周航在青教赛现场的课上风采
周航，中山大学物理学学士，剑桥大学电子工程系博士（导师：英国皇家工程院院士Prof.Gehan Amaratunga），伦敦纳米技术中心博士后研究员（导师：Prof.Arokia Nathan）。获得“北京大学第二十二届青年教师教学基本功大赛：理工科类二等奖。目前开展的研究课题包括p型金属氧化物导电薄膜，柔性有机太阳能光伏器件，钙钛矿太阳能电池及光电探测器等。
信息工程学院青年教师周航研究的主要领域是半导体薄膜光伏材料及器件。简单地说，就是研究如何更高效更稳定地实现从光到电的能量转换。在光照下，半导体材料会吸收能量高于其能带的光子，促使内部电子发生跃迁，从而在内部电场的驱动下形成电流，最终向外部电路源源不断地输送电能，即光生电。
周航的人生也好似这样一个光电转换的过程。坐标转换、研究方向转换、角色转换——在多个转换维度之间，他润泽于北大大师级学者前辈的光亮，不断开拓、颠覆、创新，在南国燕园种桃、种李、种着春风。
从光到电：转换效率，从一堂课开始
多媒体荧屏上，几条模拟曲线在有规律地动态变化着。这是开路电压、短路电流、填充因子等太阳能光伏电池参数在周航老师的调控下随串并联电阻变化而变化的实时呈现。电阻的产生与参数的变化如何影响太阳能光伏电池的光电转换效率，这是一个不易理解的重难点。“以前单看教材上死板的示意图总是很难明白光电转换相关的抽象理论。今天通过周老师课堂上动态模拟的曲线，我能直观地感受到光电转换过程中决定电池转换效率高低的原因了。”同学们在课后说道。
太阳能半导体光伏器件制备与测试，是一节门槛比较高的选修实验课，主要面向有物理学和光电学基础的研究生。其中，光伏器件的光电转换效率相关理论，因为太阳能光伏电池参数及其变化过于抽象，容易成为学生的学习障碍。为此，周航老师特地选取已实现大规模商业化应用的主流晶硅太阳能光伏电池片开展教学，贴近现实、深入浅出，借助实物实验的感官呈现，辅以动图视频等多媒体手段，把抽象理论具象化，帮助学生能够更透彻地理解光电转换过程。
实现光电转换最核心的部分是光伏电池片，其技术路线和工艺水平直接影响光伏组件的发电效率和稳定性——这两个关键因素最终决定了太阳能光伏电池“能否实现产业化”这一终极命题。众所周知，光伏产业是全球能源经济转型和战略性新兴产业发展的重要方向。大力发展光伏产业，对于实现国家“双碳”战略具有重要意义，是中华民族伟大复兴的重要一环。同学们用心听讲每一个知识板块，从晶硅太阳能电池的物理性质、工作原理、实验方法、制备工艺、到学术前沿动态。大家明白，一片小小的光伏电池承载了强国复兴的希望。这堂短短二十分钟的“太阳能半导体光伏器件制备与测试/单多晶硅太阳能电池”课程，分量不轻。
周航老师的课程既有科研理论的深度挖掘，也有产学前沿的广度拓展，既有值得科学工作者在未来进一步探索的最新学术动态，也有国内外光伏和新能源领域的产业竞争及其发展态势。这些内容点燃了同学们为科研工作献身的热情和为中国光伏强国事业奋斗的理想。
周航老师的课堂PPT
从英国到中国：转换的地理坐标，全新的人生航向
时间拨回至2012年，彼时，我国光伏行业正在经历欧美“双反”政策下备受煎熬的寒冬。全球光伏产业陷入困顿万马齐喑，中国企业在全球光伏市场的地位又不断受到排挤。那是内外交困的一年。
远在英国的周航，或在剑桥光电子研究中心的无尘工艺间里忙着非晶硅太阳能电池实验，或和同学们在剑桥郡的酒吧里喝着啤酒畅谈科技动态，在干杯的瞬间捕捉思维灵感、交流学术思想。光伏前沿领域不断刷新着太阳能电池转换效率的世界纪录，在同学们都对屡破新高的效率数值津津乐道时，周航似乎对另一个数字更感兴趣：有多少中国科学家和华裔科学家从中做出了贡献。
