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柔性電子技術助力材料能源領域跨越式發展

發布時間：2020-04-15 來源：元祿光電

近日，亞太工程組織聯合會主席、中國科學院黃維院士團隊等領銜的兩項創新性研究成果在《自然》子刊發表。談及兩項工作較前期研究成果的創新性突破及對產業化的重要意義等問題，黃維表示，團隊將聯合國內多家研究機構及創新型鈣鈦礦企業，同心協力，實現我國在先進材料和先進能源領域的跨越式發展。

創新性突破與產業重要性

兩項進展其一是黃維團隊聯合其他團隊在層狀鈣鈦礦太陽能電池取得的突破性進展，相關成果發表在《自然—光子學》上。其二是黃維團隊與英國帝國理工學院、沙特阿卜杜拉國王科技大學等團隊合作，在有機—金屬氧化物薄膜晶體管研究領域取得的重要進展，發表于《自然—電子學》上。

針對兩個進展較以往研究的創新性突破及產業重要性，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已在世界范圍內取得突飛猛進的發展，然而器件方面卻始終存在著穩定性較差的問題?！盎诖?，在這兩項研究工作中，我們通過材料調控和器件結構設計，優化器件效能和穩定性，逐步分析穩定性機制，深入探索提升器件穩定性的新方法并實現了重要突破，這對促進鈣鈦礦太陽能電池和金屬氧化物薄膜晶體管在相關領域的實際應用具有深遠的意義和價值?！?/span>

另外，鈣鈦礦材料在環境穩定性方面存在局限性，這極大地限制了其商業化應用。針對這一顯著問題，團隊經過多次探索，創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胺，有效地增強了層間電荷傳輸并且進一步穩定了層狀鈣鈦礦骨架，制備出了效率高達18.06％的高性能層狀鈣鈦礦太陽能電池，同時也大大改善了鈣鈦礦薄膜的環境穩定性。與此同時，器件在最大功率輸出點標準太陽光下持續光照1000小時，效率衰減不到15%。該研究結果對鈣鈦礦材料和器件的穩定性進一步提升提供了新思路，對促進鈣鈦礦太陽能電池的商業化應用具有重要意義。

此外，在金屬氧化物薄膜晶體管研究工作中，合作團隊創制了一種有機—金屬氧化物混合薄膜晶體管，實現了高電子遷移率及超高的工作穩定性，是目前世界范圍內已報道的最穩定的金屬氧化物薄膜晶體管。該研究成果為解決當前溶液法制備金屬氧化物薄膜晶體管的工作穩定性問題提供了新策略，并有助于進一步推廣薄膜晶體管在顯示領域的前沿應用。

助力中國鈣鈦礦光電子產業的創新與發展

去年，由湖北萬度光能、北京大學、華中科技大學和西北工業大學等單位在湖北推動成立了“中國鈣鈦礦光電子產業聯盟”，黃維作為首任會長，在推進鈣鈦礦光電子技術領域的產學研合作共贏發展做了大量卓有成效的工作。

對此，黃維回應，“作為聯盟理事會首任會長，我深感榮幸，同時也倍感壓力和責任。”他表示，鈣鈦礦技術作為先進材料技術中的前沿技術，是科技創新浪潮中的典型代表，成為突破傳統八大關鍵核心技術之一。面對巨量市場需求和巨型產業呼喚，他將帶領團隊在基礎研究工作方面，抓住推動鈣鈦礦光電子器件實現產業化的關鍵指標，努力突破當前鈣鈦礦類材料在光電領域應用中所面臨的科學瓶頸。

同時，大力促進學術界與產業界交流合作平臺的搭建，探討鈣鈦礦光電子領域的技術研發、產業化進展和發展趨勢，以實際問題驅動科學研究，積極推動產學研協同創新，努力加強科研成果轉化，提高科技創新對產業發展的支撐能力，帶動鈣鈦礦光電子領域企業經濟增長，共同助力中國鈣鈦礦光電子產業的創新和發展。

