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 應(yīng)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(jī)、無機(jī)或者有機(jī)無機(jī)復(fù)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(xué)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(kuò)展了電子器件的適用范圍

●柔性電子技術(shù)應(yīng)用廣泛，可與多學(xué)科深入交叉融合，進(jìn)而引領(lǐng)信息科技、健康醫(yī)療、航空航天、先進(jìn)材料等領(lǐng)域的創(chuàng)新變革

●應(yīng)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(dá)到24.1%

如果建筑外墻、無人機(jī)，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(xué)柔性電子研究院黃維院士團(tuán)隊(duì)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(jìn)一步。

什么是柔性電子技術(shù)，有何應(yīng)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(xué)科，如何做科研？……7月16日，在西北工業(yè)大學(xué)柔性電子前沿科學(xué)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(rèn)為是一場(chǎng)顛覆式的電子技術(shù)革命。

中國(guó)科學(xué)院院士、西北工業(yè)大學(xué)柔性電子前沿科學(xué)中心首席科學(xué)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(tái)、光電技術(shù)應(yīng)用為核心，是一類在物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)與工程、力學(xué)、光學(xué)工程、生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)等學(xué)科高度交叉融合基礎(chǔ)上形成的顛覆性科學(xué)技術(shù)。通俗地講，柔性電子技術(shù)就是將有機(jī)、無機(jī)或者有機(jī)無機(jī)復(fù)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(kuò)展了電子器件的適用范圍。因此，柔性電子技術(shù)應(yīng)用廣泛，可與人工智能、材料科學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)、空間科學(xué)、健康科學(xué)、能源科學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)等學(xué)科深入交叉融合，進(jìn)而引領(lǐng)信息科技、健康醫(yī)療、航空航天、先進(jìn)材料等學(xué)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(gè)方向。“對(duì)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(jiān)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(guó)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(dá)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(guó)都在積極布局這項(xiàng)具有顛覆性的前沿技術(shù)。我國(guó)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(guó)際上最早一批從事柔性電子技術(shù)研究并長(zhǎng)期活躍在該領(lǐng)域前沿的世界頂尖學(xué)者。20世紀(jì)90年代初，他開始致力于物理、化學(xué)、材料等多個(gè)學(xué)科交叉融合發(fā)展起來的國(guó)內(nèi)的柔性電子學(xué)研究。

2017年，在黃維的牽頭下，西北工業(yè)大學(xué)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(xué)柔性電子前沿科學(xué)中心成立。短短幾年，該研究院圍繞柔性顯示、柔性儲(chǔ)能、柔性傳感等領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)和關(guān)鍵技術(shù)問題，取得一系列重大突破。

“一方面，我們堅(jiān)持做‘頂天’的理論研究，希望在這一新興學(xué)科取得更多原創(chuàng)性的理論突破，支撐學(xué)科不斷發(fā)展；另一方面，我們堅(jiān)持‘立地’面向市場(chǎng)需求，做‘有用’的科研，推動(dòng)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(xué)柔性電子器件制備實(shí)驗(yàn)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(tái)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(xué)柔性電子研究院塑料電子研究所取得的一項(xiàng)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(dòng)力學(xué)和界面的動(dòng)態(tài)力學(xué)等關(guān)鍵科學(xué)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(duì)柔性鈣鈦礦光伏器件的研究，是該研究所面向國(guó)家發(fā)展和社會(huì)需求，推動(dòng)柔性電子技術(shù)“落地”的一個(gè)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(shí)更環(huán)保。但是，這種材料由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，很難實(shí)現(xiàn)在空氣中合成，極大地限制了其大規(guī)模應(yīng)用。

“我們團(tuán)隊(duì)合成了一種新型離子液體溶劑，可以替代傳統(tǒng)有機(jī)溶劑，實(shí)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(jìn)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(jiǎn)單，還提高了光電轉(zhuǎn)化率，太陽能轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到24.1%，比傳統(tǒng)方法提高了兩個(gè)百分點(diǎn)。”

2021年3月27日，該成果論文刊發(fā)在國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》上，被認(rèn)為是解決了鈣鈦礦光伏材料制備的“痛點(diǎn)”，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(yīng)用創(chuàng)造了條件。功能導(dǎo)向、擇優(yōu)設(shè)計(jì)、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(dòng)光伏技術(shù)快速發(fā)展?？梢灶A(yù)見，鈣鈦礦光伏技術(shù)將會(huì)被應(yīng)用在柔性可穿戴裝備、智能窗、無人機(jī)系統(tǒng)、航天器等重要領(lǐng)域。”宋霖介紹，目前團(tuán)隊(duì)正在同西北工業(yè)大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)合作，推動(dòng)鈣鈦礦光伏技術(shù)在無人機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)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(xué)、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(xué)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(chǔ)、塑料電子器件機(jī)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(duì)未知，迎接挑戰(zhàn)

柔性電子學(xué)是在多學(xué)科高度交叉融合基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一門新興學(xué)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(xué)科的科研和人才培養(yǎng)，需要打破傳統(tǒng)，鼓勵(lì)自由探索。”宋霖介紹。2018年，32歲的他在德國(guó)完成博士后的科研課題后，加入了西北工業(yè)大學(xué)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(huì)到了不同學(xué)科背景下的思想碰撞，對(duì)激發(fā)創(chuàng)新的重要性。“柔性電子是集化學(xué)、物理、材料、生命、電子、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科高度交叉融合的研究方向，研究院教師學(xué)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(tuán)隊(duì)，宋霖身體力行，鼓勵(lì)學(xué)生自由探索——每天不管多忙，都會(huì)到實(shí)驗(yàn)室詢問學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，幫助學(xué)生解決問題；每周一次雷打不動(dòng)進(jìn)行學(xué)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(tuán)隊(duì)成員最常聽到的鼓勵(lì)。

在宋霖團(tuán)隊(duì)，“心情不好”“身體不舒服”都是可以不做實(shí)驗(yàn)的正當(dāng)理由。但是，“好奇心”“求知欲”卻讓團(tuán)隊(duì)成員廢寢忘食地待在實(shí)驗(yàn)室，靜靜等待著一次又一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。“幾乎95%的實(shí)驗(yàn)都是失敗的，我們的研究就是在不斷試錯(cuò)中積累經(jīng)驗(yàn)，然后向成功邁出一小步。”宋霖說。

博士研究生惠煒就是一個(gè)整天“泡”在實(shí)驗(yàn)室的人。他幾乎每天從8時(shí)到22時(shí)都在實(shí)驗(yàn)室。“當(dāng)?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(gè)世界做點(diǎn)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(diǎn)點(diǎn)試，沒有什么捷徑可以走。正是通過實(shí)驗(yàn)，我們才能發(fā)現(xiàn)問題，積累經(jīng)驗(yàn)，從而更好地了解它們。所有的科研成果都是這樣一點(diǎn)點(diǎn)、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(gè)不斷發(fā)現(xiàn)問題從而解決問題、“打怪獸升級(jí)”的過程。而發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程，對(duì)從事科研工作的人來說，也是自由探索和不斷成長(zhǎng)的過程。“材料從剛性到柔性，有很多科學(xué)問題等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和解決。面對(duì)無數(shù)未知的問題，是整個(gè)團(tuán)隊(duì)支撐著我們每一個(gè)人獨(dú)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(guó)自主創(chuàng)新帶來重要戰(zhàn)略機(jī)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(guó)科技自立自強(qiáng)貢獻(xiàn)力量！”宋霖表示。


原標(biāo)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