服務熱線
18194072850

走進新能源材料與器件研發新時代——記半導體材料與器件專家、深圳大學范平教授

時間:2018-07-31

范平教授


范平教授團隊

他是材料物理研究方面的資深專家,有著豐富的理論和實踐經驗,在半導體材料與器件特別是薄膜半導體材料與器件的研究領域有著豐富的積累。

他是深圳市先進薄膜與應用重點實驗室主任、深圳大學薄膜物理與應用研究所所長、薄膜物理與技術交叉學科帶頭人……在這些光鮮亮麗的頭銜背后,是范平教授數十年如一日的勤懇和踏實,他成為了一位刻苦鉆研的學者,一名敬業愛崗的科學家。

正是這種求實的態度,幫助范平在高新技術研究和科技產業化的沃土上收獲頗豐,成為我國卓有成績的材料界攻堅能手。

1979年,范平考入浙江大學物理系,自此,瑰麗神奇的物理世界大門在他面前徐徐打開。1985年起,他執教于深圳大學應用物理系,現為深圳大學物理與能源學院院長、教授。2002年到2005年,他在中國科學院研究生院(上海光學精密機械研究所)光學工程專業讀博的經歷,拓展了他的研究視野和眼界,使得他將研究目光聚焦于薄膜半導體材料與器件領域。

至此,在這一陣地范平已經耕耘了三十個春秋,取得了一系列有著廣泛應用前景的研究成果,不斷地書寫著新材料研發的傳奇。

理論創新,傲立國際舞臺

時間巨輪永不停歇,科學技術飛速發展,在探索新能源材料與器件研發的征途上,新的發現不斷涌現,新的觀點在探索中脫穎而出。

熱電材料是一種能將電能和熱能相互轉換的功能材料,具有綠色環保的優點,而熱電材料薄膜化不僅能夠通過低維結構調控其熱電特性,且能與目前的微半導體器件工藝兼容,具有廣泛的應用前景。

而直至2012年,國內在熱電薄膜材料和器件研究方面仍處于起步階段。范平及其課題組自2009年開始采用具有產業化特性的物理氣相沉積技術,研發傳統Bi-Sb-Te體系及新型Zn-Sb、Co-Sb等體系的熱電薄膜,并探索其相關物理機制。

熱電材料的應用主要通過熱電器件來實現。范平經過近10年的不懈探索,最終研制成功一種新型雙面膜結構的薄膜熱電發電器(薄膜溫差電池)。該結構不管在電極的制備連接上,還是在器件的封裝上,都較傳統結構的薄膜溫差電池更容易實現,為高性能熱電薄膜的產業化規模生產奠定了堅實的基礎。

課題組采用此結構在柔性襯底上進一步成功研制出具有更廣泛應用領域的柔性薄膜溫差電池,制備出轉換效率達12.3%的單體電池與轉換效率大于10%的電池組。該電池各項性能指標均達到國際領先水平,不僅能在低溫差條件下提供足夠高的電壓,且壽命長,耗材少,制作成本低,符合工業生產的需要,在民用、軍用等多個領域均具有廣闊的應用前景。

范平目前多項熱電薄膜及器件制備的創新技術成果,已獲得了中國、美國、歐盟和日本等多個國家和地區發明專利授權,相關器件的研究結果分別于2013、2015年發表于物理學領域重要期刊《應用物理快報》上,獲得了國內外同行的高度認可。

基礎理論的研究、科技的不斷創新為產業的發展插上了“翅膀”,范平在熱電薄膜材料和器件領域,憑借敏銳的視角、前沿的創新,為新材料產業核心能力提升夯實了基礎,讓產業發展不再成為空話,一步步邁出了穩健步伐。

克難攻堅,助力企業發展

作為一名科研人員,人生的最高追求是什么?

就是國家的需要?!皣矣行枨缶蛻撊プ?!”這是范平經常說的一句話。作為一名學者,他雖有不少時間隱居于科研院所的高樓深院,潛心于各種精密細致的理論探索與科學實驗,但他還擠出更多時間走向企業,面向生產,奔赴現場,為產業發展出謀劃策。

在新型溫敏探頭的設計及制備方面的實踐就是一個典型案例。隨著科技水平的發展,人們對于溫度傳感器,超小體積、超快速測量、特殊測試環境及特殊安裝方式的應用需求越來越迫切,然而,傳統的溫度傳感器都存在體積大、耗材多、熱容量大、響應速度慢等問題。

范平創新性地采用超薄又柔軟的基底材料和薄膜化的熱電極材料,克服了薄膜熱電極材料在高溫下易氧化及薄膜熱電極與輸出導線之間的連接工藝兩大技術難題,完成了新型溫敏探頭的開發。新探頭具有優越的響應特性和應用靈活性,可將熱流傳感器和溫度傳感器,以及其他相關傳感器集成在一個芯片上。目前,“溫敏探頭及其制作方法”已獲得我國發明專利的授權,為下一步的產業化應用提供了良好條件。