談及團隊近期研究進展對產業化的意義，黃維表示，鈣鈦礦材料在環境中不穩定的問題是制約其產業化發展的技術瓶頸。這項研究工作通過硫元素之間的相互作用，實現了層間有效調控，構建了高效穩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業化過程中面臨的關鍵技術問題提供了有效策略，大力推進了鈣鈦礦太陽能電池的產業化發展。

而隨著平板顯示技術向高分辨率、大面積方向發展，對有源顯示驅動背板的核心半導體器件—薄膜晶體管技術的要求也越來越高。“我們通過在異質結溝道中插入經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，報道了目前世界范圍內最穩定的高遷移率有機-金屬氧化物薄膜晶體管。”黃維說，這項研究結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定性，對推動其在顯示領域的產業化應用進程有著突破性的意義。

柔性電子技術具有巨大的發展潛力和市場空間

“在科研上，我們將聚焦有機電子、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、器件物理機制、器件制備工藝和集成化方面存在的關鍵科學問題和技術難點為研究對象，開展基礎理論與應用技術研究，開發面向新一代信息顯示、信息存儲、數據加密、生物傳感和先進能源等領域的應用?！?/span>

談及自己及團隊之后的科研計劃，黃維表示，“例如，在鈣鈦礦太陽能電池方面，團隊將針對鈣鈦礦材料和器件的穩定性以及含鉛帶來的毒性問題，設計高效穩定的鈣鈦礦材料和器件，發展器件封裝技術，開展環境友好的無鉛鈣鈦礦材料和器件研究；同時面向當前市場應用的需求，開發大面積柔性制備工藝；此外，利用鈣鈦礦材料優異的電荷傳輸能力和光電轉換性能，開拓其在發光、光伏、光電探測和信息存儲等柔性電子方面的應用。”

黃維風趣地說，長期以來，他所引領的IAM/IFE團隊以“SCIENCE（科學）”為獨特的核心文化。在他的解讀中，這個英語單詞有其特別的意義：S（Skepticism，科學質疑)、C（Curiosity，好奇驅動）、I（Industriousness，天道酬勤）、E（Enthusiasm，奉獻熱忱）、N（Novelty，追求創新）、C（Confidence，創新自信）、E（Ethics，守望良知）。

他所領銜的西北工業大學柔性電子研究院以孕育顛覆性技術為核心目標，努力打造創新引領、國家倚重、社會信任、全球領先的高端科技智庫，同時服務國家重大戰略需求、“一帶一路”倡議和地方經濟發展，形成高端創新創業平臺引領示范效應，支撐國家軍民融合戰略、產業轉型升級和戰略性新興產業孕育，為實現開道超車、打造柔性電子顛覆性技術創新的全球性戰略高地而快速發展。

此外，黃維還介紹了柔性電子技術的發展現狀及未來發展趨勢。他說，其團隊設計開發的高效穩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合，可潛在應用于手機、平板顯示等便攜式電子產品以及可穿戴式設備等。另外，通過材料能帶調控和器件結構優化，除太陽光外，鈣鈦礦太陽能電池還可以回收室內照明光源，進一步利用可再生能源。這將對我國乃至世界范圍內的能源結構調整和環境改善具有十分重要的意義。

最后，黃維介紹說，柔性電子技術的應用領域非常廣泛，在照明顯示、無線通信、光伏能源、生物醫療和軍事國防等各個方面均具有巨大的發展潛力和市場空間，已成為全球電子技術領域的研究熱點。

目前，該領域已有多種便攜式智能化可穿戴柔性電子產品在日常生活中實現應用，如折疊手機、柔性OLED機器人、血糖監測“創可貼”等。未來，柔性電子技術發展將對產業結構以及人類社會的經濟和生活產生深遠的影響。

推薦設備：鈣鈦礦電池激光刻蝕機