西工大取得柔性光伏材料制备关键技术突破

　　2017年，在黄维的牵头下，西北工业大学柔性电子研究院成立。2020年，在研究院的基础上，西北工业大学柔性电子前沿科学中心成立。短短几年，该研究院围绕柔性显示、柔性储能、柔性传感等领域的基础科学和关键技术问题，取得一系列重大突破。
　　科研人员进行柔性光伏材料相关试验。
　　应用新技术，科研人员制备出柔性光伏电子器件。
　　柔性电子技术是将有机、无机或者有机无机复合材料沉积在柔性基底上，形成以电路为代表的电子元器件及集成系统的新兴交叉科学技术
　　柔性电子具有轻、柔、薄、透等特性，可以和其他东西共形，极大扩展了电子器件的适用范围
　　柔性电子技术应用广泛，可与多学科深入交叉融合，进而引领信息科技、健康医疗、航空航天、先进材料等领域的创新变革
　　应用柔性电子技术可在室温条件下制备出钙钛矿太阳能薄膜电池，产品更便宜、更轻薄、更环保、稳定性更高，太阳能转化效率可以达到24。1
　　如果建筑外墙、无人机，甚至服装、鞋帽，能用上柔软轻薄的太阳能光伏材料，万物互联与交互的障碍或将消除，真正的智能生活将开启。
　　柔性电子技术不断发展使之成为可能。西北工业大学柔性电子研究院黄维院士团队宋霖教授课题组解决了传统方法制备柔性太阳能光伏材料的关键难题，使新型薄膜太阳能电池向量产又迈进一步。
　　什么是柔性电子技术，有何应用前景？新型薄膜太阳能电池是如何制备的？在这一新兴交叉学科，如何做科研？7月16日，在西北工业大学柔性电子前沿科学中心，记者采访了宋霖及课题组成员。
　　硬核的柔性电子
　　柔性电子技术被认为是一场颠覆式的电子技术革命。
　　中国科学院院士、西北工业大学柔性电子前沿科学中心首席科学家黄维这样为其定义：柔性电子技术以柔性材料为基础、柔性电子器件为平台、光电技术应用为核心，是一类在物理学、化学、材料科学与工程、力学、光学工程、生物学、生物医学工程、基础医学等学科高度交叉融合基础上形成的颠覆性科学技术。通俗地讲，柔性电子技术就是将有机、无机或者有机无机复合材料沉积在柔性基底上，形成以电路为代表的电子元器件及集成系统的一门新兴交叉技术。
　　柔性电子具有轻、柔、薄、透等特性，这些特性使得它可以和其他东西共形，极大扩展了电子器件的适用范围。因此，柔性电子技术应用广泛，可与人工智能、材料科学、物联网、空间科学、健康科学、能源科学和数据科学等学科深入交叉融合，进而引领信息科技、健康医疗、航空航天、先进材料等学科的创新变革，是真正的‘硬核’技术。宋霖介绍。
　　例如，在航空航天领域，通过材料的变革，为航天器或飞行器减重一直是科研人员努力的一个方向。对于火箭、航天飞船等航天器来说，主体常常使用高密度材料以保证自身坚固，结构重量无法减轻。想要减轻其重量，科研人员只能从飞船内的仪器设备入手。目前世界各国主要载人飞船的重量都在20吨左右，除去防火外衣和结构重量，各类电子设备依然达数吨重。如果将仪表盘、操纵杆、按钮等替换为柔性电子器件，就能够大幅减轻设备重量。宋霖说。
　　世界各国都在积极布局这项具有颠覆性的前沿技术。我国在这一领域产生了大量原创性成果，一定程度上引领该领域的发展方向。黄维是国际上最早一批从事柔性电子技术研究并长期活跃在该领域前沿的世界顶尖学者。20世纪90年代初，他开始致力于物理、化学、材料等多个学科交叉融合发展起来的国内的柔性电子学研究。
　　一方面，我们坚持做‘顶天’的理论研究，希望在这一新兴学科取得更多原创性的理论突破，支撑学科不断发展；另一方面，我们坚持‘立地’面向市场需求，做‘有用’的科研，推动科研成果不断落地转化。宋霖说。
　　室温印刷出光伏材料
　　在西北工业大学柔性电子器件制备实验室，记者目睹了一种柔性太阳能光伏材料的诞生：研究人员用滴管滴了几滴溶液在一台仪器的器皿中，两三分钟后，一张大约一平方厘米的钙钛矿薄膜就生成了。
　　在室温环境下，制备出钙钛矿太阳能薄膜电池是宋霖所在的西北工业大学柔性电子研究院塑料电子研究所取得的一项突破性成果。塑料电子是柔性电子的核心组成部分。我们从具有本征柔性的塑料电子材料及器件出发，研究塑料电子材料的光电性质、薄膜凝聚态行为、载流子的动力学和界面的动态力学等关键科学问题，开发溶液和薄膜加工技术及器件制备工艺，发展柔性塑料电子器件与系统。宋霖介绍。对柔性钙钛矿光伏器件的研究，是该研究所面向国家发展和社会需求，推动柔性电子技术落地的一个方向。
