缺陷调控是光电半导体的核心研究方向。通过掺杂等方式实现缺陷调控，可以改变光电材料的浓度、空间位置、能级位置等，展现丰富的光电性能，满足不同场景需求。
老一辈科学家树立了榜样，现在国家有需求，青年科学家也应该站出来。国家对科研支持力度越来越大，要在国家需求中寻找感兴趣的研究方向并全身心投入，主动寻找切合实际的科研方向。
中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室主任、研究员邵宇川在操作低温探针台。图片均由受访者提供
性能优异的光电半导体材料及器件在能源、信息、国防等重大领域起到支撑作用，作为光电半导体材料之一，钙钛矿因具有高效、轻薄、柔性、彩色等特点，被广泛运用于各类电子器件。目前，对于钙钛矿的缺陷调控已经成为光电半导体领域的核心研究方向。“通过掺杂等方式实现缺陷调控，可以改变光电材料的浓度、空间位置、能级位置等，展现丰富的光电性能，满足不同场景需求。”中国科学院上海光学精密机械研究所（下称上海光机所）薄膜光学实验室主任、研究员邵宇川日前在接受专访时介绍说。
邵宇川长期从事钙钛矿光电半导体及相关物理机制的研究，在器件性能提升、新结构开发、界面工程等研究方向取得了一系列创新成果。今年8月，邵宇川凭借“光电半导体缺陷调控”这一研究项目入选“上海科技青年35人引领计划”获奖名单。让人意想不到的是，如今接任上海光机所光学薄膜实验室第五任主任的邵宇川还曾经是一名专业的乒乓球运动员，也正是这段运动生涯牵引着他步入物理的世界。
钙钛矿缺陷调控的多项创新研究成果
钙钛矿是指一类陶瓷氧化物，钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体结构，尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能，或可被应用在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧化还原催化剂等诸多领域。《科学》和《自然》杂志曾将钙钛矿太阳能电池评为2013年度十大突破。
长期从事钙钛矿研究的邵宇川团队通过对钙钛矿缺陷调控的研究，在提升包括太阳能电池等产品性能方面获得了多项发现。
邵宇川及其合作者原创性地提出了钙钛矿太阳能电池能级新模型，新模型指出电荷传输层无序性（缺陷能级分布）对器件开路电压具有重大影响，通过优化设计方向，有序分布缺陷能级，从而显著提升电池效率。“以前研究人员觉得电荷传输层的宽窄分布对电池影响不大，但我们研究发现，如果能把电荷传输层的分布做得更窄，可以大大提高开路电压”，邵宇川介绍说。
除了调整缺陷分布，如果人为在材料中增加缺陷，又会产生什么效果？2021年，邵宇川及其合作者首次实现钙钛矿材料表面n型重掺杂，得到高缺陷重掺杂钙钛矿金属态表面，材料由半导体态转向金属态，“虽然我们现在在钙钛矿内部还是掺杂不进去，但至少在表面我们可以实现重掺杂。我们以此做了横向同质结钙钛矿太阳能电池，效率得到提升。”
通过抑制缺陷，减少能量损失，实现了钙钛矿太阳能电池大面积器件的光电转换效率稳定在20%，目前全球最高纪录是25%，“但光电转换效率要稳定超过20%，对缺陷调控要求很高，实验室里做到25%和产业化是不一样的。”
通过抑制钙钛矿缺陷，还可以降低太阳能电池的寿命衰减。十年前，钙钛矿太阳能电池的寿命只有5分钟，目前各个课题组的钙钛矿太阳能电池寿命可达约1000小时，虽然这一结果距离电池使用寿命超过20年的目标仍有差距。
此外，钙钛矿太阳能电池使用的透明导电电极占器件成本的2/3，邵宇川表示，未来将利用钙钛矿材料缺陷实现可控掺杂，摆脱透明导电电极，降低电池成本。
在对钙钛矿缺陷调控的研究过程中，邵宇川及其合作者不仅发现了提升电池效率的方法，还开辟了钙钛矿高能粒子探测的新方向。团队对钙钛矿本征光电特性进行表征，在超低缺陷密度条件下，载流子扩散距离大于3毫米，比此前学界的认知大幅提高。载流子是可以自由移动的带有电荷的物质微粒。“载流子能从器件中间到达器件两边的正负电极，载流子扩散距离增大，器件就可以做得很厚，加上钙钛矿里有铅有碘，对X射线的吸收能力很强，钙钛矿就可以用来做X射线探测器。”邵宇川表示，利用可控掺杂提高X射线探测器灵敏度，可以降低检测限，实现彩色CT，“如果X射线探测器能用上国产材料，仪器成本将大大降低。”
乒乓球运动员变身物理小天才
