刘文柱：做解决国家大战略问题的科研

 

刘文柱受访者供图

“真正解决实干中的问题，满足国家最紧迫的需求。”这是中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称上海微系统所）研究员刘文柱不变的初心。

年仅34岁的刘文柱已专注太阳电池研究12年，由他主导开发的柔性单晶硅太阳电池打破了业界对单晶硅技术的固有认知，为全球光伏领域的研究指明了方向。该成果已被用于我国多个型号的太阳能无人机和浮空器平台，以及南极科考可再生能源系统，并在许多战略场景中展现出巨大的应用潜力。

日前，获得第二届“中国科学院青年五四奖章”的刘文柱对记者说，他对自己有两个要求：第一，做原创研究，而非追随他人脚步；第二，瞄准工程上遇到的真实问题，而非为了发表论文去“制造”问题。

科研灵感源于生活

单晶硅太阳电池发明近70年来，光伏领域的科学家一直有个共识，即单晶硅材质很“脆”，柔韧性差，容易断裂，这限制了单晶硅太阳电池的应用场景。

“那些做薄膜太阳电池的人，为了突出其重要性，总会用一页PPT强调‘单晶硅太阳电池无法进行柔性应用’。”刘文柱说。

这一固有认知最终被刘文柱团队打破了。2023年5月24日，刘文柱等人在《自然》发表封面论文，宣布能够弯曲超过360度的柔性单晶硅太阳电池诞生。

时隔一年，刘文柱参加光伏展会时发现，柔性单晶硅太阳电池这一成果已经引领了光伏领域的风潮，各大公司甚至专门成立事业部对其进行开发。

那么，刘文柱团队是如何把“脆脆的”硅片变软的？答案是，他们开发了一种全新的边缘圆滑处理技术。而这竟是刘文柱从生活小事中获得的启发。

“我们都知道，陶瓷盘子摔在地上会碎，但如果运气好，盘子只会出现裂纹而不会碎。我发现裂纹总是从边缘开始出现，那么硅片的断裂也是如此吗？”

刘文柱迫不及待想要弄清楚硅片断裂的全过程。于是，他请研究流体力学的师弟杨自强对硅片断裂的瞬间进行逐帧分析。结果发现，硅片的力学短板就在其边缘。受此启发，刘文柱团队将硅片的边缘进行圆滑处理，既能提升其柔韧性，又能保证电池效率不下降。

刘文柱告诉《中国科学报》，日常生活就是他科研灵感的宝库，对于具有科学敏感性的人来说，对生活细微的观察和独特的思考常常引发创新的突破。

比如，走在路上时，刘文柱会想：为什么不把路灯上的太阳能电池板面积做大，使其接收更多阳光、发电能力更强呢？他又想到了限制太阳能电池板面积的原因——在大风天气下容易被掀翻，甚至把路灯杆压断。解决这一问题的方法就是把电池板做成柔性缠绕在路灯杆上，360度接受阳光照射，从而延长发电时间。这就是那期《自然》封面图片灵感的来源。

时时在思考，处处灵感来。或许，这就是科研人员最好的状态。

扎根太阳电池研究12年

2012年，在山东大学物理学院读大四的刘文柱即将本科毕业。在开展毕业设计时，刘文柱跟随导师林兆军，在实验室做起了太阳电池。他越做越觉得有意思，从此与太阳电池“结缘”。

当时，刘文柱做的是染料敏化太阳电池，与他现在研究的硅太阳电池是完全不同的种类。由于染料敏化太阳电池效率低，且液态电解质容易泄漏，对土壤和水造成不可逆的损害，已逐渐随技术的进步而被淘汰。

本科毕业后，刘文柱来到上海微系统所硕博连读。在此期间，导师刘正新给了他最大的自由和无条件的支持，这也影响到刘文柱做导师后带学生的风格。刘文柱常说：“激发年轻人的创造力，关键是要给他们充分的自由。”

而在沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学从事博士后研究的经历，更是带给了刘文柱不一样的人生体验。该“网红学校”紧邻海边，刘文柱经常与同学一起在海边散步，还会开车去沙漠露营、看星星。学校分配给刘文柱的“宿舍”是500平方米的别墅，他时常在周末邀请不同研究领域的朋友一起做饭、聊天，这奠定了刘文柱与不同领域研究者密切沟通、交叉合作的基础。正如刘文柱所说，“单打独斗的时代早已过去，交叉合作才更容易创新”。

从沙特回国后，刘文柱继续在上海微系统所从事科研工作。扎根太阳电池领域12年，刘文柱见证了该产业的快速发展，更对中国光伏产业的未来充满信心。

“我经常听到有人说，中国的太阳电池是劳动密集型产业，靠的是人力资源成本低，这种说法是完全错误的，透着对光伏产业的无知。”刘文柱摇着头说。

他向《中国科学报》介绍：“10多年来，中国光伏发电的成本降至不到原来的1/20，远低于火力发电。中国光伏无论是科学研究还是产业，都在世界上遥遥领先。”

刘文柱表示，如今，人工智能等更多新技术不断与光伏产业融合。国家将发展光伏产业作为战略性问题，无论从能源安全还是民生问题上来讲，都具有重要意义。

目前，占据90%以上市场份额的单晶硅太阳电池，其效率逐渐逼近理论极限，科学家正在寻找新出路。刘文柱表示，未来一段时间，单晶硅太阳电池仍将占据市场主流，但再往后将是单晶硅和其他材料叠加在一起的多结太阳电池的天下。

好心态助力科研

在研究过程中，刘文柱遇到过许多意想不到的困难，但他坦言，自己并未经历过所谓“低谷期”。

这与刘文柱的心态有关。每每遇到困难，他不仅不会沮丧，反而感到高兴。他认为，如果一项研究很容易完成，那么其科学品味一定不高，这样的研究“谁都能做”，没有挑战性。

刘文柱经常告诉学生：“一个好的研究课题，不是你在开始时就能预测到结果，相反，真正的发现往往发生在结果与预期不符的时刻。这些时刻标志着你站在了知识的边界上，再拿一根针往前刺一刺，就能够迈出一大步。”

2022年5月，刘文柱及其学生在《自然》子刊发文。他们发现了掺杂非晶硅薄膜中的反常Staebler-Wronski效应，并详细解释了背后的物理原因。这个发现就来源于一次实验中的“意外”——大多数材料被太阳光照射后，导电性能会下降，而刘文柱的学生在做实验时发现，光照竟提升了试验材料的导电性能。他们“揪住”这个反常现象，重复多次实验，最后才获得了突破性发现。

刘文柱的好心态不仅体现在困难面前。在如今“越来越卷”的学术环境下，许多年轻人每年都会发表大量论文以保持高产出。刘文柱则选择了另一条道路——在他博士后出站回国4年多的时间里，仅发表了3篇论文，但他每年只专注于一项研究。

对刘文柱而言，成就感的真正来源并不是论文的产出或荣誉的加持，而是做出颠覆性科研成果。“做得好不好，自己心里最清楚。”

“追随自己的兴趣，结合国家的发展战略，只要在正确的方向上保持热情和执着，终将有所成就”，这是他对当下年轻科研人员最诚挚的建议。