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柔性電子技術(shù)助力材料能源領(lǐng)域跨越式發(fā)展

發(fā)布時(shí)間：2020-04-15 來源：元祿光電

近日，亞太工程組織聯(lián)合會主席、中國科學(xué)院黃維院士團(tuán)隊(duì)等領(lǐng)銜的兩項(xiàng)創(chuàng)新性研究成果在《自然》子刊發(fā)表。談及兩項(xiàng)工作較前期研究成果的創(chuàng)新性突破及對產(chǎn)業(yè)化的重要意義等問題，黃維表示，團(tuán)隊(duì)將聯(lián)合國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)及創(chuàng)新型鈣鈦礦企業(yè)，同心協(xié)力，實(shí)現(xiàn)我國在先進(jìn)材料和先進(jìn)能源領(lǐng)域的跨越式發(fā)展。

創(chuàng)新性突破與產(chǎn)業(yè)重要性

兩項(xiàng)進(jìn)展其一是黃維團(tuán)隊(duì)聯(lián)合其他團(tuán)隊(duì)在層狀鈣鈦礦太陽能電池取得的突破性進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在《自然—光子學(xué)》上。其二是黃維團(tuán)隊(duì)與英國帝國理工學(xué)院、沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)等團(tuán)隊(duì)合作，在有機(jī)—金屬氧化物薄膜晶體管研究領(lǐng)域取得的重要進(jìn)展，發(fā)表于《自然—電子學(xué)》上。

針對兩個(gè)進(jìn)展較以往研究的創(chuàng)新性突破及產(chǎn)業(yè)重要性，黃維表示，鈣鈦礦太陽能電池和金屬氧化物薄膜晶體管的器件效率和性能現(xiàn)已在世界范圍內(nèi)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，然而器件方面卻始終存在著穩(wěn)定性較差的問題?！盎诖耍谶@兩項(xiàng)研究工作中，我們通過材料調(diào)控和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化器件效能和穩(wěn)定性，逐步分析穩(wěn)定性機(jī)制，深入探索提升器件穩(wěn)定性的新方法并實(shí)現(xiàn)了重要突破，這對促進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池和金屬氧化物薄膜晶體管在相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的意義和價(jià)值?！?/span>

另外，鈣鈦礦材料在環(huán)境穩(wěn)定性方面存在局限性，這極大地限制了其商業(yè)化應(yīng)用。針對這一顯著問題，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次探索，創(chuàng)新性地在二維層狀鈣鈦礦材料中引入一種含硫原子的有機(jī)胺，有效地增強(qiáng)了層間電荷傳輸并且進(jìn)一步穩(wěn)定了層狀鈣鈦礦骨架，制備出了效率高達(dá)18.06％的高性能層狀鈣鈦礦太陽能電池，同時(shí)也大大改善了鈣鈦礦薄膜的環(huán)境穩(wěn)定性。與此同時(shí)，器件在最大功率輸出點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)太陽光下持續(xù)光照1000小時(shí)，效率衰減不到15%。該研究結(jié)果對鈣鈦礦材料和器件的穩(wěn)定性進(jìn)一步提升提供了新思路，對促進(jìn)鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。

此外，在金屬氧化物薄膜晶體管研究工作中，合作團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制了一種有機(jī)—金屬氧化物混合薄膜晶體管，實(shí)現(xiàn)了高電子遷移率及超高的工作穩(wěn)定性，是目前世界范圍內(nèi)已報(bào)道的最穩(wěn)定的金屬氧化物薄膜晶體管。該研究成果為解決當(dāng)前溶液法制備金屬氧化物薄膜晶體管的工作穩(wěn)定性問題提供了新策略，并有助于進(jìn)一步推廣薄膜晶體管在顯示領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。

助力中國鈣鈦礦光電子產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新與發(fā)展

去年，由湖北萬度光能、北京大學(xué)、華中科技大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等單位在湖北推動成立了“中國鈣鈦礦光電子產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，黃維作為首任會長，在推進(jìn)鈣鈦礦光電子技術(shù)領(lǐng)域的產(chǎn)學(xué)研合作共贏發(fā)展做了大量卓有成效的工作。

對此，黃維回應(yīng)，“作為聯(lián)盟理事會首任會長，我深感榮幸，同時(shí)也倍感壓力和責(zé)任?！彼硎?，鈣鈦礦技術(shù)作為先進(jìn)材料技術(shù)中的前沿技術(shù)，是科技創(chuàng)新浪潮中的典型代表，成為突破傳統(tǒng)八大關(guān)鍵核心技術(shù)之一。面對巨量市場需求和巨型產(chǎn)業(yè)呼喚，他將帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在基礎(chǔ)研究工作方面，抓住推動鈣鈦礦光電子器件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵指標(biāo)，努力突破當(dāng)前鈣鈦礦類材料在光電領(lǐng)域應(yīng)用中所面臨的科學(xué)瓶頸。

同時(shí)，大力促進(jìn)學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界交流合作平臺的搭建，探討鈣鈦礦光電子領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展和發(fā)展趨勢，以實(shí)際問題驅(qū)動科學(xué)研究，積極推動產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，努力加強(qiáng)科研成果轉(zhuǎn)化，提高科技創(chuàng)新對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支撐能力，帶動鈣鈦礦光電子領(lǐng)域企業(yè)經(jīng)濟(jì)增長，共同助力中國鈣鈦礦光電子產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。

