作者:崔雪芹 来源:中国科学报 发布时间:2020/3/2 20:52:21
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柔性电子技术助力材料能源领域跨越式发展

 

近日,亚太工程组织联合会主席、中国科学院黄维院士团队等领衔的两项创新性研究成果在《自然》子刊发表。谈及两项工作较前期研究成果的创新性突破及对产业化的重要意义等问题,黄维表示,团队将联合国内多家研究机构及创新型钙钛矿企业,同心协力,实现我国在先进材料和先进能源领域的跨越式发展。

创新性突破与产业重要性

两项进展其一是黄维团队联合其他团队在层状钙钛矿太阳能电池取得的突破性进展,相关成果发表在《自然—光子学》上。其二是黄维团队与英国帝国理工学院、沙特阿卜杜拉国王科技大学等团队合作,在有机—金属氧化物薄膜晶体管研究领域取得的重要进展,发表于《自然—电子学》上。

针对两个进展较以往研究的创新性突破及产业重要性,黄维表示,钙钛矿太阳能电池和金属氧化物薄膜晶体管的器件效率和性能现已在世界范围内取得突飞猛进的发展,然而器件方面却始终存在着稳定性较差的问题。“基于此,在这两项研究工作中,我们通过材料调控和器件结构设计,优化器件效能和稳定性,逐步分析稳定性机制,深入探索提升器件稳定性的新方法并实现了重要突破,这对促进钙钛矿太阳能电池和金属氧化物薄膜晶体管在相关领域的实际应用具有深远的意义和价值。”

另外,钙钛矿材料在环境稳定性方面存在局限性,这极大地限制了其商业化应用。针对这一显著问题,团队经过多次探索,创新性地在二维层状钙钛矿材料中引入一种含硫原子的有机胺,有效地增强了层间电荷传输并且进一步稳定了层状钙钛矿骨架,制备出了效率高达18.06%的高性能层状钙钛矿太阳能电池,同时也大大改善了钙钛矿薄膜的环境稳定性。与此同时,器件在最大功率输出点标准太阳光下持续光照1000小时,效率衰减不到15%。该研究结果对钙钛矿材料和器件的稳定性进一步提升提供了新思路,对促进钙钛矿太阳能电池的商业化应用具有重要意义。

此外,在金属氧化物薄膜晶体管研究工作中,合作团队创制了一种有机—金属氧化物混合薄膜晶体管,实现了高电子迁移率及超高的工作稳定性,是目前世界范围内已报道的最稳定的金属氧化物薄膜晶体管。该研究成果为解决当前溶液法制备金属氧化物薄膜晶体管的工作稳定性问题提供了新策略,并有助于进一步推广薄膜晶体管在显示领域的前沿应用。

助力中国钙钛矿光电子产业的创新与发展

去年,由湖北万度光能、北京大学、华中科技大学和西北工业大学等单位在湖北推动成立了“中国钙钛矿光电子产业联盟”,黄维作为首任会长,在推进钙钛矿光电子技术领域的产学研合作共赢发展做了大量卓有成效的工作。

对此,黄维回应,“作为联盟理事会首任会长,我深感荣幸,同时也倍感压力和责任。”他表示,钙钛矿技术作为先进材料技术中的前沿技术,是科技创新浪潮中的典型代表,成为突破传统八大关键核心技术之一。面对巨量市场需求和巨型产业呼唤,他将带领团队在基础研究工作方面,抓住推动钙钛矿光电子器件实现产业化的关键指标,努力突破当前钙钛矿类材料在光电领域应用中所面临的科学瓶颈。

同时,大力促进学术界与产业界交流合作平台的搭建,探讨钙钛矿光电子领域的技术研发、产业化进展和发展趋势,以实际问题驱动科学研究,积极推动产学研协同创新,努力加强科研成果转化,提高科技创新对产业发展的支撑能力,带动钙钛矿光电子领域企业经济增长,共同助力中国钙钛矿光电子产业的创新和发展。

