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今日啟明星

CAREERS

劉文柱

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員

作者序

認(rèn)識劉文柱，是在2023年5月的啟明星計(jì)劃頒證交流會(huì)上，休息時(shí)我和他攀談起來，知道他從事柔性硅太陽電池研究，于是想約他合適的時(shí)候采訪。他答應(yīng)了但希望采訪時(shí)間緩一緩，這次交談讓我記住了眼里有光的劉文柱。

這兩年他在《自然》（

Nature

幾十年來首篇在《自然》發(fā)表的單晶硅太陽電池論文

訪談從2023年5月25日《自然》封面文章刊登的劉文柱作為第一兼通信作者的文章引出，這也是當(dāng)時(shí)啟明星頒證交流會(huì)上劉文柱讓我等等的背景。當(dāng)時(shí)有報(bào)道說“這是幾十年來首篇在《自然》發(fā)表的單晶硅太陽電池方向的長篇研究論文。將單晶硅這種脆性材料做得可以像A4紙那樣折起來，同時(shí)工業(yè)尺寸單晶硅太陽電池效率達(dá)到24.5%，是當(dāng)時(shí)文獻(xiàn)報(bào)道的最高水平”。

晶體硅太陽電池被認(rèn)為是最為成熟的光伏技術(shù)，應(yīng)用廣泛。但類似《自然》這樣的學(xué)術(shù)期刊往往更青睞形而上的超越器物和具體應(yīng)用的學(xué)科或基底性技術(shù)的成果，如太陽電池領(lǐng)域的鈣鈦礦太陽電池這一層級的躍遷性技術(shù)的突破。因此，單晶硅太陽電池成果近幾十年來少見于《自然》雜志。

我知道如劉文柱這樣的研究者已經(jīng)把國際上相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的頂級刊物研究得很透了，是什么樣的底氣讓他們敢于沖擊《自然》，而且從投稿到“原則性”接收僅用了五個(gè)月時(shí)間。兩位審稿人的話或許能回答這個(gè)疑問：“曲率半徑很小的太陽電池的應(yīng)用場景，將成為‘游戲規(guī)則’的改變者”“無論從哪個(gè)角度該科研工作都是一流的，我認(rèn)為發(fā)表在《自然》雜志是公正的”。

《中國科學(xué)報(bào)》在采訪報(bào)道中這樣寫道：這是劉文柱從事科研工作的第十年，其研究成果第一次以封面文章形式刊登于《自然》 正刊。論文上線后的一天內(nèi)，他的微信中塞滿了800多條信息，讓他直呼：“實(shí)在沒想到這個(gè)研究引起這么高的關(guān)注度?！?/p>

“古老”產(chǎn)品搭上“柔性”快車

技術(shù)突破的背后是問世近70年的硅電池這一“古老”的產(chǎn)品搭上了“柔性”技術(shù)的快車，其價(jià)值在于使傳統(tǒng)的剛脆、易斷的單晶硅太陽電池變身為高效、輕質(zhì)、大面積、低成本的柔性單晶硅太陽電池成為可能。

這一底層技術(shù)的突破使得太陽電池的市場發(fā)展空間大幅擴(kuò)張，其應(yīng)用場景包括地面大規(guī)模光伏電站、分布式光伏、柔性電子、移動(dòng)通信、建筑、航空航天等領(lǐng)域。劉文柱對此有強(qiáng)烈的直覺和自信：面對這樣一種牽引未來關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)的底層技術(shù)突破，《自然》審稿人不會(huì)“看走眼”?！蹲匀弧肪庉嬙诤竺娴臏贤ㄖ幸髡咛峁┛捎糜诜饷娴膱D片，劉文柱其實(shí)沒有太過激動(dòng)，或許在他看來一切都是水到渠成。

這一技術(shù)源于對單晶硅片很容易碎裂的力學(xué)問題的突破。劉文柱所在的中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)針對單晶硅片很容易碎裂的力學(xué)問題，提出了一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，能使硅片的柔韌性明顯提升。最終，高效、輕質(zhì)的柔性硅太陽電池得以問世，并進(jìn)入實(shí)際量產(chǎn)線。

此項(xiàng)研究突破的價(jià)值在于：利用簡單工藝處理就可制作柔性單晶硅太陽電池，為柔性半導(dǎo)體電子技術(shù)應(yīng)用提供了新的技術(shù)路徑。

其優(yōu)勢體現(xiàn)在小曲率半徑可折疊操作即可實(shí)現(xiàn)“卷起來”：60微米厚的硅片能完成類似于 A4 紙折疊的動(dòng)作，最小彎曲半徑小于5毫米，彎曲角度逾360度。

