近日，在陜西師范大學(xué)“千人計(jì)劃”特聘教授劉生忠?guī)ьI(lǐng)下，包括碩士生劉渝城、師資博士后楊棟、講師楊周博士和副教授閆俊青等成員的科研團(tuán)隊(duì)利用升溫析晶法，首次制備出了超大尺寸單晶鈣鈦礦CH3NH3PbI3晶體，尺寸超過2英寸(大于71mm)。

        據(jù)了解，這是世界上首次報(bào)道尺寸超過0.5英寸的鈣鈦礦單晶，與以往的研究成果相比，其穩(wěn)定性也大大提高。

劉生忠教授

這一研究成果在德國《先進(jìn)材料》雜志以“Two-inch-sized Perovskite CH3NH3PbX3(X=Cl,Br,I)Crystals:Growth and Characterization”為題刊發(fā)，期刊主編撰寫亮點(diǎn)文章評論，對該項(xiàng)給予高度評價(jià)。其評論指出：“單晶材料是現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)、電子工業(yè)和光電工業(yè)的基礎(chǔ)，具有優(yōu)良性能的鈣鈦礦單晶材料有可能實(shí)現(xiàn)對多晶鈣鈦礦基器件的革新，推動光電器件的新一輪革命。”

開拓創(chuàng)新成果斐然

目前，對太陽能的利用方式包括太陽能光熱、太陽能光伏電池、太陽能制氫等方式。其中，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)可以直接將太陽光的能量轉(zhuǎn)換成電能，可以實(shí)現(xiàn)與當(dāng)前供電網(wǎng)的無縫連接，是最便捷的太陽能利用方式。

商用太陽能電池產(chǎn)品已經(jīng)有超過60年的歷史，從最初僅限于航天領(lǐng)域應(yīng)用，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一種廣泛應(yīng)用的技術(shù)。這主要?dú)w因于太陽能電池技術(shù)成本的降低和人類對能源供給認(rèn)識的提高。盡管太陽能發(fā)電技術(shù)的成本已經(jīng)有了大幅的降低，但較其他能源供給的價(jià)格還是偏高。開發(fā)出轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)電成本低的太陽能電池器件是人類一直追尋的目標(biāo)。

2013年，美國《科學(xué)》(Science)雜志評出年度十大科學(xué)突破，其中一項(xiàng)就是鈣鈦礦太陽能電池。研究發(fā)現(xiàn)，具有鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的甲氨基鹵化鉛材料CH3NH3PbX3(X=Cl,Br,I)，由于其很高的光吸收系數(shù)、很長的載流子傳輸距離、非常少的缺陷態(tài)密度等優(yōu)異性質(zhì)，在光伏材料、激光材料和發(fā)光材料等方面具有極大應(yīng)用價(jià)值，成為國際上極為重要的研究熱點(diǎn)材料之一。目前，經(jīng)過NREL認(rèn)證的鈣鈦礦太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到20.1%，接近單晶硅太陽能電池的效率。同時，基于鈣鈦礦材料的激光和發(fā)光器件在光電領(lǐng)域也顯示廣闊的應(yīng)用前景。然而，微晶或非晶薄膜的鈣鈦礦太陽能電池及其光電器件仍存在對水蒸氣、大氣、熱、紫外光等不穩(wěn)定問題，成為限制進(jìn)一步提高其太陽能轉(zhuǎn)換效率及其他光電器件性能的主要因素。

如何解決微晶鈣鈦礦薄膜中多晶界和表面缺陷所造成的載流子復(fù)合問題就成為攻克難題的關(guān)鍵。

針對這些問題，劉生忠科研團(tuán)隊(duì)從2014年9月份始不間斷地開展實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)行艱難的奮力探索。“梅花香自苦寒來”。2015年4月，他們終于成功制備出了尺寸超過2英寸(71mm)的單晶鈣鈦礦CH3NH3PbI3晶體。相較于多晶鈣鈦礦薄膜，鈣鈦礦晶體材料具有非常高的結(jié)晶質(zhì)量、更好的光吸收范圍和更高的熱穩(wěn)定性，并首次發(fā)現(xiàn)該材料在402nm處的發(fā)光峰。

團(tuán)隊(duì)成員楊周說，通過研究發(fā)現(xiàn)采用單晶制作的鈣鈦礦太陽能電池可以獲得更好的光電轉(zhuǎn)換效率。

據(jù)介紹，團(tuán)隊(duì)當(dāng)前正致力于使用器材把晶體應(yīng)用到生活中，比如作一些LED研究、光學(xué)器材研究等。

在項(xiàng)目研究過程中，該團(tuán)隊(duì)除了利用升溫析晶法研制出高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的大尺寸鈣鈦礦單晶外，還有下列四個創(chuàng)新之處。

