周慈勇 | 开发有机半导体，探寻光电转换背后的奥秘

“双碳”目标下，推动清洁能源开发利用、加快能源绿色低碳转型进程已成为时代之需。香港大学工程学院机械工程系助理教授周慈勇身在其列，多年来，他专注于开发柔性、可印刷和环保的有机半导体与聚合物太阳能电池。目前，他的工作不仅对有机太阳能电池材料中的光激发态动力学和电荷产生过程提出了开创性见解，也间接体现出能源行业向“阳”而生、蓬勃发展，进而为国家贡献澎湃动能的光明前景。

寻找可持续能源的答案

“太阳对人类意味着什么？”不同时代的不同人群大概会给出截然不同的答案。远古时期，它是一切“温暖”的根源，恍若上天的恩赐，因此被许多部落奉为神祇；今天，随着科学技术的发展，这个内部时刻发生着氢、氦聚变从而释放巨大核能的发光体被视作“万源之源”——几乎绝大部分人类所需要的能量都直接或间接地来自于此，就连无生命的煤炭、石油和天然气等化石能源也少不了受其“恩惠”——它们多由深埋地下的古生物腐蚀演变而成。因此，虽然关于太阳能的利用问题常论常新，但其实是一道古老的议题。而这道议题深种于周慈勇心中时，年少的他甚至还不知道探寻答案的路径在哪里。

▲周慈勇

物理学是周慈勇自少时起的心之所向。作为一门严格、定量的自然科学带头学科，物理学在现代科学发展的过程之中一直扮演着极其重要的角色，以研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律为学科宗旨，力求刨根究底地挖掘万物运行内核与世界本源。凭此特质，即便是他人看起来再枯燥的数与形、理与论，落在极富好奇心的周慈勇眼中，也成了一份乐此不疲的追逐与享受，越钻研，越美妙。

这份朴实无华的执着与热爱将周慈勇带入世界顶级名校——本科毕业于英国帝国理工大学、博士毕业于剑桥大学。不过这份闪闪发光的履历并没有成为他自满的理由，反而在他眼中，这些院校虽然盛名在外，但更重要的始终是那些前沿的学术资源与师资力量，其中尤以他的博士生导师——英国剑桥大学理查德·弗兰德（Richard H.Friend）教授为代表。“弗兰德教授是有机半导体研究与光电器件开发的领军人物，跟随他开展学术研究的几年里，我不仅收获了扎实的专业理论，更重要的是，我看到了他身上兼容并蓄的胸怀、千山独行的前瞻视角及一丝不苟的治学态度。”直到今天，导师的耳提面命、言传身教仍历历在目，对于周慈勇而言，这才是值得珍惜一生的宝贵财富。而在如此教导之下，还未走出“象牙塔”的周慈勇脑海之中慢慢成形了一个问题，即“如何克服有机半导体固有的物理限制，同时实现高效、稳定的有机太阳能电池，将其逐步应用于商业产品并对社会产生真正的影响？”

自2017年返回香港并在香港大学成立自己的研究小组以来，周慈勇一直专注于有机太阳能电池的研发。这既明晰了探索心中疑问的光明方向——开发基于有机半导体和聚合物的新型光电和光子应用，也初步实现了他的职业梦想——为打开我国未来绿色能源、照明技术和仿生计算等新局面而进行无垠的拓荒，他说：“与传统硅太阳能电池不同，有机太阳能电池具有低成本、柔性、半透明、环保等特点，在建筑一体化方面具有巨大潜力，未来可期。”

兼顾“高效”与“稳定”

对有机光伏机理的追逐是周慈勇自2017年至今产出期刊论文46篇、专利2项的本源动力，却不是他选择回国的根本原因。“回国是水到渠成的选择吧。我是土生土长的香港人，因而对这片热土有着深深的热爱与眷恋，且国内的研究环境和条件已经取得了长足进展，我认为从各个方面来讲，我都没有不回来的理由。”