取得“從 0 到1”科研成果突破的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還在量產(chǎn)線上成功驗(yàn)證了工藝放大生產(chǎn)的可行性。相較于傳統(tǒng)的雙玻組件，相關(guān)柔性光伏組件的質(zhì)量功率比值下降了95%以上。目前，這種大面積柔性光伏組件已在臨近空間飛行器、建筑光伏一體化和車載光伏等領(lǐng)域成功應(yīng)用，并在眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出應(yīng)用潛力，例如空間應(yīng)用、綠色建筑、便攜式電源等。此外，柔性硅電池還可代替感光材料用作機(jī)器人的眼睛，甚至在仿生領(lǐng)域也有應(yīng)用的可能。

單晶硅電池：一座有待深挖的富礦

這次訪問，劉文柱更想談的是技術(shù)突破后的這兩年在擴(kuò)大柔性單晶硅太陽電池用武之地方面的工作。他希望既能在科研上繼續(xù)有所突破，又能為科研成果產(chǎn)業(yè)化和行業(yè)技術(shù)進(jìn)步帶來真金白銀的收益。如在洶涌而至的老齡化時(shí)代，柔性單晶硅太陽電池可以發(fā)揮什么獨(dú)特作用。

由于單晶硅太陽電池有足夠的穩(wěn)定性，可以做到像一幅畫一樣卷起來，這樣就打開了它的應(yīng)用場景：如貼到老年人住房外墻，貼上去就能發(fā)電，能產(chǎn)電就將帶來多種用途。單晶硅太陽電池可以根據(jù)需求定制電壓等參數(shù)，省去中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。目前已有樣品做到十分穩(wěn)定和輕便，重量是傳統(tǒng)光伏電池的1/20，形狀可以是各種曲面。這在那些電網(wǎng)難以覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)更有價(jià)值，如在偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)場種植大棚蔬菜，這種單晶硅太陽電池就非常好用。

文柱提醒說這些目前還只是他們設(shè)想的應(yīng)用場景，下一步他和團(tuán)隊(duì)就想把這些想法一一實(shí)現(xiàn)，讓柔性單晶硅太陽電池真正造福市民日常生活。“社會(huì)要什么，我們就去探索什么，并且要密切結(jié)合真正的需求和發(fā)展趨勢，而不是沉浸在自己熟悉的領(lǐng)域?！?/p>

從追熱點(diǎn)、追風(fēng)口的角度，問世70年、曾經(jīng)的大熱門單晶硅電池現(xiàn)已少人問津。盡管熱度不再，但劉文柱認(rèn)為單晶硅電池領(lǐng)域仍是一座有待深挖的富礦。不過因?yàn)榍懊鎺资赀@個(gè)領(lǐng)域大熱時(shí)能做的、能快出成果的大多數(shù)研究有人做了，剩下的都是“難啃的骨頭”。但若能把難啃的骨頭啃下來，那么“老樹發(fā)新芽”的事情極有可能再現(xiàn)，而且?guī)淼耐黄撇粌H在學(xué)術(shù)上，也可能在技術(shù)、工程，乃至產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)上。說到這里，文柱透露他在這個(gè)方向上又有一篇沖擊頂刊的論文正在二審中。

好好沉淀，做留得下來的工作

文柱從2020年1月回國到現(xiàn)在快六年時(shí)間，圍繞單晶硅方向一共寫了三篇論文，包括一篇2022年《自然》子刊，一篇2023年《自然》正刊，以及正在審稿的文章。從數(shù)量上看，他的產(chǎn)出不高，他也不鼓勵(lì)自己的研究生發(fā)很多文章，博士畢業(yè)考核完成指標(biāo)就可以了。但他對學(xué)生的要求是：與其發(fā)一些沒有太大影響的論文，不如好好沉淀一下，做點(diǎn)可以留得下來的工作。

這也是他對自己的要求。因?yàn)樵谒磥碚嬲枰獞?yīng)對的問題不是拍腦袋想出來的，而是產(chǎn)業(yè)界的工程師正在關(guān)注的問題。如單晶硅太陽電池的易碎性作為一個(gè)典型的力學(xué)問題一直是橫亙在走向產(chǎn)業(yè)化之途中一道不易跨越的坎。類似的還有電池電能很容易衰減，產(chǎn)品良率不高等當(dāng)下工程中真實(shí)的問題，能否解決或解決的程度將直接影響經(jīng)濟(jì)效益。