邵宇川被公认为上海光机所最会打乒乓球的研究员，因为他曾经是一名专业的乒乓球运动员。他9岁开始练习乒乓球，初中打进了安徽省队，虽然不到两年便选择了退役，但这段乒乓球的训练生涯也是他对研究物理世界着魔的开始。
“乒乓球发球时，运动员为了不让对手通过发球手势来判断是上旋球还是下旋球，会用手遮挡球，但你如果观察球在空中的运动轨迹也是能够来判断的，球不同的旋转方向使得它在空中的飞行轨迹不同，你天天打乒乓球，就有感觉，下旋球飞得更飘，上旋球会往下栽。”邵宇川回忆小时候的打球经历说。
从安徽省队退役回到学校上课后，邵宇川惊讶地发现其实只需要一个简洁的伯努利方程就能解释自己多年来观察到的乒乓球旋转现象。“伯努利方程的实质是流体的机械能守恒，流速越大的地方压强越小。乒乓球往前飞时旋转，球的上半部分和下半部分气流流速不同，上旋球有一个向下的作用力，所以飞行时轨迹偏下。”有了这个发现后，邵宇川对物理产生了浓厚的兴趣，自主投入了更多时间。虽然之前因为训练耽误了学业，但回到学校后，他很快便跟上了课程节奏，从高中开始参加物理竞赛，并于2005年考入中国科学技术大学物理系。
邵宇川参加乒乓球比赛。
本科毕业后，邵宇川进入了上海光机所研究激光薄膜，2012年前往美国内布拉斯加大学林肯分校攻读博士，研究光电半导体，4年后在美国耶鲁大学继续从事光电半导体的博士后研究。
“与其想这想那，不如直接干”
刚到美国时，邵宇川并不确定自己是否适合科研这条路，与“科研大牛”相比，他觉得自己还有很大差距，但博士导师北卡罗来纳大学教堂山分校的黄劲松老师全身心专注投入科研的态度治愈了邵宇川的精神内耗，也成了他的科研引路人。“与其想这想那，不如直接干，做的过程中就会发现乐趣。”
2015年，为了表征载流子的迁移率，邵宇川和师兄在研制对称器件时发现了钙钛矿太阳能电池正负极反转现象。“一个电池做完以后，它的正负极还会反转过来，这是很不可思议的现象。”邵宇川感到诧异，一度以为自己做错了器件，但科研中一些不符合常理的现象或许就是一个转折机会。基于电池正负极反转的实验现象，邵宇川和师兄提出诸多猜想，再通过实验排除，大约一年后，他们发现，电池正负极反转是由于钙钛矿电池两边离子的不同掺杂导致的。他和师兄立马发表论文，第一次在钙钛矿里发现了离子移动。“之前大家都以为钙钛矿不稳定是受到了水、氧气、高温等外部影响，但新研究表明要实现钙钛矿的稳定性就需要抑制内部的离子运动。”
敢于质疑和探索实验中的异常现象，一旦打开了研究领域，邵宇川的研究势如破竹，发表了一系列科研成果。博士后出站，他进入美国苹果公司担任高级工程师，研发光电信号转换的Face ID（刷脸认证方式）。项目结束后，2019年邵宇川回到母校上海光机所，为国家需求做科研，2020年底接棒上海光机所光学薄膜实验室主任。
科研工作者需要为国家需求服务
在兴趣驱动下，邵宇川在自己的研究领域已经取得不少成就，但在接任光学薄膜实验室主任后，他毅然挑起攻关激光薄膜前沿研究的担子，把更多精力转移到服务国家的需求上来。
上海光机所光学薄膜实验室是我国历史最悠久、技术积淀最深厚的光学元器件优势实验室之一，已走过50多年岁月，开拓了我国激光薄膜事业，几代“薄膜”人突破一系列“卡脖子”难题，持续开展我国惯性约束聚变领域的光学材料、光学加工以及检测技术相关的攻关工作。
近年来，光学薄膜实验室在高性能激光薄膜元件的制备技术方面取得了重大突破，为我国神光系列高功率激光装置、超强超短激光装置等系统提供了大量高性能核心激光薄膜元件，为多项空间激光器型号任务提供了高性能空间激光薄膜。
“实验室的研究方向一直是为国家需求服务，我们要把传统延续下去，除了守住激光薄膜，也要拓展研究方向。”邵宇川说，“十四五”期间，实验室将着力拓展激光薄膜调制波长范围，包括短波长薄膜和中红外激光薄膜。
“老一辈科学家树立了很好的榜样，现在国家有需求，青年科学家也应该站出来。”如今35岁的邵宇川是光学薄膜实验室第五任主任，白天忙活薄膜光学实验室，拓展激光薄膜研究，晚上管理自己的科研小课题组，攻关钙钛矿缺陷调控，白发早已爬上头。
他在科研中兼顾国家需求和个人兴趣，“科学的每一个细分领域都有各自优美之处，只有深入研究才能发现更多有意思的地方。”邵宇川认为，国家对科研支持力度越来越大，要在国家需求中寻找感兴趣的研究方向并全身心投入，同时主动寻找切合实际的科研方向，有时候在实验室里拍脑袋想出来的研究方向和实际痛点并不一致，只有和需求方经过思想碰撞后才会知道实际应用的痛点，调整研究方向，真正满足国家需求。
（本文系上海科技与澎湃科技联合推出的“正自广阔：上海科技青年35人引领计划追光报道”系列之一。敬请垂注更多后续报道。）