談及團(tuán)隊(duì)近期研究進(jìn)展對產(chǎn)業(yè)化的意義，黃維表示，鈣鈦礦材料在環(huán)境中不穩(wěn)定的問題是制約其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的技術(shù)瓶頸。這項(xiàng)研究工作通過硫元素之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)了層間有效調(diào)控，構(gòu)建了高效穩(wěn)定的層狀鈣鈦礦太陽能電池，為解決鈣鈦礦太陽能電池在產(chǎn)業(yè)化過程中面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題提供了有效策略，大力推進(jìn)了鈣鈦礦太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

而隨著平板顯示技術(shù)向高分辨率、大面積方向發(fā)展，對有源顯示驅(qū)動背板的核心半導(dǎo)體器件—薄膜晶體管技術(shù)的要求也越來越高。“我們通過在異質(zhì)結(jié)溝道中插入經(jīng)臭氧處理后的聚苯乙烯薄膜，有效地鈍化了薄膜表面的電子陷阱，報(bào)道了目前世界范圍內(nèi)最穩(wěn)定的高遷移率有機(jī)-金屬氧化物薄膜晶體管。”黃維說，這項(xiàng)研究結(jié)果顯著提升了溶液法制備金屬氧化物薄膜晶體管的工作穩(wěn)定性，對推動其在顯示領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程有著突破性的意義。

柔性電子技術(shù)具有巨大的發(fā)展?jié)摿褪袌隹臻g

“在科研上，我們將聚焦有機(jī)電子、印刷電子、生物電子等柔性電子交叉研究方向，以柔性光電材料、器件物理機(jī)制、器件制備工藝和集成化方面存在的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)難點(diǎn)為研究對象，開展基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)研究，開發(fā)面向新一代信息顯示、信息存儲、數(shù)據(jù)加密、生物傳感和先進(jìn)能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。”

談及自己及團(tuán)隊(duì)之后的科研計(jì)劃，黃維表示，“例如，在鈣鈦礦太陽能電池方面，團(tuán)隊(duì)將針對鈣鈦礦材料和器件的穩(wěn)定性以及含鉛帶來的毒性問題，設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的鈣鈦礦材料和器件，發(fā)展器件封裝技術(shù)，開展環(huán)境友好的無鉛鈣鈦礦材料和器件研究；同時(shí)面向當(dāng)前市場應(yīng)用的需求，開發(fā)大面積柔性制備工藝；此外，利用鈣鈦礦材料優(yōu)異的電荷傳輸能力和光電轉(zhuǎn)換性能，開拓其在發(fā)光、光伏、光電探測和信息存儲等柔性電子方面的應(yīng)用?！?/span>

黃維風(fēng)趣地說，長期以來，他所引領(lǐng)的IAM/IFE團(tuán)隊(duì)以“SCIENCE（科學(xué)）”為獨(dú)特的核心文化。在他的解讀中，這個(gè)英語單詞有其特別的意義：S（Skepticism，科學(xué)質(zhì)疑)、C（Curiosity，好奇驅(qū)動）、I（Industriousness，天道酬勤）、E（Enthusiasm，奉獻(xiàn)熱忱）、N（Novelty，追求創(chuàng)新）、C（Confidence，創(chuàng)新自信）、E（Ethics，守望良知）。

他所領(lǐng)銜的西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院以孕育顛覆性技術(shù)為核心目標(biāo)，努力打造創(chuàng)新引領(lǐng)、國家倚重、社會信任、全球領(lǐng)先的高端科技智庫，同時(shí)服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求、“一帶一路”倡議和地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，形成高端創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺引領(lǐng)示范效應(yīng)，支撐國家軍民融合戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)孕育，為實(shí)現(xiàn)開道超車、打造柔性電子顛覆性技術(shù)創(chuàng)新的全球性戰(zhàn)略高地而快速發(fā)展。

此外，黃維還介紹了柔性電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。他說，其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)的高效穩(wěn)定鈣鈦礦太陽能電池和金屬氧化物薄膜晶體管有望與輕薄的柔性襯底相結(jié)合，可潛在應(yīng)用于手機(jī)、平板顯示等便攜式電子產(chǎn)品以及可穿戴式設(shè)備等。另外，通過材料能帶調(diào)控和器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，除太陽光外，鈣鈦礦太陽能電池還可以回收室內(nèi)照明光源，進(jìn)一步利用可再生能源。這將對我國乃至世界范圍內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)境改善具有十分重要的意義。

最后，黃維介紹說，柔性電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在照明顯示、無線通信、光伏能源、生物醫(yī)療和軍事國防等各個(gè)方面均具有巨大的發(fā)展?jié)摿褪袌隹臻g，已成為全球電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前，該領(lǐng)域已有多種便攜式智能化可穿戴柔性電子產(chǎn)品在日常生活中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，如折疊手機(jī)、柔性OLED機(jī)器人、血糖監(jiān)測“創(chuàng)可貼”等。未來，柔性電子技術(shù)發(fā)展將對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以及人類社會的經(jīng)濟(jì)和生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

推薦設(shè)備：鈣鈦礦電池激光刻蝕機(jī)