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柔性領域的“硬核”攻關——西工大取得柔性光伏材料制備關鍵技術突破
來源：陜西日報 本報記者 張梅文/圖 2022-07-28
導讀：西北工業大學柔性電子研究院黃維院士團隊宋霖教授課題組解決了傳統方法制備柔性太陽能光伏材料的關鍵難題，使新型薄膜太陽能電池向量產又邁進一步。什么是柔性電子技術，有何應用前景？新型薄膜太陽能電池是如何制備的？在這一新興交叉學科，如何做科研？……7月16日，在西北工業大學柔性電子前沿科學中心，陜西日報記者采訪了宋霖及課題組成員。
●柔性電子技術是將有機、無機或者有機無機復合材料沉積在柔性基底上，形成以電路為代表的電子元器件及集成系統的新興交叉科學技術●柔性電子具有輕、柔、薄、透等特性，可以和其他東西共形，極大擴展了電子器件的適用范圍●柔性電子技術應用廣泛，可與多學科深入交叉融合，進而引領信息科技、健康醫療、航空航天、先進材料等領域的創新變革●應用柔性電子技術可在室溫條件下制備出鈣鈦礦太陽能薄膜電池，產品更便宜、更輕薄、更環保、穩定性更高，太陽能轉化效率可以達到24.1%如果建筑外墻、無人機，甚至服裝、鞋帽，能用上柔軟輕薄的太陽能光伏材料，萬物互聯與交互的障礙或將消除，真正的智能生活將開啟。柔性電子技術不斷發展使之成為可能。西北工業大學柔性電子研究院黃維院士團隊宋霖教授課題組解決了傳統方法制備柔性太陽能光伏材料的關鍵難題，使新型薄膜太陽能電池向量產又邁進一步。什么是柔性電子技術，有何應用前景？新型薄膜太陽能電池是如何制備的？在這一新興交叉學科，如何做科研？……7月16日，在西北工業大學柔性電子前沿科學中心，記者采訪了宋霖及課題組成員。中國科學院院士、西北工業大學柔性電子前沿科學中心首席科學家黃維這樣為其定義：柔性電子技術以柔性材料為基礎、柔性電子器件為平臺、光電技術應用為核心，是一類在物理學、化學、材料科學與工程、力學、光學工程、生物學、生物醫學工程、基礎醫學等學科高度交叉融合基礎上形成的顛覆性科學技術。通俗地講，柔性電子技術就是將有機、無機或者有機無機復合材料沉積在柔性基底上，形成以電路為代表的電子元器件及集成系統的一門新興交叉技術。“柔性電子具有輕、柔、薄、透等特性，這些特性使得它可以和其他東西共形，極大擴展了電子器件的適用范圍。因此，柔性電子技術應用廣泛，可與人工智能、材料科學、物聯網、空間科學、健康科學、能源科學和數據科學等學科深入交叉融合，進而引領信息科技、健康醫療、航空航天、先進材料等學科的創新變革，是真正的‘硬核’技術?！彼瘟亟榻B。例如，在航空航天領域，通過材料的變革，為航天器或飛行器減重一直是科研人員努力的一個方向。“對于火箭、航天飛船等航天器來說，主體常常使用高密度材料以保證自身堅固，結構重量無法減輕。想要減輕其重量，科研人員只能從飛船內的儀器設備入手。目前世界各國主要載人飛船的重量都在20噸左右，除去防火外衣和結構重量，各類電子設備依然達數噸重。如果將儀表盤、操縱桿、按鈕等替換為柔性電子器件，就能夠大幅減輕設備重量。”宋霖說。世界各國都在積極布局這項具有顛覆性的前沿技術。我國在這一領域產生了大量原創性成果，一定程度上引領該領域的發展方向。黃維是國際上最早一批從事柔性電子技術研究并長期活躍在該領域前沿的世界頂尖學者。20世紀90年代初，他開始致力于物理、化學、材料等多個學科交叉融合發展起來的國內的柔性電子學研究。2017年，在黃維的牽頭下，西北工業大學柔性電子研究院成立。2020年，在研究院的基礎上，西北工業大學柔性電子前沿科學中心成立。短短幾年，該研究院圍繞柔性顯示、柔性儲能、柔性傳感等領域的基礎科學和關鍵技術問題，取得一系列重大突破。“一方面，我們堅持做‘頂天’的理論研究，希望在這一新興學科取得更多原創性的理論突破，支撐學科不斷發展；另一方面，我們堅持‘立地’面向市場需求，做‘有用’的科研，推動科研成果不斷落地轉化?！彼瘟卣f。在西北工業大學柔性電子器件制備實驗室，記者目睹了一種柔性太陽能光伏材料的誕生：研究人員用滴管滴了幾滴溶液在一臺儀器的器皿中，兩三分鐘后，一張大約一平方厘米的鈣鈦礦薄膜就生成了。在室溫環境下，制備出鈣鈦礦太陽能薄膜電池是宋霖所在的西北工業大學柔性電子研究院塑料電子研究所取得的一項突破性成果?！八芰想娮邮侨嵝噪娮拥暮诵慕M成部分。我們從具有本征柔性的塑料電子材料及器件出發，研究塑料電子材料的光電性質、薄膜凝聚態行為、載流子的動力學和界面的動態力學等關鍵科學問題，開發溶液和薄膜加工技術及器件制備工藝，發展柔性塑料電子器件與系統。”