通過自主設計,范平課題組還成功開發出了一款可同時滿足熱電薄膜及塊體材料的“Seebeck系數測試儀”。

目前熱電材料研究領域主流的兩大測試設備都是為熱電塊體材料設計的,測試精度難以得到保證,且測試難度大、時間長,設備昂貴。范平課題組研發的樣機采用了分離式探針結構,保證了各個參量測量的準確性;采用了雙重加熱模式,可極大減少溫度穩定時間,提高測量效率;該儀器也具備了測量熱電薄膜器件輸出特性的模塊,實現了薄膜材料到器件測量的一體化集成;測量精度可與現有設備相比肩,但制造價格僅為同款設備的一半,這無疑大大填補了國內的技術空白,具有廣闊的市場前景。

同樣的,他們針對傳統結構熱電式激光功率探頭的體積大與應用靈活性差的問題,研發出了熱電堆方向與激光方向平行的平行式熱電激光功率探頭,該探頭采用新的結構,體積小、應用靈活,響應速度達到了國際水平。目前,激光測量市場被國際三大廠商的傳統結構功率計占領,該項技術很好地填補了國內的技術空白,5瓦的激光功率探頭,其體積僅為傳統結構功率探頭的十五分之一,可集成在各種自動化設備中,滿足工業自動化需求。相關產品已完成中試與試用,不久將推向市場。

這些實踐,踐行了范平“不斷創新,解決實際難題”的科研精神,見證了范平將基礎理論研究與工業實際應用相結合的不懈嘗試,進一步加強了材料的應用研究和產品化開發力度。

而他,為成績欣慰,也為未來思考,尋找著一個又一個新的破冰點。

探索未來,聚焦“今日之光”

當前,從世界能源的開采和使用情況來看,一次性能源正面臨枯竭的危險,節能與環保是人類面臨的嚴重問題。因此,重視太陽能等再生能源的研究與開發成為世界能源領域的發展方向。我國大部分地區太陽能資源豐富,作為永久性潔凈能源,太陽能技術有著獨特的發展魅力和無限的發展空間。

如何使“今日之光”的太陽能產業盡早實現大規模利用?范平沒有停止自己的理論創新與探索。

太陽能溫差發電技術是一種利用太陽能的新型發電方式。國內太陽能光熱發電技術研究較晚,特別是太陽能溫差發電技術的研究,主要停留在理論及實驗的階段。

范平提出“利用太陽能聚熱結合溫差發電模塊化組合方式改變發電機組的容量”的大膽設想,帶領課題組研發出一種利用太陽能熱發電的“太陽能聚熱溫差發電系統”。通過采集太陽光的熱能,再利用溫差發電機將熱能轉換成電能,結構簡單、綠色環保、可靠性高。通過余熱存儲技術,可以將高峰期多余熱源保存起來,用在低峰期發電,提高發電效率。

并且,他們積極進行了產業化探索,與企業合作建立起1.2千瓦的太陽能聚熱發電系統示范工程。正在開展的10千瓦溫差發電機組示范工程項目,預期將于年內完成。

同時,在新型薄膜太陽電池材料和器件制備技術的開發方面,范平有著更多前瞻性的思考。他們采用與半導體(Si基太陽電池)生產工藝兼容性高的全真空物理氣相沉積薄膜技術,通過研究薄膜材料的生長和調控機理以及界面耦合等相關科學問題,最終研制出低成本、高效和性能穩定的薄膜太陽電池。提出并實現單源熱蒸發沉積技術,制備出高質量鈣鈦礦CH3NH3PbI3薄膜材料,直接制備出具有良好配比的單相薄膜,并基于單源熱蒸發法首次制備出CH3NH3PbI3薄膜太陽電池。

這一項項成果,將范平心中的太陽能世界漸漸勾勒清晰。

做科研需要挖井精神,需要持之以恒。只有深入的挖掘和持續的探索,堅持工匠精神,才會挖出水或金子,甚至是鉆石。正是憑著這樣一種執著的精神,范平一路走來,碩果累累。他以第一作者或通訊作者在《應用物理快報》《科學報告》等國內外主要專業期刊上已發表論文80余篇,被SCI收錄60余篇。獲得美國、歐盟和日本等國家授權發明專利7項,國內發明專利授權11項、實用新型專利3項。

面對這些成績,范平沒有止步,而是繼續全力向新材料與器件應用領域進軍,并且以他對事業的執著追求,以他樸實嚴謹的科學精神,帶領其科研團隊攻克了一個又一個科研難題。

十年磨一劍,只待今朝問鼎時。我們已經走進了新能源材料與器件的研發的新時代,而這將會讓更多人獲得幸福。對未來,我們和范平一樣充滿了希冀。

腾讯分分彩最新漏洞