氫能是現階段已知最綠色清潔的能源，未來用氫能源替代化石燃料，已成為近年來全球各國的共識。
發展氫能不僅可緩解能源與環境之間的矛盾，為國家能源安全提供保障，還有望開啟下一個萬億級市場。
復旦大學微電子學院季力教授的主要研究方向是微電子領域與新能源領域的交叉融合，並拓展兩個領域的相關套用，包括新型微電器件、光伏及光電化學催化制氫、熔鹽電化學等。
憑借 將微電子器件與光水解制綠氫的學科交叉融合，開發出低成本、低碳排的新型晶矽光伏技術及制綠氫技術，為全球能源短缺和氣候危機提供新的解決方案， 季力成為 2023 年度【麻省理工科技評論】「35 歲以下科技創新 35 人」中國入選者之一。
季力生長於物理學氛圍濃厚的家庭，多位家庭成員畢業於北京大學和浙江大學物理系，耳濡目染下很早就對半導體物理與器件方面具有濃厚的興趣，並在實驗室觀摩學習。
他本科畢業於廈門大學物理學微電子專業，隨後在美國德薩斯大學柯士甸分校電子與電腦工程系獲得博士學位，師從「現代電化學之父」艾倫·J·巴德（Allen J.Bard）教授、愛德華·T·余（Edward T.Yu）教授和傑克·C·李（Jack C.Lee）教授。
三位不同領域導師聯合培養的經歷，不僅極大地擴充套件了他的研究領域，更讓其從更高層面建立多學科視野的交叉融合思想。
在德薩斯大學柯士甸分校擔任高級研究員和研究助理教授後，季力於 2019 年加入復旦大學，透過深入探索微電子與新能源領域在器件結構與機理方面的共性與不同，旨在開發低成本的制造太陽能階晶矽技術，並套用於低成本制造綠氫。
當下，具有超低功耗/全新器件原理/全新計算架構的新型芯片技術是資訊領域的亟需。目前，他已帶領團隊完成了客製化超高真空級聯系統的自主設計及前期研制工作，將深入研究多領域交叉的若幹前沿基礎共性問題。
將光陰極效率的世界記錄提高 2 倍
矽是理想的可見光波段吸光材料（禁頻寬度 1.12eV）, 基於矽的太陽能電池一直是光伏領域的主流技術，將矽套用於光催化水裂解是理想的解決方案之一。
然而，矽在溶液中並不穩定，它會持續受到溶液腐蝕。因此，開發能夠同時保證高轉化效率的和長期穩定性的矽表面保護技術，是該領域長期以來的核心。
經過數十年的發展，金屬-氧化物-半導體（MOS，Metal-Oxide-Semiconductor）結構成為矽基光電極的設計標準。但由於量子效應的制約，該結構器件存在效率和穩定性不可兼得的兩難問題。
其中所涉及的基於 MOS 結構的矽基光催化電極，是微電子器件和氫能源催化領域所面臨的共性問題。
圖丨季力在中國科技青年論壇（來源：DeepTech）
季力沿用微電子器件設計中外延生長的概念和異質結能階偏差調控的思路，在 P 型矽襯底上外延生長出鈦酸鍶（SrTiO3）薄膜 [1]。
得益於鈦酸鍶和矽的零導帶能階偏差，即便使用較厚的鈦酸鍶薄膜來保護襯底，光生電子在遷移至表面金屬催化劑過程中，也不會受到能量勢壘的影響。
外延生長的薄膜最大程度減少了界面缺陷密度和載流子復合中心，極大地提高了內量子效率。
季力表示：「該研究解決了之前設計中的效率和穩定性不可兼得的問題，同時，我們還將光陰極偏壓轉化效率的世界記錄提高了兩倍，達到 4.9%。」
然而，矽的禁頻寬度小於驅動水裂解反應發生所需的等效熱力學能隙（~1.8eV）, 全反應由 P 型矽光陰極和 N 型矽光陽極兩部份組成。
由於難以找到合適的材料使其和矽的價帶異質結能階偏差接近於零，因此需要找到新方法來解決矽陽極的問題。
季力再次發揮學科交叉的優勢，創造性地將阻變記憶體的工作原理引入到 MOS 光電極，使金屬氧化物的局域導電率能夠透過外界刺激進行調控。
他提出並實作了一種普適設計方法，同時適用於多種半導體光吸收材料，以及 MOS 光陰極、光陽極 [2]。
由該方法制備的光陽極和光陰極，具備極高的穩定性和較理想的效率。該研究將半導體器件的調控方法引入光催化電極設計中，為該領域提供了全新的研究思路。
（來源：Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Communications）
雖然上述兩種方法成功解決了效率和穩定性不可兼得的難題，但兩種方法各有弊端。
