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物質科學
Physical science
8月19日（周三）下午15:00點，Cell Press（細胞出版社）旗下Joule《焦耳》和iScience《交叉科學》兩本期刊將聯合舉辦Cell Press Live：Perovskite Solar Cells在線論壇。演講嘉賓陣容強大，歡迎大家踴躍報名參加。
之前我們對楊陽教授進行了一次專訪（），今天，我們又邀請到了本次在線論壇另一位演講嘉賓楊世和教授。楊世和教授長期致力於研究物質從原子、分子過渡到凝聚態的中間形態(團簇和低維納米材料)的結構、性質及應用。現階段的研究興趣包括設計新材料、發現新現象、建立新機理及拓展其在能量轉換中的應用等方面。研究特色保持基礎與應用並重，材料與器件相成，明理與創新同進。
關於楊世和教授
楊世和
教授
楊世和是北京大學深圳研究生院和香港科技大學教授，廣東省納米微米材料研究重點實驗室主任。長期致力於團簇、納米材料和新能源領域的研究。近年來聚焦於旨在可持續太陽能利用的低維多級納米材料的設計、構建和多功能化。在國際權威期刊上發表論文約600篇。發表論文被引用40000餘次。
專訪內容
Cell Press細胞出版社特別邀請本次活動演講嘉賓之一的楊世和教授進行了專訪，請他為大家進一步詳細解讀鈣鈦礦太陽能電池研究領域的發展。
CellPress：
我們知道楊教授在納米材料、能源等多個領域都有建樹。請問楊教授，您和您團隊目前正聚焦在哪方面工作當中，有哪些激動人心的進展和發現？
楊世和教授：
我們團隊的研究目前主要集中在太陽能利用，包括將太陽能轉換成電能和化學能。深入探討電子與光子的相互作用，電子的轉移，收集和重排以及相應的化學鍵重組是我們關注的基礎問題，以此促進太陽能轉化材料和器件的創新。
在新興的鈣鈦礦太陽能電池領域，發展了反應嵌入式碳基無空穴傳輸層電池，NiO基反式結構太陽能電池，以及基於膠體前驅體形成鈣鈦礦薄膜的配位化學機制。最近的一個工作發展了鈣鈦礦在空氣溼度下通過預成核的策略有效地控制了鈣鈦礦薄膜的高質量生長，使得在環境空氣中製備高性能鈣鈦礦太陽能電池成為可能。
在光電化學領域，發展了聚光結構和雜化結構，以實現光子管理與電子管理並進，有效地促進了從太陽能到化學能的轉換。最近，通過摻雜和異質結構建的有機結合，解決了表面缺陷降低光電壓及異質結能級失配的問題，提升了電極在低偏壓下的分解水光電流密度，從而極大地提高分解水的效率。
在電催化方面，發展了二維複合催化劑，如LDH和石墨烯的插層產氧電催化劑，是當前發展較快的高效非貴金屬產氧電催化劑之一。最近的系統研究釐清了具有分散Fe單原子的二維Fe-CNx催化劑在酸（FeN4）鹼（g-型 N-CH）介質中的氧還原催化活性中心。
CellPress：
楊教授團隊在能量轉化領域，比如鈣鈦礦型太陽能電池的研究中有很多重要工作，在您看來，目前鈣鈦礦太陽能電池的研究處於什麼階段？所面臨的挑戰有哪些？
楊世和教授：
滷素鈣鈦礦太陽能電池的迅猛發展是太陽能領域的一個奇蹟。在短短的幾年內其效率就已直逼單晶矽的電池效率。鈣鈦礦太陽能電池相對於其它高效太陽能電池的一個最大特點是可以溶液加工而不失其高性能。這可以歸因於形成滷素鈣鈦礦材料的相對較弱的離子鍵，使得其前驅體能夠在極性溶劑中沿著一定的路向自組裝而得到儘可能完美的又具有一定的缺陷容忍度的鈣鈦礦薄膜。這個弱離子鍵的特點同時也產生了鈣鈦礦材料自身的穩定性問題，包括光，熱，電，水，氧，機械力等的影響。