华人光伏科学家赵建华、王艾华夫妇曾深耕光伏领域多年，共同发明了PERC太阳能电池技术，创造了雄踞近30年的太阳能电池效率世界纪录。尽管有一段时间其太阳能电池效率已经接近了马丁·格林的理论极限，但夫妇二人依然进行着改进尝试，“照着极限，优化全部”，哪怕电池效率提升幅度只有0.1%。“无论如何更新迭代，我们始终无法突破晶硅材料的理论极限效率值29.4%，这是唯物主义的科学工作者必须要接受的客观事实。但是，推动实际转换效率从不足5%逐渐逼近20%之多的——是科学家的主观能动性。物质材料的潜能是有限的，人类不断追求创新的力量是无穷的。”周航这样勉励自己，中国科学家和华裔科学家的奋斗精神成为了激励周航的一股重要力量。
早在赴全球顶尖学府深造之前，本科就读于物理学专业的周航就已经在国内光伏行业骨干沈辉教授的引领下深度接触晶硅太阳能电池领域，曾见证光伏产业在中国的辉煌崛起。在这个短短一年国内就有超350家光伏企业宣布破产的至暗时刻，远在大洋彼岸的周航没有置身事外，更坚定了要自主研发攻克新型太阳能电池核心技术的信念，“只有不断创新才能立于不败之地，争取把中国未来光伏产业的主动权牢牢掌握在中国人自己手中”。
一个国家、两种制度、三个关税区、三种货币——粤港澳大湾区是我国开放程度最高、发展活力最强、创新动力最足的区域之一，具有日益突出的国际化竞争优势。在剑桥，周航的老师们多次提到，“粤港澳大湾区越来越像美国旧金山湾区，深圳氛围越来越像美国的硅谷”。“有效市场”“有为政府”双轨并行，“大众创业”“万众创新”氛围浓厚，深圳得天独厚的政策支撑和历史环境，滋养了电子信息、新能源汽车、人工智能、数字经济等高新技术产业，催生了华为、中兴、腾讯、海思、方正微电子、华星光电、龙腾光电、创维等多家知名企业。
恰好在这一年，周航收到了时任北京大学深圳研究生院院长海闻和信息工程学院张盛东教授的邀请。海闻老师曾大胆提出，“咱们力争办一个中国的“加州伯克利分校”！”或许在当年的环境下，普通人很难理解这句话的意义。但是对于毕生追求创新挑战的人而言，吸引力不言而喻。张盛东教授在邀请周航回深圳时对他说，本部偏向于基础性的科学研究和人才培养，而深圳研究生院信息工程学院依托这里发达的信息技术产业，面向产业应用需求开展科学研究，更加偏向于工程技术的研发和人才培养。他将此差异概括为：北京“顶天”，深圳“立地”。由此，周航也坚信，在这里创办北京大学的全新校区、探索高等教育发展的新路，深研院必定会走出一条和本部形成差异化优势的路径。
“学术的关键在创新，作为喜欢搞原创的人，我非常期待未来能够在北大深研院助力开创一个区别于内地办高校的全新教育模式。”和许多在南燕发展阶段毅然选择加盟的青年才俊一样，周航看到了北大百年学术传统和深圳改革创新文化碰撞之后的广阔想象空间。受到北大南燕学者大师的感召，周航毅然阔别英国，回到中国，以深圳为坐标，人生就此开启了全新的航向。
周航在英国留学
从晶硅到钙钛矿：转换以寻求一种全新的颠覆
现有的单多晶硅主流技术已经发展到了极致，效率难以继续提升，光伏产业很快会进入一个技术瓶颈期。时代呼唤新材料和新工艺，突破口在哪里呢？全世界都在等一个答案。
紧跟学术动态前沿的周航大胆锁定了“钙钛矿”这个明星材料。钙钛矿，是一种金属卤化物，具备优良的光电性质。利用钙钛矿型有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池，即钙钛矿型太阳能电池，因其惊艳的转换效率和低廉的制备成本，被誉为光伏领域从0到1的颠覆性技术。