一是發(fā)展了真空交替沉積法在低溫下沉積鈣鈦礦薄膜的技術(shù)，避免了溶劑及大氣中污染成分對鈣鈦礦的破壞。主要創(chuàng)新點(diǎn)在于提高了鈣鈦礦薄膜制備的可控性，制備出大面積高效高穩(wěn)定的電池，未封裝的電池在62天測試中保持原有效率的91%。該成果已發(fā)表于Journal of Materials Chemistry A，2015，3。

二是發(fā)展了柔性鈣鈦礦薄膜電池，電池效率達(dá)到15.07%，把之前的世界紀(jì)錄12%提高了25%。主要創(chuàng)新點(diǎn)在于開發(fā)了低溫下制備鈣鈦礦電池中電子傳輸材料的方法和工藝，利用該技術(shù)，刷新了柔性鈣鈦礦薄膜電池的世界紀(jì)錄。該成果發(fā)表于Energy&Environmental Science，2015，并被編輯選為“HOT Paper”，其中的主要技術(shù)也已申請專利。

三是采用固體接觸反應(yīng)法獲得大面積均勻的鈣鈦礦薄膜，并制備出性能優(yōu)異的鈣鈦礦太陽能電池。主要創(chuàng)新點(diǎn)在于發(fā)展了一種新型的制備鈣鈦礦薄膜和電池的方法。該成果發(fā)表于Nano Energy，2015，15。

四是研制出的柔性優(yōu)質(zhì)透明電極材料，經(jīng)過樣品測試，所有性能指標(biāo)均優(yōu)于國際先進(jìn)水平。

“這種超大尺寸的單晶體在研發(fā)高性能光電器件方面具有很大的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。由此，我們可以預(yù)想未來在光電、太陽能電池及半導(dǎo)體等領(lǐng)域，超大尺寸的單晶鈣鈦礦材料將會有廣闊的應(yīng)用前景。”劉生忠介紹。

優(yōu)勢互補(bǔ) 團(tuán)隊(duì)力量

據(jù)了解，劉生忠科研團(tuán)隊(duì)組建時間不長，但能夠取得這樣顯著的成果，主要得益于兩個方面：一是團(tuán)隊(duì)精神;二是團(tuán)隊(duì)成員的學(xué)科交叉及選擇。

在剛組建團(tuán)隊(duì)的時候，劉生忠對成員的選擇主要看重兩個方面：一是發(fā)展?jié)摿?，不特別注重已經(jīng)取得的成就，更看重他們的未來發(fā)展趨勢;二是成員之間差異性，是否能互補(bǔ)。

“我喜歡選跟我不一樣的，如果選一個跟我完全一樣的，我是學(xué)化學(xué)的，他也是學(xué)化學(xué)的，我懂他也懂，我不懂他也不懂，那要創(chuàng)新就很難，所以我們研究團(tuán)隊(duì)成員間學(xué)科差異是比較大的。楊棟老師的手非常巧，他是做合成、做器件的高手;楊周老師是中國科技大學(xué)物理學(xué)院博士畢業(yè)，主要做鈣鈦礦;閆俊青老師主要負(fù)責(zé)電池的應(yīng)用方面，如光電分解水制氫，我們的研究背景有聯(lián)系又有差別，正好交叉互補(bǔ)。”劉生忠說。

“研制過程中我們走了很多彎路，出現(xiàn)了許多問題。團(tuán)隊(duì)成員的專業(yè)方向不同，但關(guān)于化學(xué)、材料方向的基礎(chǔ)知識都是相通的，大家碰到問題就集中討論、交流，然后想盡方法去解決問題。在研制過程中最困難的部分就是單晶的培養(yǎng)，我們培養(yǎng)的單晶從最初的直徑不到半英寸，到后來的超過4英寸。這個從無到有、從小到大的過程是很艱難漫長的歷程，而且特別的不規(guī)則，經(jīng)過查閱大量的文獻(xiàn)后，不斷嘗試了很多的方法才培養(yǎng)出來。”團(tuán)隊(duì)成員劉渝城坦言。

“這種團(tuán)結(jié)協(xié)作、聯(lián)合攻關(guān)的精神是劉老師一直倡導(dǎo)的，他認(rèn)為科研領(lǐng)域廣闊無邊，在研究的過程中肯定會有很多未知的因素，不是所有的想法通過努力都能達(dá)到預(yù)期的效果，但是遇到困難，一定要堅(jiān)持，不要放棄，成功往往就在前方的拐角處。”楊棟如此言之。