“面對這些工程師提出的他們沒有能力解決的問題，我們要做的就是從這些工程問題中提煉出科學(xué)問題，組織隊(duì)伍和工程界聯(lián)手，一起去攻關(guān)解決。這才是真正的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。”

——?jiǎng)⑽闹?/p>

在劉文柱看來，一項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)要面臨眾多挑戰(zhàn)，對科研人員的韌性要求極高，因?yàn)楣こ虇栴}無所不在，時(shí)時(shí)產(chǎn)生，新問題會(huì)隨時(shí)冒出來。盡早發(fā)現(xiàn)問題并能逾越壁壘就會(huì)帶來一片新天地。

采訪到這里，其實(shí)我還是有點(diǎn)好奇或者說疑問，這個(gè)要求學(xué)生和自己“好好沉淀，做留得下來的工作”的“90后”年輕人何以能在論文發(fā)表壓力如此大的環(huán)境下還有如此定力。順著采訪進(jìn)入被訪者的成長經(jīng)歷，我希望能找到部分答案。

大面積柔性單晶硅太陽電池

柔性單晶硅太陽電池，最小彎曲半徑小于5毫米，彎曲角度逾360度

逐步萌發(fā)開辟新領(lǐng)域的志向

1990年2月出生的劉文柱是安徽鳳陽人，著名的小崗村就在劉文柱所在那個(gè)鎮(zhèn)里。文柱爸媽是典型的從事耕作的農(nóng)民，父母對學(xué)業(yè)基本沒有要求，只要他們長大后不再種地。唯一對他們提過要求的就是：踏實(shí)工作，不一定要做到最好，有進(jìn)步就行。文柱小學(xué)、初中到高中經(jīng)常是這樣的情況，一開始不怎么樣，但是到了后期會(huì)上升很快。在縣中的高三上學(xué)期，他的成績上升明顯，從班里倒數(shù)到數(shù)一數(shù)二，除了語文外其他科目都很好。高考文柱正常發(fā)揮，考進(jìn)山東大學(xué)物理專業(yè)。

但整個(gè)本科階段他都感覺比較迷茫，不知道今后朝哪個(gè)方向發(fā)展。畢業(yè)時(shí)根據(jù)他的學(xué)習(xí)成績，學(xué)校給了本校保研名額，但文柱想考出去。結(jié)果如愿考進(jìn)了上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，研究生復(fù)試是他第一次來上海。

2012年，文柱到上海微系統(tǒng)所讀研后，導(dǎo)師給了他充分的自由做研究。經(jīng)過長期積累，與更高水平的人在一起學(xué)習(xí)探討，他逐漸發(fā)現(xiàn)了很多有趣的研究課題。導(dǎo)師的要求是至少要達(dá)到畢業(yè)要求?？此品硼B(yǎng)式的管理，但其實(shí)每個(gè)研究生都是對自己有要求的，不會(huì)滿足于僅僅達(dá)到畢業(yè)的要求，導(dǎo)師也會(huì)在關(guān)鍵時(shí)候給出建議。

“研究生時(shí)開啟的這種邊學(xué)邊提升認(rèn)知的過程和方法一直影響著我，到現(xiàn)在也是如此。我也逐步萌發(fā)自己開辟一個(gè)領(lǐng)域的想法，只有這樣才有意義?！北M管讀研時(shí)就有了“自己能開辟一個(gè)領(lǐng)域”的“妄想”，但他非常清楚，目前還只是有這個(gè)想法，遠(yuǎn)沒有明晰的框架。即使那篇頂刊文章能發(fā)表，也只是某項(xiàng)技術(shù)的突破，這與自己所追求的“學(xué)科創(chuàng)新”相差好幾個(gè)檔次。

比較有意思的是，劉文柱從小學(xué)到研究生階段，都有在不同環(huán)境下學(xué)習(xí)的經(jīng)歷。小學(xué)在鄉(xiāng)村小學(xué)和鎮(zhèn)里的小學(xué)讀過，初中在家鄉(xiāng)安徽和江蘇徐州讀過，高中和大學(xué)是兩個(gè)校區(qū)，研究生也是兩個(gè)地方。相當(dāng)于環(huán)境一直在變，居住地也一直在變，不同環(huán)境對人的影響確實(shí)是存在的。過往經(jīng)歷的變化讓文柱抱定“要立足當(dāng)下，沉下心來，無論環(huán)境如何變化，要真正做一些自己可以做的事”的想法，因?yàn)樘焯毂г弓h(huán)境者最終可能一事無成，一件事干成了才會(huì)有更多的可能。