但是，近期针对钙钛矿投资热也开始出现理性的声音：“对待所谓的颠覆性技术，不应一哄而上，而更需要理性权衡。”毕竟，目前的主流晶硅电池技术体系——从PERC到TOPCon、异质结、IBC——仍在不断更新迭代。阻碍钙钛矿太阳能电池实现产业化-规模化-商业化的三大难题——稳定性差、含污染环境的有毒物质、大面积制备时效率严重受损——却尚未有实质性进展。甚至，当初引导周航从物理学专业走上太阳能电池行业的启蒙恩师沈辉教授也曾在接受媒体采访时这样公开说道：“晶体硅电池的主流位置很难被替代。多种材料技术、多类新型的电池结构，不能简单说哪一种好，哪一个不好，最终还是需要市场的检验。”
科技发展的方向和速度通常难以准确预测，对此，光伏市场不无隐忧。是推动既有技术纵深优化，还是转向押注全新技术，这个抉择伴随着巨大的竞争和激烈的矛盾，一着不慎满盘皆输的先例比比皆是。异质结的降本速度是否会更快一步，TOPCon的生产流程和良率问题能否率先实现优化，钙钛矿这个未来风口会来得更早还是更晚——市场在观望。恰恰正是如此，时下是研发钙钛矿技术的最好时机。值得重视的是，钙钛矿技术已是国际上比较公认的未来光伏技术路线，其带来的颠覆性技术创新机遇是实实在在的，值得持续投入研发直至该技术实现量产。
得益于深圳“敢闯敢试、敢为人先”的城市文化，各种技术路线的自由竞争都被宽容对待，特别是原创性科技研发往往受到更多支持和偏爱。在这种氛围下，权威前辈的忠告，市场的波谲云诡，多年专研晶硅材料的舒适圈，都不足以阻挡周航转换方向以寻求创新颠覆的步伐。
依托北大深研院人才创新高地的一群青年精英，周航团队直接把研究目标瞄向钙钛矿太阳能电池“稳定性差”的痛点以发起挑战。现有技术常用的P型添加剂Li-TFSI容易发生潮解、团聚、Li+迁移，是导致钙钛矿太阳能电池不稳定的主要原因之一。鉴于此，周航与他的学生娄强提出用氟化石墨烯替换Li-TFSI作为有机空穴传输层材料Spiro-OMeTAD的多功能P型添加剂。经检验，所制备的器件一方面具有良好的稳定性，另一方面把光电转换效率成功提高至23.14%且开路电压高达1.226 V，这在当年曾一度是该材料体系报道的最高开路电压值。周航课题组在钙钛矿太阳能电池领域的这一重要进展刊载于能源材料领域顶级期刊《Advanced Energy Materials》（IF=29.698）。
同时，周航没有局限于钙钛矿太阳能电池领域的成就，而是以钙钛矿这一前沿材料为基，在自己原有的“半导体薄膜光伏材料及器件”科研版图内，筚路蓝缕、开荒拓土，朝“光伏能源”、“光电探测”、“柔性电子”等多个方向扩张，既倾力发明钙钛矿薄膜光电晶体管制备方法的知识产权专利，又深入研发适用于医疗检测和工业检查的光电探测器。在被誉为“微电子器件领域的奥林匹克盛会”——IEDM顶会上，周航所在课题组受邀赴美国旧金山发表研究成果。他们通过钙钛矿二极管成功实现X射线间歇探测及成像应用，不仅突破了高达3×103 μC mGy-1 cm-3的灵敏度，也为开发新型低剂量柔性X-Ray图像传感器创造了新的技术路径。
题为“Enhanced Efficiency and Stability of n-i-p Perovskite Solar Cells by Incorporation of Fluorinated Graphene in the Spiro-OMeTAD Hole Transport Layer”的研究论文插图
从科研到教学：是角色转换，更是师徒传承
