應用新技術(shù),科研人員制備出柔性光伏電子器件。
●柔性電子技術(shù)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(tǒng)的新興交叉科學技術(shù)
●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(shù)應用廣泛,可與多學科深入交叉融合,進而引領(lǐng)信息科技、健康醫(yī)療、航空航天、先進材料等領(lǐng)域的創(chuàng)新變革
●應用柔性電子技術(shù)可在室溫條件下制備出鈣鈦礦太陽能薄膜電池,產(chǎn)品更便宜、更輕薄、更環(huán)保、穩(wěn)定性更高,太陽能轉(zhuǎn)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(lián)與交互的障礙或?qū)⑾?,真正的智能生活將開啟。
柔性電子技術(shù)不斷發(fā)展使之成為可能。西北工業(yè)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(tǒng)方法制備柔性太陽能光伏材料的關(guān)鍵難題,使新型薄膜太陽能電池向量產(chǎn)又邁進一步。
什么是柔性電子技術(shù),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(yè)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。
■ “硬核”的柔性電子
柔性電子技術(shù)被認為是一場顛覆式的電子技術(shù)革命。
中國科學院院士、西北工業(yè)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(shù)以柔性材料為基礎(chǔ)、柔性電子器件為平臺、光電技術(shù)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(yī)學工程、基礎(chǔ)醫(yī)學等學科高度交叉融合基礎(chǔ)上形成的顛覆性科學技術(shù)。通俗地講,柔性電子技術(shù)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(tǒng)的一門新興交叉技術(shù)。
“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(shù)應用廣泛,可與人工智能、材料科學、物聯(lián)網(wǎng)、空間科學、健康科學、能源科學和數(shù)據(jù)科學等學科深入交叉融合,進而引領(lǐng)信息科技、健康醫(yī)療、航空航天、先進材料等學科的創(chuàng)新變革,是真正的‘硬核’技術(shù)。”宋霖介紹。
例如,在航空航天領(lǐng)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(jié)構(gòu)重量無法減輕。想要減輕其重量,科研人員只能從飛船內(nèi)的儀器設(shè)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(jié)構(gòu)重量,各類電子設(shè)備依然達數(shù)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(shè)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(shù)。我國在這一領(lǐng)域產(chǎn)生了大量原創(chuàng)性成果,一定程度上引領(lǐng)該領(lǐng)域的發(fā)展方向。黃維是國際上最早一批從事柔性電子技術(shù)研究并長期活躍在該領(lǐng)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(fā)展起來的國內(nèi)的柔性電子學研究。
2017年,在黃維的牽頭下,西北工業(yè)大學柔性電子研究院成立。2020年,在研究院的基礎(chǔ)上,西北工業(yè)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(lǐng)域的基礎(chǔ)科學和關(guān)鍵技術(shù)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(chuàng)性的理論突破,支撐學科不斷發(fā)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(zhuǎn)化。”宋霖說。
■ 室溫“印刷”出光伏材料
在西北工業(yè)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(huán)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(yè)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。“塑料電子是柔性電子的核心組成部分。我們從具有本征柔性的塑料電子材料及器件出發(fā),研究塑料電子材料的光電性質(zhì)、薄膜凝聚態(tài)行為、載流子的動力學和界面的動態(tài)力學等關(guān)鍵科學問題,開發(fā)溶液和薄膜加工技術(shù)及器件制備工藝,發(fā)展柔性塑料電子器件與系統(tǒng)。”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(fā)展和社會需求,推動柔性電子技術(shù)“落地”的一個方向。
鉛鹵鈣鈦礦是10多年前發(fā)現(xiàn)的一種新材料,可用于太陽能發(fā)電。相比傳統(tǒng)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(huán)保。但是,這種材料由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,很難實現(xiàn)在空氣中合成,極大地限制了其大規(guī)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(tǒng)有機溶劑,實現(xiàn)了在室溫條件下‘印刷’出穩(wěn)定的鈣鈦礦太陽能薄膜電池。”該課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(fā)絲的二百分之一,不僅穩(wěn)定性高、制備簡單,還提高了光電轉(zhuǎn)化率,太陽能轉(zhuǎn)化效率可以達到24.1%,比傳統(tǒng)方法提高了兩個百分點。”
2021年3月27日,該成果論文刊發(fā)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(chǎn)提供了更多可能。
“關(guān)鍵制備問題的解決,為鈣鈦礦光伏材料的大規(guī)模應用創(chuàng)造了條件。功能導向、擇優(yōu)設(shè)計、綠色無毒、穩(wěn)定高效的離子液體鈣鈦礦光伏技術(shù)將有力推動光伏技術(shù)快速發(fā)展。可以預見,鈣鈦礦光伏技術(shù)將會被應用在柔性可穿戴裝備、智能窗、無人機系統(tǒng)、航天器等重要領(lǐng)域。”宋霖介紹,目前團隊正在同西北工業(yè)大學相關(guān)團隊合作,推動鈣鈦礦光伏技術(shù)在無人機等領(lǐng)域的應用。
在取得柔性光伏材料重大突破的基礎(chǔ)上,塑料電子研究所面向新一代信息顯示、生化傳感、健康醫(yī)療、軍事科學、空間技術(shù)、能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,聚焦柔性照明與顯示、柔性能源催化等領(lǐng)域的關(guān)鍵科學問題和核心技術(shù),開展塑料電子材料與光電器件、高分子能源轉(zhuǎn)化與存儲、塑料電子器件機制與集成系統(tǒng)的研究,最大限度地探索塑料電子在柔性領(lǐng)域的更多可能性。
■ 面對未知,迎接挑戰(zhàn)
柔性電子學是在多學科高度交叉融合基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一門新興學科。這不僅意味著研究領(lǐng)域的交叉融合,也意味著更多的未知和挑戰(zhàn)。
“新興學科的科研和人才培養(yǎng),需要打破傳統(tǒng),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(yè)大學柔性電子研究院。宋霖是物理專業(yè)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(fā)創(chuàng)新的重要性。“柔性電子是集化學、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(fā)了創(chuàng)新的活力。”他說。
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(shù)分享,大家各抒己見、思想碰撞。“多試幾次!”“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(jié)果。“幾乎95%的實驗都是失敗的,我們的研究就是在不斷試錯中積累經(jīng)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?shù)谝淮慰吹揭黄⌒〉谋∧ねㄉ想姲l(fā)出炫目光芒,我就被它深深吸引了。‘好奇心’驅(qū)使我去研究它,發(fā)現(xiàn)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。”說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(shù)次失敗后的必然結(jié)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(fā)現(xiàn)問題,積累經(jīng)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(fā)現(xiàn)問題從而解決問題、“打怪獸升級”的過程。而發(fā)現(xiàn)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。“材料從剛性到柔性,有很多科學問題等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和解決。面對無數(shù)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(chǎn)業(yè)變革中,柔性電子技術(shù)將為我國自主創(chuàng)新帶來重要戰(zhàn)略機遇。我們將在這一領(lǐng)域不斷攀登,尋求重大理論突破,努力產(chǎn)出更多引領(lǐng)性原創(chuàng)成果,為我國科技自立自強貢獻力量!”宋霖表示。
原標題:柔性領(lǐng)域的“硬核”攻關(guān)——西工大取得柔性光伏材料制備關(guān)鍵技術(shù)突破