另外鈣鈦礦的廉價和易加工性使得鈣鈦礦太陽能電池很快地向大面積電池和模組方向發展，遇到的問題是如何在放大的過程中儘可能地減小效率的損失和保持電池的穩定性。穩定性問題的解決也會使鈣鈦礦材料對環境的影響減小至最低程度。但是經過研究者的努力，通過結構設計，組分工程，摻雜，界面修飾等，使得以上幾個方面都得到了長足的發展。可以說目前鈣鈦礦太陽能電池的研究已經越過了達克效應的愚昧山峰和絕望之谷，正在開悟之坡上穩步前進。
CellPress：
現如今，能源問題是一個全球化問題，各個國家的眾多科研工作者都在努力研發各種新型能源來應對這個問題。請楊教授就新型功能化納米材料應用於新能源領域的應用前景、主要困難等方面發表您的觀點。
楊世和教授：
能源問題是當前的所有問題之首，而納米科技的利劍似乎就是為了解決這個問題應運而生。這是我的導師，諾貝爾獎金獲得者Richard E. Smalley教授二十年前就提出的一個命題。能量對於人類之所以重要是因為遠離平衡態的耗散體系（如生命和社會）需要能量和物質來驅動。新型功能化納米材料在新能源領域的應用前景是顯而易見的。事實上自然界早已進化出完美的納米結構通過光合作用來獲取太陽能，生物體內負責能量轉換的納米機器更是不勝枚舉。但現今自然界的生物能以遠遠不能滿足人類社會的迅速發展。科學認識的深化和技術的進步對發展應用於新能源領域的新型功能化納米材料提出了新的要求。
近二十年來，新型能源納米材料和器件的發展勢頭非常強勁，包括太陽能電池，鋰電池/類鋰電池，超級電容器，熱電轉換器，納米發電機等等。其中有一些已經商業化或者接近商業化。我們知道，新型能源納米材料和器件的研製在橫向上涉及到跨學科科學和技術問題，在縱向上依賴於基礎研究和應用研究的銜接。這樣在發展過程中會碰到這樣那樣的困難。所以進一步的發展有賴於克服這些各種各樣的困難。
CellPress：
中國既是能源短缺國、又是能源消耗大國，如何在實現能源的有效利用的同時，保護好生態環境，是一個嚴峻挑戰。光催化技術可以將太陽能轉化成氫能，氫能作為一種高效綠色能源，在眾多領域有著廣闊的應用前景。請楊教授就目前熱門光催化材料，如TiO2、過渡金屬氧化物、新型光催化材料和共催化複合材料各自的優缺點，發表您的看法。
楊世和教授：
化石燃料給人類文明送上了光輝的一程，但化石燃料畢竟是不可持續的，而且其利用會導致氣候暖化和環境汙染。我們現在的任務就是要利用化石燃料給我們留下的寶貴遺產—科技知識積累—來實現從化石燃料到太陽能燃料的儘快過渡。
太陽能是我們的可持續的終極清潔能源。將太陽能高效地轉換成可運輸，可儲存的綠色氣體液體燃料如氫氣具有廣闊的應用前景。實現這種從太陽能到化學能的轉化至少有一下三種方式：1）太陽能電池加水電解；2）光電化學水分解；3）光催化水分解。這三種方式各有優缺點，但目前第一種方式因其獨立優化及部件的自由而致轉化效率最高。第二種和第三種有集成和無線的優勢，但核心材料的優化和匹配和器件組件的設計和優化是當前要解決的關鍵問題。這些材料和結構要同時滿足高吸收高傳導低損失的要求。