“做任何研究首先都需要一个基础。我们课题组在钙钛矿光伏器件以及光电晶体管方向上的研究能够取得成果，离不开学院A栋的微纳电子加工平台。”周航反复提及的平台是一个无尘工艺间，由张盛东教授初来北大深研院时主持建立。这里做出来的晶体管具有暗电流低、功耗低、噪声低等诸多优势，可以做高度灵敏的光电探测。目前，这里孵化着整个信工学院师生在先进光电显示、柔性电子及传感器等方向上的诸多课题项目，周航的课题是其中之一。
“传统的氧化物薄膜晶体管无法吸收可见光”，周航敏锐地发现了问题所在，“如果把最前沿的钙钛矿和现存的晶体管叠加在一起，会不会是一个灵敏的传感器呢？”这在当时的2014年没有任何人做过。敢为人先的首创意识促使周航迅速成立了国内第一个把氧氧化物薄膜晶体管与钙钛矿联合在一起使用的课题组。从第一位主动请缨开创实验的2014级研究生杜嵩楠，到紧随大师兄之后继续改良实验的师弟师妹，大家面对空白的未来和未知的境地，甚至顶着可能影响毕业的压力，大胆试错、百折不挠，一遍遍优化，一次次迭代，推动光电晶体管越来越接近预期效果，产出一系列具有影响力的学术论文和专利。最终，历经足足三届学生的传承和接力，光电晶体管探测器才成为课题组的特色优势方向。
王琰曾是周航老师课题组内第一个尝试把二维材料和钙钛矿相结合的学生。当初谁都不会想到这么一位履历平平、容易害羞的女生居然完成了前所未有的突破。得益于课题组鼓励创新、开放包容的氛围，只要奋发敢为，每一位学生都有平等发展的机会。王琰没有辜负机会，而是飞速成长，发表的论文成果被评为“2015年半导体科技亮点之一”，本人也荣获北京大学“五四奖学金”。经过周航老师的积极鼓励和引荐，王琰拿到了深圳大运留学基金会的名额，远赴美国交换学习，师从教授Manish Chhowalla，逐渐明晰了投身科研事业的志向。机缘巧合之下，王琰的博士求学轨迹竟与周航老师在英国剑桥大学实现了穿越时间的重合，并做到了青出于蓝而胜于蓝。从零到一参与创办实验室，组建研究团队，以一作身份发表2篇Nature......从小小的一方实验室出发，横跨太平洋和大西洋——那个腼腆内向的小女生如今已成长为独当一面的科学家。
“整个实验室就像一个大家庭，周老师犹如兄长。有的研究方向我们未必一开始就适合做，但在宽容和自由的氛围下，周老师总是指导我们在研究的分岔路口寻着自己的优势去发展，找到自信，最终实现自我价值。”学生们这样说。不仅是访美赴欧活跃在科学界金字塔尖的学术新星，从周老师实验室走出去的青年才俊遍布于全球多个领域，以自己的方式发着光热：有卓越工程师扎根祖国高新科技企业攻坚克难，深潜半导体新能源市场掀起风云变幻，有致力于科研成果产业化市场化的创业实干家孜孜不倦创造巨大社会效益，有活跃在世界知名电子电器新能源外企的中国区负责人架起互通有无、合作共赢的全球化合作桥梁......
在周航看来，能和如此优秀的北大青年学子们一起合力解决问题，是教学相长，更是彼此成就，这种生活状态弥足珍贵。“我希望自己不止于做好高质量科研工作，而是也能兼顾好高水平教学工作。要朝着大师型学者的定位努力，争取做到像张教授那样，搭建共享平台、凝聚培育人才，不辜负深圳作为信息技术产业国际前沿的区位优势，无愧于北京大学爱国进步的优良传统，携手有识之士为解决我国“卡脖子”技术难题继续奋斗。”
周航和学生一同游玩
周航和毕业学生合影
开放创新深圳，兼容并包北大，强劲脉动，共同机遇。在深圳研究生院这座北京大学“新工科”建设的南方基地，一座新兴交叉学科大楼正以“问题导向，南北联动，AI牵引，创新融合”的学科发展需求为规划建设核心拔地而起。未来，学院科研实验室和必备公共空间将进一步扩大升级，周航老师所在的信息工程学院将同集成电路、人工智能、新能源等优势学科一起，依托配套资金和技术平台，在此融合发展、布局未来，勇攀科技发展的下一个制高点。
文字：袁梦恬
指导老师：王琳
