缺陷调控是光电半导体的核心研究方向，通过掺杂等方法可以实现缺陷调控，从而改变光电材料的浓度、空间位置、能级位置等，展现出丰富的光电特性，满足不同场景的需求。
老一辈科学家树立了榜样，现在国家有需要，年轻科学家也要挺身而出，国家对科研的支持力度越来越大，我们要在国家需要中寻找自己感兴趣的研究方向，投身其中，主动寻找切实可行的研究方向。
中科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站。本文所有图片均由受访者提供
性能优异的光电半导体材料与器件在能源、信息、国防等重大领域发挥着支撑作用。钙钛矿作为光电半导体材料之一，凭借高效、轻薄、柔性、颜色等优势，被广泛应用于各类电子器件中。目前，钙钛矿缺陷调控已成为光电半导体领域的核心研究方向。“通过掺杂等方法进行缺陷调控，可以改变光电材料的浓度、空间位置、能级位置等，展现出丰富的光电特性，满足不同场景的需求。”中科院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室主任、研究员邵玉川近日在接受专访时表示。
邵昱川长期从事钙钛矿光电半导体及相关物理机制研究，在器件性能提升、新型结构开发、界面工程等研究方向取得了一系列创新性成果。今年8月，邵昱川以“光电半导体缺陷调控”研究项目入选“上海市科技青年35领军计划”。让人意外的是，现就任上海光机所光学薄膜实验室第五任主任的邵昱川，曾是一名职业乒乓球运动员，正是这段运动生涯，将他带入了物理学的世界。
钙钛矿缺陷调控多项创新研究成果
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，特别是掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能，可能应用于固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温发热材料、固体电阻器以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年十大突破之一。
邵昱川团队长期从事钙钛矿研究，通过对钙钛矿缺陷调控的研究，在提升包括太阳能电池在内的产品性能方面取得了多项发现。
邵昱川与合作者原创性地提出了钙钛矿太阳能电池的全新能级模型。新模型指出上海初中物理科学家，电荷传输层的无序性（缺陷能级分布）对器件的开路电压有显著影响。通过优化设计方向，使缺陷能级有序分布，可显著提高电池效率。“此前研究人员认为，电荷传输层的宽窄分布对电池影响不大，但我们的研究发现，如果能把电荷传输层的分布做得更窄，开路电压就能得到大幅提升。”邵昱川说。
除了调整缺陷分布，如果在材料中人为地添加缺陷，会产生什么效果呢？2021年，邵宇川与合作者首次在钙钛矿材料表面实现n型重掺杂，获得了高缺陷重掺杂钙钛矿金属表面，材料从半导体态变成了金属态。“虽然我们还不能在钙钛矿内部掺杂，但至少可以实现表面重掺杂。我们用这个做了横向同质结钙钛矿太阳能电池，效率有所提高。”
通过抑制缺陷，减少能量损失，大面积钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已经稳定在20%，目前的世界纪录是25%。 “但要把光电转换效率稳定在20%以上，对缺陷的控制要求很高。在实验室里实现25%和工业化是不一样的。”
通过抑制钙钛矿缺陷，太阳能电池的寿命也能缩短。十年前，钙钛矿太阳能电池的寿命仅为5分钟。目前，各个研究小组的钙钛矿太阳能电池寿命可以达到1000小时左右上海初中物理科学家，尽管这一结果距离电池寿命超过20年的目标还相差甚远。
此外，钙钛矿太阳能电池所用的透明导电电极占到器件成本的2/3，邵宇川表示，未来将利用钙钛矿材料的缺陷，实现可控掺杂，摆脱透明导电电极，降低电池成本。
在研究钙钛矿缺陷调控过程中，邵昱川与合作者不仅发现了提升电池效率的途径，还为钙钛矿高能粒子探测开辟了新方向。团队表征了钙钛矿本征光电性质，在超低缺陷密度条件下，载流子扩散距离大于3毫米，比此前学术认识有显著提升。载流子是可以自由移动的带电物质粒子。“载流子可以从器件中间到达器件两侧的正负电极，载流子扩散距离增大，器件可以做得很厚。另外，钙钛矿中含有铅和碘，对X射线有很强的吸收能力，钙钛矿可以作为X射线探测器。”邵昱川说，利用可控掺杂提高X射线探测器灵敏度，可以降低探测极限，实现彩色CT。“如果X射线探测器能用上国产材料，仪器成本会大大降低。”
乒乓球运动员变身物理天才