閆俊青坦言：“研究團(tuán)隊(duì)取得這樣的成績，劉生忠老師把握方向，指導(dǎo)有方是關(guān)鍵。他經(jīng)常強(qiáng)調(diào)，開展科研工作關(guān)鍵是選好方向，同時要與實(shí)踐相結(jié)合，注重成果的實(shí)用性，還需要持之以恒的鉆研精神。我覺得劉老師跟其他研究生導(dǎo)師的最大不同就是對獨(dú)立性要求很高，遇到問題他會給你一個方向，讓你自己去尋找解決辦法。我認(rèn)為這種教育指導(dǎo)方法對于研究生來說是最好的，因?yàn)檠芯可欢ㄒ獙W(xué)會思考、要能學(xué)到自己的東西。”

夙夜匪懈 心系國家

對陜西師范大學(xué)來說，劉生忠是一個標(biāo)志性人物，更是一位具有傳奇色彩的老師。劉生忠出生在寧夏回族自治區(qū)平羅縣一個小山村。1979年，16歲的劉生忠憑借優(yōu)異的成績考入陜西師大化學(xué)系。在這里他結(jié)識了許多良師益友，這些也成為他日后選擇回母校工作的一個重要因素。1986年獲蘭州大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位，1989年，他以優(yōu)異成績考取了美國西北大學(xué)物理化學(xué)專業(yè)博士研究生，并獲得全額獎學(xué)金。1992年，他進(jìn)入美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory，簡稱ANL)開展博士后研究工作。2010年，考慮到祖國發(fā)展的需要，加上自身回國的強(qiáng)烈愿望和時任陜西師大校長房喻教授的熱情邀請，他毅然放棄國外優(yōu)越的生活和工作條件，回到母校工作。

劉生忠的研究領(lǐng)域集中在納米材料、薄膜材料、太陽能光伏材料、電光薄膜的電化學(xué)沉積、激光表面處理和光伏技術(shù)的開發(fā)、放大和生產(chǎn)。他的部分研究成果在美國《科學(xué)》、英國《自然》等著名期刊上發(fā)表，他的發(fā)明成果曾獲“世界最佳發(fā)明獎”(也被稱為“發(fā)明家的奧斯卡獎”)，1998年入選“世界科學(xué)家工程師名人錄”，2011年入選國家“千人計(jì)劃”。

“回國這幾年，學(xué)校投入了充裕的研究經(jīng)費(fèi)，對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，我和我的團(tuán)隊(duì)也取得了一些成績。”劉生忠平靜地說。

據(jù)了解，近幾年劉生忠在SCI期刊發(fā)表30多篇論文，其中，Advanced Materials的一篇文章成為該期刊連續(xù)三個月“閱讀最多的論文”，EES也將該文章選為“Hot Paper”;在獲得專利方面，他申請了包括一種毫米長石墨烯帶的制備方法、一種硅系太陽能電池和其制備方法與制備裝置以及其表面結(jié)構(gòu)等8項(xiàng)國家專利。在承擔(dān)科研項(xiàng)目方面，承擔(dān)中央高校項(xiàng)目兩項(xiàng)，參與教育部項(xiàng)目一項(xiàng)，承擔(dān)了陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限公司的重大開發(fā)項(xiàng)目“高性能、低成本透明導(dǎo)電膜技術(shù)研究”，并與黃河電力投資有限公司合作了“新型太陽能光伏材料”項(xiàng)目等。同時，作為主要負(fù)責(zé)人，組織申報(bào)的陜西省能源新技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室也剛剛獲批立項(xiàng)建設(shè)。該實(shí)驗(yàn)室將以光電能源材料設(shè)計(jì)制備及器件應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)為核心，重點(diǎn)圍繞光伏、儲能、光電轉(zhuǎn)化等相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域開展光電高效轉(zhuǎn)化與利用等研究，建設(shè)高水平光電能源材料開發(fā)及應(yīng)用創(chuàng)新平臺及人才培養(yǎng)基地，為推動陜西省新能源材料與器件化技術(shù)進(jìn)步和成果轉(zhuǎn)化提供技術(shù)支撐。

潮平兩岸闊，風(fēng)正一帆懸。談到未來，劉生忠更是信心滿懷，表示將加倍努力，把實(shí)驗(yàn)室建設(shè)好、利用好，把科研團(tuán)隊(duì)建設(shè)好，繼續(xù)深入研究解決大塊單晶對環(huán)境敏感產(chǎn)生的穩(wěn)定性問題，提高太陽能電池的應(yīng)用性，為緩解我國的能源危機(jī)貢獻(xiàn)自己微博的力量。與此同時，把陜師大的新材料、新能源研究提升到一個世界領(lǐng)先的水平。