谈及团队近期研究进展对产业化的意义,黄维表示,钙钛矿材料在环境中不稳定的问题是制约其产业化发展的技术瓶颈。这项研究工作通过硫元素之间的相互作用,实现了层间有效调控,构建了高效稳定的层状钙钛矿太阳能电池,为解决钙钛矿太阳能电池在产业化过程中面临的关键技术问题提供了有效策略,大力推进了钙钛矿太阳能电池的产业化发展。

而随着平板显示技术向高分辨率、大面积方向发展,对有源显示驱动背板的核心半导体器件—薄膜晶体管技术的要求也越来越高。“我们通过在异质结沟道中插入经臭氧处理后的聚苯乙烯薄膜,有效地钝化了薄膜表面的电子陷阱,报道了目前世界范围内最稳定的高迁移率有机-金属氧化物薄膜晶体管。”黄维说,这项研究结果显著提升了溶液法制备金属氧化物薄膜晶体管的工作稳定性,对推动其在显示领域的产业化应用进程有着突破性的意义。

柔性电子技术具有巨大的发展潜力和市场空间

“在科研上,我们将聚焦有机电子、印刷电子、生物电子等柔性电子交叉研究方向,以柔性光电材料、器件物理机制、器件制备工艺和集成化方面存在的关键科学问题和技术难点为研究对象,开展基础理论与应用技术研究,开发面向新一代信息显示、信息存储、数据加密、生物传感和先进能源等领域的应用。”

谈及自己及团队之后的科研计划,黄维表示,“例如,在钙钛矿太阳能电池方面,团队将针对钙钛矿材料和器件的稳定性以及含铅带来的毒性问题,设计高效稳定的钙钛矿材料和器件,发展器件封装技术,开展环境友好的无铅钙钛矿材料和器件研究;同时面向当前市场应用的需求,开发大面积柔性制备工艺;此外,利用钙钛矿材料优异的电荷传输能力和光电转换性能,开拓其在发光、光伏、光电探测和信息存储等柔性电子方面的应用。”

黄维风趣地说,长期以来,他所引领的IAM/IFE团队以“SCIENCE(科学)”为独特的核心文化。在他的解读中,这个英语单词有其特别的意义:S(Skepticism,科学质疑)、C(Curiosity,好奇驱动)、I(Industriousness,天道酬勤)、E(Enthusiasm,奉献热忱)、N(Novelty,追求创新)、C(Confidence,创新自信)、E(Ethics,守望良知)。

他所领衔的西北工业大学柔性电子研究院以孕育颠覆性技术为核心目标,努力打造创新引领、国家倚重、社会信任、全球领先的高端科技智库,同时服务国家重大战略需求、“一带一路”倡议和地方经济发展,形成高端创新创业平台引领示范效应,支撑国家军民融合战略、产业转型升级和战略性新兴产业孕育,为实现开道超车、打造柔性电子颠覆性技术创新的全球性战略高地而快速发展。

此外,黄维还介绍了柔性电子技术的发展现状及未来发展趋势。他说,其团队设计开发的高效稳定钙钛矿太阳能电池和金属氧化物薄膜晶体管有望与轻薄的柔性衬底相结合,可潜在应用于手机、平板显示等便携式电子产品以及可穿戴式设备等。另外,通过材料能带调控和器件结构优化,除太阳光外,钙钛矿太阳能电池还可以回收室内照明光源,进一步利用可再生能源。这将对我国乃至世界范围内的能源结构调整和环境改善具有十分重要的意义。

最后,黄维介绍说,柔性电子技术的应用领域非常广泛,在照明显示、无线通信、光伏能源、生物医疗和军事国防等各个方面均具有巨大的发展潜力和市场空间,已成为全球电子技术领域的研究热点。

目前,该领域已有多种便携式智能化可穿戴柔性电子产品在日常生活中实现应用,如折叠手机、柔性OLED机器人、血糖监测“创可贴”等。未来,柔性电子技术发展将对产业结构以及人类社会的经济和生活产生深远的影响。

相关论文信息:

https://www.nature.com/articles/s41928-019-0342-y

https://www.nature.com/articles/s41566-019-0572-6

 
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