回国之后，周慈勇先是在香港科技大学任职，之后在2020年加入香港大学并建立“有机光电实验室”。过去7年，他几乎每一年都拿到了香港政府提供的优配研究金，助其朝着研究目标更进一步。在2022年，他产出了优秀成果——针对基于富勒烯受体和非富勒烯受体的聚合物有机光伏电荷产生机理发表了专论文章。其中介绍了两种体系的优劣势，即富勒烯体系虽然可以实现超快的电荷分离，却普遍存在较大的能量损失；而非富勒烯体系虽大幅降低了器件的能量损失，但其电荷产生过程相对较慢，并且在一些情况下需要热能的辅助来实现。

“基于以Y6为代表的Y系列非富勒烯受体的有机太阳能电池已经取得了接近20%的能量转换效率。但是，大规模工业化生产以及器件工作稳定性仍然是一个挑战。因此，我们必须深入分析Y系列受体独特的分子堆积方式和电荷产生动力学，从而提出降低能量损失和提高器件性能的可能手段。另外，目前有机光伏器件的相对较高成本也是限制它实现大规模制备的关键瓶颈之一。所以未来我要做的事情还很多。”周慈勇说。

追求极限与实现稳定堪称材料学上极难平衡的“天平”之一，无异于要求“鱼与熊掌”兼得。但周慈勇深知做科研是一份逢山开路、遇水搭桥的职业，因此生出了坚定的进取之心。在2020年加入香港大学机械工程系之后，他开始以“科技生力军”的觉悟践行自己心中的学术之道。两年之后，他获得在国家重大科技任务中“挑大梁”的绝佳机遇，获批国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（港澳），着重对光电能量转换背后的机理问题进行研究。这一次，周慈勇制定了更远大的目标——实现“建筑光伏一体化”。

“进一步提高太阳能发电量对于我国实现2030年‘碳达峰’与2060年‘碳中和’目标意义重大。目前，硅太阳能电池在人口稠密的城市地区安装面积十分有限，因为其材料很重且不透明。另外，硅太阳能电池的制备还要经过高温煅烧，并不节能环保。因此相比之下，开发适合与摩天大楼的玻璃幕墙结合并实现‘建筑光伏一体化’的有机太阳能电池材料就显得迫在眉睫。”周慈勇将立项的目的娓娓道来。如他所言，如今重量轻、柔性且透明的材料或许更适合作为为城市提供可持续能源的解决方案。但实验发现，即便是能量转换效率为15%的有机太阳能电池想要持续高效运行数年都非常困难。原因在于有机太阳能电池产生自由电荷需要借助给体和受体材料之间的界面能量差来克服有机半导体中的高激子结合能，这种方式依赖于给体和受体材料的特定形态，因此极大程度上限制了电池运行的稳定性。

眼下，即便科研道路上充满挑战，周慈勇仍带领团队努力探索。传统的基于小分子Y系列受体材料的有机太阳能电池具有较高效率，但稳定性较差。最近几年的新兴聚合物Y系列受体材料使得有机太阳能电池能够兼具较高效率及良好稳定性，但其电荷产生的机理及较高稳定性的原因还不清楚。近日，周慈勇带领团队经过系统深入地研究，揭示出给体和受体分子在界面处相互渗透的形态是基于聚合物Y系列受体材料的太阳能电池电荷产生及具有较高稳定性的关键。报道其目前研究成果的相关文章已被顶级国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）顺利接收，这或许又是推动行业向前迈进的一大步。

于科研，周慈勇数年一日、笃行不怠；于教学，他同样尽心尽力、认真严谨。“最大的心愿就是我的学生们都能找到自己想要坚守住的科研方向，在他们感到困惑时，无论学习还是生活，我都会尽我所能给予他们支持和鼓励，就像我的诸位导师对我那样”，周慈勇由衷说道。因其深谙教育是一门“功在当代，利在千秋”的事业，所以未来他将继续坚守启智润心的教育宗旨，用因材施教的育人智慧鼓励大家继续秉持批判性思考的准则，于细微处入手、于点滴处入心，持续为香港、为国家输送科研人才，鼓励更多的创新科研人才加入行业中，共同携手探寻光电转换背后的奥秘！