近日，在陜西師范大學“千人計劃”特聘教授劉生忠?guī)ьI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隊利用升溫析晶法，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)，期刊主編撰寫亮點文章評論，對該項給予高度評價。其評論指出：“單晶材料是現(xiàn)代半導體工業(yè)、電子工業(yè)和光電工業(yè)的基礎，具有優(yōu)良性能的鈣鈦礦單晶材料有可能實現(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)電技術可以直接將太陽光的能量轉換成電能，可以實現(xiàn)與當前供電網(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域應用，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一種廣泛應用的技術。這主要歸因于太陽能電池技術成本的降低和人類對能源供給認識的提高。盡管太陽能發(fā)電技術的成本已經(jīng)有了大幅的降低，但較其他能源供給的價格還是偏高。開發(fā)出轉換效率高、發(fā)電成本低的太陽能電池器件是人類一直追尋的目標。

2013年，美國《科學》(Science)雜志評出年度十大科學突破，其中一項就是鈣鈦礦太陽能電池。研究發(fā)現(xiàn)，具有鈣鈦礦晶體結構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，在光伏材料、激光材料和發(fā)光材料等方面具有極大應用價值，成為國際上極為重要的研究熱點材料之一。目前，經(jīng)過NREL認證的鈣鈦礦太陽電池光電轉換效率已經(jīng)達到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)光器件在光電領域也顯示廣闊的應用前景。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，成為限制進一步提高其太陽能轉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合問題就成為攻克難題的關鍵。

針對這些問題，劉生忠科研團隊從2014年9月份始不間斷地開展實驗研究，進行艱難的奮力探索。“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晶質量、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。

團隊成員楊周說，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換效率。

據(jù)介紹，團隊當前正致力于使用器材把晶體應用到生活中，比如作一些LED研究、光學器材研究等。

在項目研究過程中，該團隊除了利用升溫析晶法研制出高質量、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，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，電池效率達到15.07%，把之前的世界紀錄12%提高了25%。主要創(chuàng)新點在于開發(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，刷新了柔性鈣鈦礦薄膜電池的世界紀錄。該成果發(fā)表于Energy&Environmental Science，2015，并被編輯選為“HOT Paper”，其中的主要技術也已申請專利。

三是采用固體接觸反應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)質透明電極材料，經(jīng)過樣品測試，所有性能指標均優(yōu)于國際先進水平。

“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)應用價值。由此，我們可以預想未來在光電、太陽能電池及半導體等領域，超大尺寸的單晶鈣鈦礦材料將會有廣闊的應用前景。”劉生忠介紹。

優(yōu)勢互補 團隊力量

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

在剛組建團隊的時候，劉生忠對成員的選擇主要看重兩個方面：一是發(fā)展?jié)摿Γ惶貏e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。

“我喜歡選跟我不一樣的，如果選一個跟我完全一樣的，我是學化學的，他也是學化學的，我懂他也懂，我不懂他也不懂，那要創(chuàng)新就很難，所以我們研究團隊成員間學科差異是比較大的。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物理學院博士畢業(yè)，主要做鈣鈦礦;閆俊青老師主要負責電池的應用方面，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。”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。團隊成員的專業(yè)方向不同，但關于化學、材料方向的基礎知識都是相通的，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)過查閱大量的文獻后，不斷嘗試了很多的方法才培養(yǎng)出來。”團隊成員劉渝城坦言。

“這種團結協(xié)作、聯(lián)合攻關的精神是劉老師一直倡導的，他認為科研領域廣闊無邊，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到預期的效果，但是遇到困難，一定要堅持，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：“研究團隊取得這樣的成績，劉生忠老師把握方向，指導有方是關鍵。他經(jīng)常強調，開展科研工作關鍵是選好方向，同時要與實踐相結合，注重成果的實用性，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師的最大不同就是對獨立性要求很高，遇到問題他會給你一個方向，讓你自己去尋找解決辦法。我認為這種教育指導方法對于研究生來說是最好的，因為研究生一定要學會思考、要能學到自己的東西。”

夙夜匪懈 心系國家

對陜西師范大學來說，劉生忠是一個標志性人物，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系。在這里他結識了許多良師益友，這些也成為他日后選擇回母校工作的一個重要因素。1986年獲蘭州大學理學碩士學位，1989年，他以優(yōu)異成績考取了美國西北大學物理化學專業(yè)博士研究生，并獲得全額獎學金。1992年，他進入美國阿貢國家實驗室(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、電光薄膜的電化學沉積、激光表面處理和光伏技術的開發(fā)、放大和生產(chǎn)。他的部分研究成果在美國《科學》、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“世界科學家工程師名人錄”，2011年入選國家“千人計劃”。

“回國這幾年，學校投入了充裕的研究經(jīng)費，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，我和我的團隊也取得了一些成績。”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構等8項國家專利。在承擔科研項目方面，承擔中央高校項目兩項，參與教育部項目一項，承擔了陜西煤業(yè)化工技術研究院有限公司的重大開發(fā)項目“高性能、低成本透明導電膜技術研究”，并與黃河電力投資有限公司合作了“新型太陽能光伏材料”項目等。同時，作為主要負責人，組織申報的陜西省能源新技術工程實驗室也剛剛獲批立項建設。該實驗室將以光電能源材料設計制備及器件應用等關鍵技術為核心，重點圍繞光伏、儲能、光電轉化等相關行業(yè)領域開展光電高效轉化與利用等研究，建設高水平光電能源材料開發(fā)及應用創(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進步和成果轉化提供技術支撐。

潮平兩岸闊，風正一帆懸。談到未來，劉生忠更是信心滿懷，表示將加倍努力，把實驗室建設好、利用好，把科研團隊建設好，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用性，為緩解我國的能源危機貢獻自己微博的力量。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先的水平。