具體來說，生長單晶外延鈦酸鍶薄膜需要先進的高真空生長器材，且價格高昂，僅適用於實驗室原理性驗證，無法進行工業級生產。
而電擊穿方法不僅需要昂貴的光刻工藝，還需要對巨大數量的金屬催化接觸結構進行逐一處理，耗時且耗能。
如何將這些方法發展成為具有工業化潛力的技術，是季力的目標。他從早期微電子器件的鋁柵極工藝中，獲得了可靠性的啟發 [3]。
圖丨金屬-絕緣體-半導體光電陽極的原理圖（來源：Nature Communications）
季力解釋說道：「鋁之所以被多晶矽柵極取代，是由於在 450℃ 以上溫度下，鋁極易與矽/氧化矽系統發生固態反應，導致器件短路。」
基於該啟發，他研制出一種金屬鋁覆蓋的熱氧矽保護矽晶圓，利用單步退火反應能夠得到高密度、高導電通道的矽基光催化電極，其不僅具有低成本和自發生成的優勢，還可以同時保持高效率和高穩定性。
值得關註的是，這種方法能夠與主流的微電子工藝和矽基傳統光伏工藝完美相容，因而具有推廣到工業級試制生產的潛力。
「十年磨一劍」：首次在熔鹽電化學體系實作 99.9999% 純太陽能階純矽膜
季力對矽基光伏器件進行成本分析後發現，即便光伏產業大幅降低了矽片的生產成本，但襯底相對高昂的成本依然是大面積推廣光伏技術/光催化技術的核心挑戰。
為解決該問題，他與合作者開發了具有普適性、低成本的太陽能階晶矽制備方案。
從 2012 年開始，他們聯合麻省理工學院及上海大學團隊，歷經 10 年時間，合力攻克了一系列關鍵科學技術與工程方面的挑戰，包括：無法成膜、薄膜不連續、厚度瓶頸、高雜質濃度等 [4-6]。
首次在熔鹽電化學體系中透過單步沈積工藝，在 850℃ 即可制備出（99.9999%，6N）純太陽能階純矽膜。
並且，經第三方驗證得到 3.1% 的太陽能電池轉換效率，對於全新技術路線的太陽能電池具有極大的套用潛力。
圖丨生產晶體矽薄膜的電沈積工藝示意圖（來源：Nature Communications）
該技術能夠極大地降低未來晶體矽太陽能電池的生產成本並降低能耗，使未來光伏技術在碳中和大背景下更具競爭力，並可進一步在光催化制氫中拓展套用。
季力表示，采用該方法，在極大地降低太陽能階晶矽的制造成本的同時，還能大振幅減少晶矽襯底制備過程中的碳排放量。
不同於光伏/半導體行業對高標準供應鏈及重資金投入要求，季力所開發的方法可以透過單步熔鹽電沈積方式，直接在石墨襯底上獲得太陽能階矽，可直接用於後續光伏模組制造。
因此，相對於傳統晶矽光伏產業，該技術方法優勢在於可在交通不方便的偏遠地區、缺乏電力支持的地區進行靈活建設投產。
更廣泛地來看，基於該技術低成本、碳排放低的特性，有望幫助未受充分電力服務的地區人口獲取價格適宜、可持續、更清潔能源。
「我們完成了從 0 到 1 的過程，正在進行這項技術從實驗室到中試規模的驗證，需要解決器材、配套工藝、產品設計等一系列工程方面的挑戰。」季力表示。
在探索新型光電/光伏材料及多領域套用方面，他參照微電子制造中外延生長工藝，利用晶格匹配和離子鍵外延的設計原理，首次制備出外延生長的金屬鹵化物鈣鈦礦薄膜。
並且，獲得了非單晶薄膜中最高報道的載流子壽命，基於此制作的光電探測器獲得了同類材料器件中最高的探測靈敏度 [7]。
（來源：Nature Communications）
在前期研究基礎上，季力深入探索了高品質薄膜的生長機理並最佳化制備方法，成功獲得晶圓級全無機單晶鈣鈦礦薄膜材料 [8]。
同時，結合微電子制造工藝的經驗，利用先進微納制造工藝，設 計 並 成 功 制 造出多種核心光子器件結構。該研究有望實作低成本高效互補金氧半導體相容的片上光子器件整合。
展望未來，季力希望透過所開發的一系列新型光伏及綠氫制備技術，在全球範圍內幫助近十億人口沒有電力供應的地區（包括撒哈拉以南非洲和南亞）推動電力化的行程。
季力表示：「希望減少由於能源貧困加劇的社會經濟不平等及非可持續發展，並滿足未來光伏行業及制氫行業低成本、低碳排放量的雙重目標。」
參考資料：