“有人在麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)，有人在中國科學(xué)院，每個(gè)人的環(huán)境條件不一樣，唯有立足當(dāng)下，才能找到希望，發(fā)掘可能。任何一個(gè)環(huán)境只要想做，總能做出一點(diǎn)事來，前提是把握好自己的方向。比如現(xiàn)在人工智能來了，能不能立足自身已有的東西，借助這個(gè)技術(shù)服務(wù)于有準(zhǔn)備的自己，這是關(guān)鍵?！?/p>

——?jiǎng)⑽闹?/p>

生活和實(shí)驗(yàn)安全第一位，成果次之

2025年7月，中國民主促進(jìn)會(huì)會(huì)員劉文柱被組織上安排到閔行區(qū)經(jīng)濟(jì)委員會(huì)掛職一年，擔(dān)任副主任一職。文柱覺得這個(gè)角色轉(zhuǎn)換會(huì)幫助自己拓寬視野，從政府和更宏觀的角度來看待企業(yè)的需求。同時(shí)，了解重點(diǎn)發(fā)展方向?qū)ξ磥砩暾堩?xiàng)目也有幫助。掛職要求每周在政府待兩天，耽誤的科研文柱得設(shè)法補(bǔ)回來。

說起時(shí)間管理，文柱現(xiàn)在明顯感到自己的時(shí)間安排是個(gè)挑戰(zhàn)。除了常規(guī)的科研任務(wù)要完成，擔(dān)任的行政職務(wù)（納米材料與器件實(shí)驗(yàn)室副主任）也需要付出時(shí)間。和所有科研院所課題組（實(shí)驗(yàn)室）負(fù)責(zé)人一樣，他最大的壓力是去爭取資源維持近30個(gè)人課題組的運(yùn)轉(zhuǎn)，每年保底需要600萬。壓力之下原本不抽煙的他如今煩悶之時(shí)也會(huì)抽幾口。

但劉文柱不會(huì)把壓力傳遞給學(xué)生。從學(xué)生過來的他非常清楚，要出點(diǎn)工作沒有一兩年時(shí)間怎么可能？“我首先要求學(xué)生開朗陽光，生活和實(shí)驗(yàn)安全第一位，至于出多少成果那是另一回事。出成果有機(jī)遇和運(yùn)氣的成分，但上面兩點(diǎn)必須保證。”

期盼每周一場球，純粹的熱愛

訪問的后程，我問起文柱的興趣愛好，想不到這一問問出個(gè)足球迷。這些年劉文柱對生活的最大盼頭是每周能踢一場球。上海微系統(tǒng)所嘉定分所有很好的足球場，每周他們會(huì)與同在嘉定的上海硅酸鹽研究所的老師和學(xué)生一起球場見，每次兩小時(shí)，三個(gè)隊(duì)輪換。每周每次兩小時(shí)，不是真正的足球愛好者難以堅(jiān)持。

文柱從高中起就喜歡踢球?！爸灰袡C(jī)會(huì)，有球場，有小伙伴，到處都踢。在沙特做博士后時(shí)我也每周都踢，那里炎熱，大汗淋漓也樂此不疲。就是喜歡，純粹愛好，人是需要有愛好的?！币?yàn)檫@個(gè)一直堅(jiān)持的愛好，讓他收獲了體力、耐力和酣暢淋漓的開心。

訪問最后，已成為我的忘年交朋友的劉文柱說了這樣一段讓我震了一下的話：如果經(jīng)濟(jì)上有能力的話，就想提前退休，讓年輕人上來。我沒有追求更多名利的興趣，只要經(jīng)濟(jì)上沒有壓力了，生活無憂，孩子也成長起來了，自己就想去釣釣魚，打打撲克。如果需要的話，我可以去上上課，講講自己做研究的經(jīng)驗(yàn)，供人參考。

2023啟明星頒證交流會(huì)留影（劉文柱為前排右一）

以上是我訪問了星友劉文柱后記錄的他與創(chuàng)新的故事及感悟。其實(shí)讓我更難忘的還不是他在國際頂刊上發(fā)表的工作，以及他和團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)的柔性單晶硅太陽電池技術(shù)給人們生活帶來的巨大變化，而是他堅(jiān)持、堅(jiān)守的“作為一個(gè)科研工作者就是要做一點(diǎn)真正能留得下來、對學(xué)科帶來顛覆性突破的工作”的這一追求和他為之的付出。謝謝你，文柱！為你祝福！

-本文刊載于《世界科學(xué)》雜志2025年第12期“今日啟明星”欄目-

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