　　铅卤钙钛矿是10多年前发现的一种新材料，可用于太阳能发电。相比传统太阳能电池板中使用的硅晶体，钙钛矿光伏材料不仅更便宜、更轻薄、可变形，同时更环保。但是，这种材料由于结构不稳定，很难实现在空气中合成，极大地限制了其大规模应用。
　　我们团队合成了一种新型离子液体溶剂，可以替代传统有机溶剂，实现了在室温条件下‘印刷’出稳定的钙钛矿太阳能薄膜电池。该课题组成员冉晨鑫副教授进一步介绍，用这种方法制备的钙钛矿太阳能薄膜电池，厚度仅有300纳米，是头发丝的二百分之一，不仅稳定性高、制备简单，还提高了光电转化率，太阳能转化效率可以达到24。1，比传统方法提高了两个百分点。
　　2021年3月27日，该成果论文刊发在国际顶级期刊《科学》上，被认为是解决了钙钛矿光伏材料制备的痛点，为太阳能电池的生产提供了更多可能。
　　关键制备问题的解决，为钙钛矿光伏材料的大规模应用创造了条件。功能导向、择优设计、绿色无毒、稳定高效的离子液体钙钛矿光伏技术将有力推动光伏技术快速发展。可以预见，钙钛矿光伏技术将会被应用在柔性可穿戴装备、智能窗、无人机系统、航天器等重要领域。宋霖介绍，目前团队正在同西北工业大学相关团队合作，推动钙钛矿光伏技术在无人机等领域的应用。
　　在取得柔性光伏材料重大突破的基础上，塑料电子研究所面向新一代信息显示、生化传感、健康医疗、军事科学、空间技术、能源和环境的可持续发展，聚焦柔性照明与显示、柔性能源催化等领域的关键科学问题和核心技术，开展塑料电子材料与光电器件、高分子能源转化与存储、塑料电子器件机制与集成系统的研究，最大限度地探索塑料电子在柔性领域的更多可能性。
　　面对未知，迎接挑战
　　柔性电子学是在多学科高度交叉融合基础上产生的一门新兴学科。这不仅意味着研究领域的交叉融合，也意味着更多的未知和挑战。
　　新兴学科的科研和人才培养，需要打破传统，鼓励自由探索。宋霖介绍。2018年，32岁的他在德国完成博士后的科研课题后，加入了西北工业大学柔性电子研究院。宋霖是物理专业出身，来到研究院后，他深刻体会到了不同学科背景下的思想碰撞，对激发创新的重要性。柔性电子是集化学、物理、材料、生命、电子、计算机等多学科高度交叉融合的研究方向，研究院教师学科背景多样，大家在讨论中，开拓了思路，激发了创新的活力。他说。
　　从做科研到带团队，宋霖身体力行，鼓励学生自由探索每天不管多忙，都会到实验室询问学生的实验情况，帮助学生解决问题；每周一次雷打不动进行学术分享，大家各抒己见、思想碰撞。多试几次！不着急、慢慢来！这些都是团队成员最常听到的鼓励。
　　在宋霖团队，心情不好身体不舒服都是可以不做实验的正当理由。但是，好奇心求知欲却让团队成员废寝忘食地待在实验室，静静等待着一次又一次实验结果。几乎95的实验都是失败的，我们的研究就是在不断试错中积累经验，然后向成功迈出一小步。宋霖说。
　　在新一轮科技革命和产业变革中，柔性电子技术将为我国自主创新带来重要战略机遇。我们将在这一领域不断攀登，寻求重大理论突破，努力产出更多引领性原创成果，为我国科技自立自强贡献力量！宋霖表示。
　　记者张梅文图
　　什么是柔性电子技术？
　　柔性电子英文名为FlexibleElectronics，是一种技术的通称。这种电子设备在一定范围的形变（弯曲、折叠、扭转、压缩或拉伸）条件下仍可工作。
　　柔性电子可概括为是将有机无机材料电子器件制作在柔性可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术，以其独特的柔性、延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛的应用前景，如柔性电子显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板等。
　　柔性电子技术是行业新兴领域，它的出现不但整合电子电路、电子组件、材料、平面显示、纳米技术等领域技术外，同时横跨半导体、封测、材料、化工、印刷电路板、显示面板等产业，可协助传统产业，如塑料、印刷、化工、金属材料等产业的转型。已成为世界多国和跨国企业竞相发展的前沿技术。美国、欧盟、英国、日本等相继制定了柔性电子发展战略并投入大量科研经费，旨在未来的柔性电子研究和产业发展中抢占先机。