1.L. Ji*, M.D. McDaniel, S. Wang, A.B. Posadas, X. Li, H. Huang, J.C. Lee, A.A. Demkov, A.J. Bard, J.G. Ekerdt, and E.T. Yu, A silicon-based photocathode for water reduction with an epitaxial SrTiO3 protection layer and a nanostructured catalyst, Nature Nanotechnology , 10,84(2015).
2.L. Ji*, H. Hsu, X. Li, K. Hu, J.C. Lee, A.J. Bard, and E.T. Yu, Localized dielectric breakdown and antireflection coating in metal-oxide-semiconductor photoelectrodes, Nature Materials ,16,127 (2017).
3.S. Lee, L. Ji*, A.C. De Palma, and E.T. Yu, Scalable, highly stable Si-based metal-insulator-semiconductor photoanodes for water oxidation fabricated using thin-film reactions and electrodeposition, Nature Communications, 12，3982(2021).
4.X. Zou, L. Ji*, J. Ge, D.R. Sadoway, E.T. Yu, and A.J. Bard, Electrodeposition of crystalline silicon films from silicon dioxide for low-cost photovoltaic applications, Nature Communications, 10,5772 (2019).
5. X. Zou, L. Ji*, X. Yang, T. Lim, E.T. Yu, and A.J. Bard, Electrochemical Formation of a Pn Junction on Thin Film Silicon Deposited in Molten Salt, Journal of the American Chemical Society, 139,16060(2017).
6.X. Yang, L. Ji*, X. Zou, T. Lim, J. Zhao, E.T. Yu, and A.J. Bard, Toward Cost-Effective Manufacturing of Silicon Solar Cells: Electrodeposition of High-Quality Si Films in a CaCl2-Based Molten Salt, Angewandte Chemie International Edition ,56,15078 (2017).
7.L. Ji*, H.Y. Hsu, J.C. Lee, A.J. Bard, and E.T. Yu, High-Performance Photodetectors Based on SolutionProcessed Epitaxial Grown Hybrid Halide Perovskites, Nano Letters , 18, 994(2018).
8.Han, Q., Wang, J., Tian, S.et al. Inorganic perovskite-based active multifunctional integrated photonic devices. Nature Communications ，15, 1536 (2024).
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