世界首块超大尺寸钙钛矿单晶研发成功背后的故事

04.12.2015 14:56

本文来源: 教育厅

《中国科学报》2015年12月3日（通讯员冯增勤陈晶记者张行勇）题：世界首块超大尺寸钙钛矿单晶研发成功背后的故事近日，在陕西师范大学“千人计划”特聘教授刘生忠带领下，包括硕士生刘渝城、师资博士后杨栋、讲师杨周博士和副教授闫俊青等成员的科研团队利用升温析晶法，首次制备出超大尺寸单晶钙钛矿CH3NH3PbI3晶体，尺寸超过2英寸（大于71 mm）。据了解，这是世界上首次报道尺寸超过0.5英寸的钙钛矿单晶，与以往的研究成果相比，其稳定性也大大提高。这一研究成果也在德国《先进材料》杂志刊发，期刊主编撰写亮点文章评论，对该项给予高度评价。其评论指出：“单晶材料是现代半导体工业、电子工业和光电工业的基础，具有优良性能的钙钛矿单晶材料有可能实现对多晶钙钛矿基器件的革新，推动光电器件的新一轮革命。” ——开拓创新成果斐然。 目前，对太阳能的利用方式包括太阳能光热、太阳能光伏电池、太阳能制氢等方式。其中，太阳能光伏发电技术可以直接将太阳光的能量转换成电能，可以实现与当前供电网的无缝连接，是最便捷的太阳能利用方式。商用太阳能电池产品已经有超过60年的历史，从最初仅限于航天领域应用，到现在已经发展成为一种广泛应用的技术。这主要归因于太阳能电池技术成本的降低和人类对能源供给认识的提高。尽管太阳能发电技术的成本已经有了大幅的降低，但较其他能源供给的价格还是偏高。开发出转换效率高、发电成本低的太阳能电池器件是人类一直追寻的目标。 2013年，美国《科学》（Science）杂志评出年度十大科学突破，其中一项就是钙钛矿太阳能电池。研究发现，具有钙钛矿晶体结构的甲氨基卤化铅材料，由于其很高的光吸收系数、很长的载流子传输距离、非常少的缺陷态密度等优异性质，在光伏材料、激光材料和发光材料等方面具有极大应用价值，成为国际上极为重要的研究热点材料之一。目前，经过NREL认证的钙钛矿太阳电池光电转换效率已经达到20.1%，接近单晶硅太阳能电池的效率。同时，基于钙钛矿材料的激光和发光器件在光电领域也显示广阔的应用前景。然而，微晶或非晶薄膜的钙钛矿太阳能电池及其光电器件仍存在对水蒸气、大气、热、紫外光等不稳定问题，成为限制进一步提高其太阳能转换效率及其他光电器件性能的主要因素。如何解决微晶钙钛矿薄膜中多晶界和表面缺陷所造成的载流子复合问题就成为攻克难题的关键。针对这些问题，刘生忠科研团队从2014年9月份始不间断地开展实验研究，进行艰难的奋力探索。“梅花香自苦寒来”。2015年4月，他们终于成功制备出了尺寸超过2英寸（71 mm）的单晶钙钛矿CH3NH3PbI3晶体。相较于多晶钙钛矿薄膜，钙钛矿晶体材料具有非常高的结晶质量、更好的光吸收范围和更高的热稳定性，并首次发现该材料在402nm处的发光峰。团队成员杨周说，通过研究发现采用单晶制作的钙钛矿太阳能电池可以获得更好的光电转换效率。团队当前正致力于使用器材把晶体应用到生活中，比如作一些LED研究、光学器材研究等。在项目研究过程中，该团队除了利用升温析晶法研制出高质量、高稳定性的大尺寸钙钛矿单晶外，还有下列四个创新之处。一是发展了真空交替沉积法在低温下沉积钙钛矿薄膜的技术，避免了溶剂及大气中污染成分对钙钛矿的破坏。主要创新点在于提高了钙钛矿薄膜制备的可控性，制备出大面积高效高稳定的电池，未封装的电池在62天测试中保持原有效率的91%。二是发展了柔性钙钛矿薄膜电池，电池效率达到15.07%，把之前的世界纪录12%提高了25%。主要创新点在于开发了低温下制备钙钛矿电池中电子传输材料的方法和工艺，利用该技术，刷新了柔性钙钛矿薄膜电池的世界纪录。三是采用固体接触反应法获得大面积均匀的钙钛矿薄膜，并制备出性能优异的钙钛矿太阳能电池。主要创新点在于发展了一种新型的制备钙钛矿薄膜和电池的方法。四是研制出的柔性优质透明电极材料，经过样品测试，所有性能指标均优于国际先进水平。 “这种超大尺寸的单晶体在研发高性能光电器件方面具有很大的商业应用价值。由此，我们可以预想未来在光电、太阳能电池及半导体等领域，超大尺寸的单晶钙钛矿材料将会有广阔的应用前景。”刘生忠介绍。 ——优势互补，团队力量。 刘生忠科研团队组建时间不长，但能够取得这样显著的成果，主要得益于两个方面：一是团队精神；二是团队成员的学科交叉及选择。在刚组建团队的时候，刘生忠对成员的选择主要看重两个方面：一是发展潜力，不特别注重已经取得的成就，更看重他们的未来发展趋势；二是成员之间差异性，是否能互补。 “我喜欢选跟我不一样的，如果选一个跟我完全一样的，我是学化学的，他也是学化学的，我懂他也懂，我不懂他也不懂，那要创新就很难，所以我们研究团队成员间学科差异是比较大的。杨栋老师的手非常巧，他是做合成、做器件的高手；杨周老师是中国科技大学物理学院博士毕业，主要做钙钛矿；闫俊青老师主要负责电池的应用方面，如光电分解水制氢，我们的研究背景有联系又有差别，正好交叉互补。”刘生忠说。
