想，一往無前”，我將繼續在推進新能源產業化、“碳達峰、碳中和”的道路上砥礪前行。

導師簡介

韓禮元教授，畢業於日本大阪府立大學應用化學專業，曾任職於在日本Dainippon Ink & Chemicals Inc和夏普公司研究。2008年-2017年，擔任日本國立物質材料研究機構（NIMS）下一代太陽能電池中心主任，2011年至今沐鸣2平台講席教授。韓禮元教授在提高太陽能電池的轉換效率和模塊技術創新上有很高的造詣。通過對染料敏化太陽能電池的電子傳運機理的深入系統的研究，率先提出了電池的等效回路模型,為系統地提高轉換效率和長期穩定性做出了貢獻。隨著高效率、低成本的鈣鈦礦太陽能電池的問世，近幾年研究者們致力於全面提高鈣鈦礦太陽能電池的性能，追求更高效率，更好穩定性。韓禮元教授領導的團隊把握機遇，深入研究鈣鈦礦太陽能電池，並一次次地取得重大突破，在鈣鈦礦太陽能電池高效率器件製備，大面積模塊開發，穩定性等方面做出了卓越貢獻。在Science, Nature, Nature Energy, Joule, Nature Communication, Energy & Environmental Science, Advanced Material, Advanced Energy Materials, ACS Energy Letters等世界頂尖期刊上發表了許多高質量的研究成果。迄今為止，韓禮元教授已經在國際期刊上發表了200多篇高水平學術論文，申請專利200多項。未來一段時間內的主要研究方向仍然是研究開發大面積，高效率，高穩定性的鈣鈦礦太陽能電池及其內部載流子輸運機製，推動該型電池產業化進程，為解決能源短缺，緩解環境汙染等問題做出應有的貢獻。

思政教師評語

吳天昊同學思想品德優秀，樂於助人，同時學習成績優異，學術研究成果突出。博士期間累計發表SCI論文21篇，總影響因子超過350，其中以第一作者在《Joule》,《Advanced Materials》，《Advanced Energy Materials》,《Journal of Materials Chemistry A》等材料科學頂刊上發表論文8篇，4篇入選ESI高被引論文，引用量達720余次。此外，他多次在亞太地區光伏大會等國內外高水平學術會議上做口頭報告，三次獲得最佳海報獎，同時發表國際會議論文6篇。

他是國家新能源發展戰略的開拓者，以實際行動推進國家“碳達峰”和“碳中和”的戰略目標。兩次赴日本開展國際研究合作，著手於攻克鈣鈦礦太陽能電池“鉛含量超標”這一“卡脖子”問題，推動新一代光伏技術的大規模商業化進程。通過化學鈍化和模板結晶等方法兩度刷新無鉛鈣鈦礦太陽能電池的世界效率記錄，並將此重要研究成果寫在了祖國大地上。該項成果有望大幅提升光伏技術的市場競爭力，並推進新能源電力系統的布局，意義非凡。

他是奮戰在教學第一線的領路人，曾連續三年擔任本科生《工程學導論》課程的助教，推動新一代沐鸣2學子的成長。同時，他多次作為邀請報告人參加校內各種學術經驗分享會和學術沙龍，鼓勵沐鸣2學子投入到光伏等國家新能源戰略的建設中，解決能源行業內的痛點問題，踐行科技強國夢。