柔性电子技术助力材料能源领域跨越式发展

科普小知识2022-07-19 19:38:30

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最近，由亚太工程组织联合会主席和中国科学院黄伟院士团队领导的两项创新研究成果在《自然》杂志上发表。谈到这两部作品与以往研究成果相比的创新性突破及其对产业化的重要意义，黄伟表示，该团队将联合国内多家研究机构和创新型钙钛矿企业，实现中国在先进材料和先进能源领域的跨越式发展。

创新突破和产业重要性

这两项进展之一是黄伟的团队和其他团队在层状钙钛矿太阳能电池方面取得的突破，相关结果发表在《自然光子学》上。第二，黄伟的团队与英国帝国理工学院和沙特国王阿卜杜拉科技大学合作，在有机金属氧化物薄膜晶体管的研究方面取得了重要进展，发表在《自然电子学》上。

鉴于这两项进展与以往研究相比的创新性突破和产业重要性，黄伟表示，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目前在全球范围内取得了快速发展，但该器件一直存在稳定性差的问题。基于此，在这两项研究中，我们通过材料控制和器件结构设计优化了器件的效率和稳定性，逐步分析了器件的稳定机理，探索了提高器件稳定性的新方法，取得了重要突破，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

此外，钙钛矿材料在环境稳定性方面存在局限性，这极大地限制了它们的商业应用。针对这一重大问题，该团队经过多次探索，创新性地将含硫原子的有机胺引入二维层状钙钛矿材料中，有效地增强了层间电荷转移，进一步稳定了层状钙钛矿骨架，从而制备出效率高达18.06%的高性能层状钙钛矿太阳能电池，并极大地改善了钙钛矿薄膜的环境稳定性。同时，该装置在最大功率输出点的标准阳光下持续照明1000小时，效率衰减小于15%。研究结果为进一步提高钙钛矿材料和器件的稳定性提供了新思路，对促进钙钛矿太阳能电池的商业应用具有重要意义。

此外，在金属氧化物薄膜晶体管的研究工作中，合作团队创造了有机-金属氧化物混合薄膜晶体管，实现了高电子迁移率和超高工作稳定性，是目前世界上报道的最稳定的金属氧化物薄膜晶体管。研究结果为解决电流解法制备的金属氧化物薄膜晶体管的稳定性问题提供了新的策略，有助于进一步推动薄膜晶体管在显示领域的前沿应用。

促进我国钙钛矿光电子产业的创新和发展

去年，湖北万度光能、北京大学、华中科技大学、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”。作为首任总裁，黄伟在促进钙钛矿光电子技术产学研合作的双赢发展方面做了大量卓有成效的工作。

对此，黄伟说:“作为联赛委员会的第一任主席，我深感荣幸，同时我感到更多的压力和责任。”他说，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，已经成为突破传统的八大关键核心技术之一。面对巨大的市场需求和巨大的行业需求，他将带领团队进行基础研究工作，抓住关键指标推进钙钛矿光电器件的产业化，努力突破目前钙钛矿材料在光电领域应用面临的科学瓶颈。

同时，我们将大力推动建立学术界与产业界的交流合作平台，探讨钙钛矿光电子技术研发、产业化进展和发展趋势，以实际问题带动科研，积极推进产学研合作创新，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，推动钙钛矿光电子企业经济增长，共同支持我国钙钛矿光电子产业创新发展。

在谈到该团队最近的研究进展对工业化的意义时，黄伟表示，钙钛矿材料在环境中的不稳定性是制约其工业化发展的技术瓶颈。通过硫元素之间的相互作用，实现了有效的层间调控，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，有力地推动了钙钛矿太阳能电池的产业化发展。

然而，随着平板显示技术向高分辨率和大面积发展，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越来越高。“我们通过将聚苯乙烯薄膜插入异质结沟道，有效地钝化了臭氧处理后聚苯乙烯薄膜表面的电子陷阱，并报道了目前世界上最稳定的高迁移率有机金属氧化物薄膜晶体管。”黄伟表示，该研究成果显著提高了溶液法制备的金属氧化物薄膜晶体管的工作稳定性，对推动显示领域的产业化应用进程具有突破性意义。

柔性电子技术具有巨大的发展潜力和市场空间

“在科学研究方面，我们将重点关注有机电子、印刷电子、生物电子和其他柔性电子的交叉研究方向。我们将围绕柔性光电材料、器件物理机制、制造工艺和器件集成等关键科学问题和技术难点，开展基础理论和应用技术研究，拓展在新一代信息显示、信息存储、数据加密、生物传感器和先进能源领域的应用。”

黄伟在谈到自己的研究计划和团队后来的研究计划时表示:“例如，在钙钛矿太阳能电池方面，鉴于钙钛矿材料和器件的稳定性以及铅的毒性，团队将设计高效稳定的钙钛矿材料和器件，开发器件封装技术，并开展环境友好型无铅钙钛矿材料和器件的研究。同时，为了满足当前市场应用的需要，开发了大面积柔性制备工艺。此外，钙钛矿材料因其优异的电荷转移能力和光电转换性能而被用于开发其在柔性电子领域的应用，如发光、光伏、光电检测和信息存储。

黄炜调侃道，长期以来，他领导的IAM/IFE团队一直以“科学”为其独特的核心文化。在他的解释中，英语单词有其特殊的含义:S(怀疑主义，科学质疑)，C(好奇心，好奇心驱动)，I(勤奋)，E(热情，奉献热情)，N(新奇，追求创新)，C(自信，创新信心)，E(伦理，观察良知)。

以他为首的西北工业大学柔性电子研究所，以颠覆性技术的培育为核心目标，努力打造创新领先、国家依赖、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，支持国防与民用技术战略融合、产业转型升级和战略性新兴产业培育，实现柔性电子赶超和突破性技术创新的全球战略高地。

此外，黄伟还介绍了柔性电子技术的现状和未来发展趋势。他说，他的团队设计和开发的高效稳定的钙钛矿太阳能电池和金属氧化物薄膜晶体管有望与薄柔性基板结合，并有可能应用于移动电话、平板显示器和可穿戴设备等便携式电子产品。此外，通过材料带的调节和器件结构的优化，除了太阳光，钙钛矿太阳能电池还可以回收室内光源，进一步利用可再生能源。这对中国乃至世界的能源结构调整和环境改善都具有重要意义。

最后，黄伟表示，柔性电子技术有着广泛的应用。在照明显示、无线通信、光伏能源、生物医学和军事防御等领域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，各种便携式智能可穿戴柔性电子产品已经应用于日常生活的这一领域，如折叠式手机、柔性有机发光二极管机器人、血糖监测“创可贴”等。未来，柔性电子技术的发展将对产业结构和人类社会的经济生活产生深远的影响。