宋霖介紹。對柔性鈣鈦礦光伏器件的研究，是該研究所面向國家發展和社會需求，推動柔性電子技術“落地”的一個方向。鉛鹵鈣鈦礦是10多年前發現的一種新材料，可用于太陽能發電。相比傳統太陽能電池板中使用的硅晶體，鈣鈦礦光伏材料不僅更便宜、更輕薄、可變形，同時更環保。但是，這種材料由于結構不穩定，很難實現在空氣中合成，極大地限制了其大規模應用。“我們團隊合成了一種新型離子液體溶劑，可以替代傳統有機溶劑，實現了在室溫條件下‘印刷’出穩定的鈣鈦礦太陽能薄膜電池?！痹撜n題組成員冉晨鑫副教授進一步介紹，“用這種方法制備的鈣鈦礦太陽能薄膜電池，厚度僅有300納米，是頭發絲的二百分之一，不僅穩定性高、制備簡單，還提高了光電轉化率，太陽能轉化效率可以達到24.1%，比傳統方法提高了兩個百分點。”2021年3月27日，該成果論文刊發在國際頂級期刊《科學》上，被認為是解決了鈣鈦礦光伏材料制備的“痛點”，為太陽能電池的生產提供了更多可能。“關鍵制備問題的解決，為鈣鈦礦光伏材料的大規模應用創造了條件。功能導向、擇優設計、綠色無毒、穩定高效的離子液體鈣鈦礦光伏技術將有力推動光伏技術快速發展?？梢灶A見，鈣鈦礦光伏技術將會被應用在柔性可穿戴裝備、智能窗、無人機系統、航天器等重要領域。”宋霖介紹，目前團隊正在同西北工業大學相關團隊合作，推動鈣鈦礦光伏技術在無人機等領域的應用。在取得柔性光伏材料重大突破的基礎上，塑料電子研究所面向新一代信息顯示、生化傳感、健康醫療、軍事科學、空間技術、能源和環境的可持續發展，聚焦柔性照明與顯示、柔性能源催化等領域的關鍵科學問題和核心技術，開展塑料電子材料與光電器件、高分子能源轉化與存儲、塑料電子器件機制與集成系統的研究，最大限度地探索塑料電子在柔性領域的更多可能性。柔性電子學是在多學科高度交叉融合基礎上產生的一門新興學科。這不僅意味著研究領域的交叉融合，也意味著更多的未知和挑戰。“新興學科的科研和人才培養，需要打破傳統，鼓勵自由探索。”宋霖介紹。2018年，32歲的他在德國完成博士后的科研課題后，加入了西北工業大學柔性電子研究院。宋霖是物理專業出身，來到研究院后，他深刻體會到了不同學科背景下的思想碰撞，對激發創新的重要性?！叭嵝噪娮邮羌瘜W、物理、材料、生命、電子、計算機等多學科高度交叉融合的研究方向，研究院教師學科背景多樣，大家在討論中，開拓了思路，激發了創新的活力?！彼f。從做科研到帶團隊，宋霖身體力行，鼓勵學生自由探索——每天不管多忙，都會到實驗室詢問學生的實驗情況，幫助學生解決問題；每周一次雷打不動進行學術分享，大家各抒己見、思想碰撞?！岸嘣噹状?！”“不著急、慢慢來！”……這些都是團隊成員最常聽到的鼓勵。在宋霖團隊，“心情不好”“身體不舒服”都是可以不做實驗的正當理由。但是，“好奇心”“求知欲”卻讓團隊成員廢寢忘食地待在實驗室，靜靜等待著一次又一次實驗結果?！皫缀?5%的實驗都是失敗的，我們的研究就是在不斷試錯中積累經驗，然后向成功邁出一小步。”宋霖說。博士研究生惠煒就是一個整天“泡”在實驗室的人。他幾乎每天從8時到22時都在實驗室。“當第一次看到一片小小的薄膜通上電發出炫目光芒，我就被它深深吸引了?！闷嫘摹屖刮胰パ芯克l現它的更多秘密，也希望我的努力，能讓它為我們這個世界做點什么?！闭f起選擇柔性電子作為研究方向的初衷，惠煒回憶。說到成功的“秘訣”，惠煒坦言：“這是無數次失敗后的必然結果。幾十種材料的性能、作用各不相同，除了一點點試，沒有什么捷徑可以走。正是通過實驗，我們才能發現問題，積累經驗，從而更好地了解它們。所有的科研成果都是這樣一點點、一步步積累起來的。”在博士研究生呂紹沈看來，做科研就是一個不斷發現問題從而解決問題、“打怪獸升級”的過程。而發現問題和解決問題的過程，對從事科研工作的人來說，也是自由探索和不斷成長的過程?！安牧蠌膭傂缘饺嵝?，有很多科學問題等待我們去發現和解決。面對無數未知的問題，是整個團隊支撐著我們每一個人獨立思考，不斷探索，勇敢向前走！”呂紹沈說。“在新一輪科技革命和產業變革中，柔性電子技術將為我國自主創新帶來重要戰略機遇。我們將在這一領域不斷攀登，尋求重大理論突破，努力產出更多引領性原創成果，為我國科技自立自強貢獻力量！”宋霖表示。
參考資料：https://esb.sxdaily.com.cn/pc/content/202207/18/content_787898.html
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