邵宇川被公认为上海光机所最优秀的乒乓球选手，因为他曾经是一名职业乒乓球运动员。他9岁开始练习乒乓球，初中时进入安徽省队。虽然不到两年就选择退役，但这段乒乓球训练生涯也是他痴迷研究物理世界的开始。
“发乒乓球的时候，运动员会用手捂住球，不让对手通过发球手势判断是上旋球还是下旋球。但通过观察球在空中的轨迹，也可以判断出来。球的旋转方向不同，在空中的飞行轨迹也不同。如果你每天都打乒乓球，就会感觉到下旋球飞得比较轻，而上旋球会往下坠。”邵宇川回忆起小时候打乒乓球的经历说。
从安徽省队退役回到学校后，邵宇川惊奇地发现，只需要一个简单的伯努利方程，就能解释自己观察多年的乒乓球旋转现象。“伯努利方程的本质是流体的机械能守恒，流量越大，压强越小。乒乓球在向前飞行时会旋转，球的上下部气流速度不同，上旋球有向下的力，所以飞行时轨迹是向下的。”这一发现之后，邵宇川对物理产生了浓厚的兴趣，自学投入了更多时间。虽然之前因为训练耽误了学业，但回到学校后，他很快赶上了课程节奏。高中时他开始参加物理竞赛，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。
大学毕业后，邵昱川进入上海光学精密机械研究所从事激光薄膜研究，2012年赴美国内布拉斯加大学林肯分校攻读光电半导体博士学位，四年后又在美国耶鲁大学继续从事光电半导体博士后研究。
“与其想这个想那个，不如直接去做”
初到美国，邵昱川并不确定自己是否适合走科研这条路，与“科研大咖”相比，他觉得自己还有很长的路要走。不过，他的博士生导师、北卡罗来纳大学教堂山分校教授黄金松全身心投入科研，治愈了邵昱川的精神疲惫，还成为了他的科研引路人。“与其想这想那，不如直接去做，你会在做的过程中找到乐趣。”
2015年，为了表征载流子的迁移率，邵昱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翻转的现象。“一个电池做出来之后，它的正负极会翻转，这是一个很不可思议的现象。”邵昱川很惊讶，以为自己做错了器件，但科研中的一些不合理现象，或许是一个转折点。基于电池正负极翻转的实验现象，邵昱川和师兄提出了很多猜想，然后通过实验一一排除。大约一年后，他们发现电池正负极翻转是因为钙钛矿电池两边离子掺杂不同造成的。他和师兄随即发表论文，首次发现钙钛矿中的离子运动。 “大家都认为钙钛矿的不稳定性是由于水、氧气、高温等外界影响造成的，但新的研究表明，要实现钙钛矿的稳定性，必须抑制内部离子的运动。”
敢于质疑，探索实验中的异常现象。一旦开辟研究领域，邵昱川的研究便一发不可收拾，发表了一系列科研成果。完成博士后研究后，他以高级工程师身份加入美国苹果公司，开发了光电信号转换的Face ID（人脸识别方法）。项目结束后，邵昱川2019年回到母校上海光学精密机械研究所，为国家需求开展科研工作。2020年底，他接任上海光学精密机械研究所光学薄膜实验室主任。
研究人员需要服务国家的需求
在兴趣的驱动下，邵玉川在研究领域取得了不少成果，但接任光学薄膜实验室主任后，他毅然承担起激光薄膜前沿研究的攻关重担，把更多的精力转向服务国家。
上海光学精密机械研究所光学薄膜实验室是我国历史最悠久、技术最先进的光学元件实验室之一，建所至今已有50多年历史，开创了我国激光薄膜产业的先河。几代“薄膜”人突破了一系列“瓶颈”难题，持续开展着我国惯性约束聚变领域光学材料、光学加工和检测技术等相关研究工作。
近年来，光学薄膜实验室在高性能激光薄膜元件制备技术上取得重大突破，为我国神冠系列高功率激光器、超强超短激光器等系统提供了大量高性能核心激光薄膜元件，并为多个空间激光模型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服务国家需求，我们要延续传统，除了保护好激光薄膜，还要拓展研究方向。”邵玉川说，“‘十四五’期间，实验室将重点拓展激光薄膜的调制波长范围，包括短波长薄膜、中红外激光薄膜等。”
“老一辈科学家树立了很好的榜样，现在国家有需要，年轻的科学家也要站出来。”现年35岁的邵昱川是光学薄膜实验室第五任主任，白天他在薄膜光学实验室忙碌英语作文，拓展激光薄膜研究，晚上则管理着自己的小科研小组，攻克钙钛矿缺陷调控难题，他的头发早已花白。
他在科研上兼顾国家需求和个人兴趣。“科学的每一个细分领域都有自己的美，只有深入研究，才能发现更多有趣的东西。”邵昱川认为，国家对科研的支持力度越来越大，要根据国家需求，找到感兴趣的研究方向，全身心投入其中。同时，要主动寻找切实可行的科研方向。有时候我们在实验室想出的研究方向，与实际的痛点并不一致，只有与需求方进行思想碰撞后，才能知道实际应用的痛点，调整研究方向，真正满足国家需求。