目前高性能材料如III-V族半導體可實現高效太陽能到化學能的轉換，但穩定性和高成本是存在的問題。可持續性材料有的吸光性差，如TiO2，有的傳導性差，如Fe2O3. 對於光陽極來講，目前BiVO4因其相對較強的太陽光吸收和較好的載流子傳到成為其中的佼佼者。我們最近通過其與氮化碳（C3N4）形成的異質結以及相應的Mo和B摻雜，促進了電子空穴分離，從而有效地提升了電極在低偏壓下的分解水光電流密度。進一步解決吸光和傳導的問題有望最終發展出基於可持續性材料的高效太陽能到化學能轉換的技術。
CellPress：
眾所周知，楊教授不僅在低維納米材料的設計合成領域成果豐碩，也在新型太陽能電池、光電化學電池、二氧化碳電化學及光催化還原、新型光電器件開發等諸多領域取得突破進展。請問楊教授，在這些不同學科和跨領域研究工作中，您是怎樣做到都能做出高水準研究工作的？可否跟我們分享您的經驗與心得。
楊世和教授：
一個人的歷程取決於你所處的環境和自身的取捨。環境決定了你不能做什麼，自身決定了你能夠做什麼。所以我一直堅持在環境允許的情況下儘量做自己感興趣的事。真正把我引導到科研路上的是我的研究生導師Richard E. Smalley教授。他將我引到了一個新興領域—團簇—也就是納米材料的前身。我當時剛到美國對科研腦子裡一片空白，Richard E. Smalley教授繪聲繪色地將團簇描述為從原子到固體的過渡，指出了其在物質結構中無限的研究機會，使我受到很大的感染和影響。團簇的研究沒有辜負初衷，導致了富勒烯家族的發現，有力地推動了納米科技的發展。
在團簇研究的基礎上，我後來將研究興趣延伸到納米材料的生長，特別是納米線陣列的原位生長，以及納米材料在能量轉換，特別是太陽能轉換中的應用。所以我後面關於納米能源的跨領域研究發源於我早期團簇研究的根。我一直認為，根扎的深枝葉才能茂盛。納米能源材料方面的研究工作雖然跨越多領域，但在化學物理上都是相通的，主要關心的是材料中原子的價電子的行為。由於受興趣駆使而非功利心，我趨向於把研究看成人生中難得的旅行，最關注的不是結果，而是過程和周圍的風景，有一種行到水窮處，坐看雲起時的心性。
CellPress：
楊教授不僅在科研領域有著豐碩的成果，多次獲得國家和省部級嘉獎；同時楊教授也為國內外眾多高校和科研機構培養了一批批優秀的科研人才。請楊教授可否針對導師如何帶領學生做科研以及學生如何更好的開展科研生涯，分享一些您的經驗心得並給指導意見。
楊世和教授：
幾十年來，研究文化其實發生了很大的變化。原來更多的是小分隊合作，老師和學生的聯繫更緊密。我開始獨立研究工作時實驗室的事大都是和學生一起做，老師和學生的關係更像師徒關係。現在大團隊作戰的多一些了。這與科研事業發展的進程有關：原來的研究領域更專一些，需要精深探索；而現在單一領域日趨成熟，更需整合不同領域。這其實對學生提出了更高的要求：你要知曉更多的東西，但又不能樣樣精通。
團隊的大小對師生關係會有直接影響，如團隊太大見老師一面都不容易。不管怎樣，我希望學生有獨立性，有自己的興趣，同時尊重學生的興趣。培養獨立性是自立的根本，這是研究生階段的一個重要任務。培養獨立性當然不是放羊不管，而是關注，引導，達到潤物細無聲之妙。在像能源納米材料這樣的跨學科領域，學生既要敢做敢闖，又要不忘記基本功；既要能粗到跨學科的主幹，又要能細到技巧性的枝節。這是很高的要求，不能一蹴而就，需要逐漸培養。總的來講，我覺得最重要的是培養興趣，少一些功利心。興趣是最好的老師，也是最好的伴侶。
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