“研制过程中我们走了很多弯路，出现了许多问题。团队成员的专业方向不同，但关于化学、材料方向的基础知识都是相通的，大家碰到问题就集中讨论、交流，然后想尽方法去解决问题。在研制过程中最困难的部分就是单晶的培养，我们培养的单晶从最初的直径不到半英寸，到后来的超过4英寸。这个从无到有、从小到大的过程是很艰难漫长的历程，而且特别的不规则，经过查阅大量的文献后，不断尝试了很多的方法才培养出来。” 团队成员刘渝城坦言。 “这种团结协作、联合攻关的精神是刘老师一直倡导的，他认为科研领域广阔无边，在研究的过程中肯定会有很多未知的因素，不是所有的想法通过努力都能达到预期的效果，但是遇到困难，一定要坚持，不要放弃，成功往往就在前方的拐角处。”杨栋如此言之。闫俊青坦言：“研究团队取得这样的成绩，刘生忠老师把握方向，指导有方是关键。他经常强调，开展科研工作关键是选好方向，同时要与实践相结合，注重成果的实用性，还需要持之以恒的钻研精神。我觉得刘老师跟其他研究生导师的最大不同就是对独立性要求很高，遇到问题他会给你一个方向，让你自己去寻找解决办法。我认为这种教育指导方法对于研究生来说是最好的，因为研究生一定要学会思考、要能学到自己的东西。”
—— 夙夜匪懈，心系国家。 对陕西师范大学来说，刘生忠是一个标志性人物，更是一位具有传奇色彩的老师。刘生忠出生在宁夏回族自治区平罗县一个小山村。1979年，16岁的刘生忠凭借优异的成绩考入陕西师大化学系。在这里他结识了许多良师益友，这些也成为他日后选择回母校工作的一个重要因素。1986年获兰州大学理学硕士学位，1989年，他以优异成绩考取了美国西北大学物理化学专业博士研究生，并获得全额奖学金。1992年，他进入美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory，简称ANL）开展博士后研究工作。2010年，考虑到祖国发展的需要，加上自身回国的强烈愿望和时任陕西师大校长房喻教授的热情邀请，他毅然放弃国外优越的生活和工作条件，回到母校工作。刘生忠的研究领域集中在纳米材料、薄膜材料、太阳能光伏材料、电光薄膜的电化学沉积、激光表面处理和光伏技术的开发、放大和生产。他的部分研究成果在美国《科学》、英国《自然》等著名期刊上发表，他的发明成果曾获“世界最佳发明奖”（也被称为“发明家的奥斯卡奖”），1998年入选“世界科学家工程师名人录”，2011年入选国家“千人计划”。 “回国这几年，学校投入了充裕的研究经费，对我的支持力度也很大，自己不敢有任何懈怠，在各方面的共同努力下，我和我的团队也取得了一些成绩。”刘生忠平静地说。据了解，近几年刘生忠在SCI期刊发表30多篇论文，其中，Advanced Materials的一篇文章成为该期刊连续三个月“阅读最多的论文”，EES也将该文章选为“Hot Paper”；在获得专利方面，他申请了包括一种毫米长石墨烯带的制备方法、一种硅系太阳能电池和其制备方法与制备装置以及其表面结构等8项国家专利。在承担科研项目方面，承担中央高校项目两项，参与教育部项目一项，承担了陕西煤业化工技术研究院有限公司的重大开发项目“高性能、低成本透明导电膜技术研究”，并与黄河电力投资有限公司合作了“新型太阳能光伏材料”项目等。同时，作为主要负责人，组织申报的陕西省能源新技术工程实验室也刚刚获批立项建设。该实验室将以光电能源材料设计制备及器件应用等关键技术为核心，重点围绕光伏、储能、光电转化等相关行业领域开展光电高效转化与利用等研究，建设高水平光电能源材料开发及应用创新平台及人才培养基地，为推动陕西省新能源材料与器件化技术进步和成果转化提供技术支撑。潮平两岸阔，风正一帆悬。谈到未来，刘生忠更是信心满怀，表示将加倍努力，把实验室建设好、利用好，把科研团队建设好，继续深入研究解决大块单晶对环境敏感产生的稳定性问题，提高太阳能电池的应用性，为缓解我国的能源危机贡献自己微博的力量。与此同时，把陕师大的新材料、新能源研究提升到一个世界领先的水平。（信息采集：卢延辉）

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04.12.2015 14:56

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