[科学技术]走进新能源材料与器件研发新时代——记半导体材料与器件专家、深

范平教授团队

张玉强

他是材料物理研究的资深专家，具有丰富的理论和实践经验，在半导体材料与器件，尤其是薄膜半导体材料与器件的研究领域有着丰富的积累。

他是深圳先进薄膜与应用重点实验室主任，深圳大学薄膜物理与应用研究所所长，薄膜物理与技术学科带头人...在这些光鲜的头衔背后，范平教授几十年来一直勤奋务实，他已经成为一名努力学习的学者和热爱自己工作的科学家。

正是这种求实的态度，使范平在高科技研究和科技产业化的沃土上收获良多，成为中国材料领域的杰出专家。

1979年，范平被浙江大学物理系录取。从此，宏伟神奇的物理世界的大门在他面前缓缓打开。1985年起任教于深圳大学应用物理系，现为深圳大学物理与能源学院院长、教授。2002年至2005年，他在中国科学院研究生院(上海光学与精细力学研究所)攻读光学工程博士学位，拓宽了他的研究视野，使他专注于薄膜半导体材料与器件领域。

至此，范平培育了30年，取得了一系列具有广阔应用前景的研究成果，不断书写新材料研发的传奇。

理论创新，国际舞台骄傲

时间之船永不停息，科技飞速发展。在探索新能源材料和装置的旅途中，新的发现不断涌现，新的想法在探索中脱颖而出。

热电材料是一种能将电能和热能相互转化的功能材料，具有环保的优点。热电材料薄膜不仅可以通过低维结构调节其热电特性，还可以兼容当前的微半导体器件技术，具有广阔的应用前景。

直到2012年，国内对热电薄膜材料和器件的研究还处于起步阶段。自2009年以来，范平和他的研究小组采用工业物理气相沉积技术开发了传统铋锑碲体系和新的锌锑钴锑体系的热电薄膜，并探索了它们的相关物理机制。

热电材料的应用主要通过热电器件来实现。经过近10年的不懈探索，范平终于研制出了一种新型的双膜结构薄膜温差发电器(薄膜温差电池)。无论是电极的制备和连接，还是器件的封装，这种结构都比传统的薄膜热电电池结构更容易实现，为高性能热电薄膜的工业化规模生产奠定了坚实的基础。

利用这种结构，课题组在柔性衬底上成功研制出应用领域更广的柔性薄膜热电电池，制备出转换效率为12.3%的单电池和转换效率超过10%的电池组。该电池各项性能指标达到国际领先水平，不仅能在低温差条件下提供足够高的电压，而且使用寿命长、耗材少、制造成本低，满足工业生产的需要，在民用和军事领域具有广阔的应用前景。

目前，范平在制备热电薄膜和器件方面的许多创新技术成果已在中国、美国、欧盟、日本等国家和地区获得发明专利。相关器件的研究成果分别发表在物理领域重要期刊《应用物理快报》2013年和2015年，得到国内外同行的高度认可。

基础理论的研究和科技的不断创新为产业的发展插上了“翅膀”。凭借在热电薄膜材料和器件领域敏锐的视角和前沿的创新，平帆为提升新材料产业的核心竞争力奠定了坚实的基础，使产业发展不再成为“/きだよ 0”，并一步一步稳步前进。

克服困难，帮助企业发展

作为研究者，人生的最高追求是什么？

是国家的需要。“国家有需求，就应该去做！”这是范平常说的一句话。作为一名学者，他虽然在科研院所高层建筑的深院中隐居了很长时间，潜心于各种精密的理论探索和科学实验，但也挤出更多的时间去企业，去面对生产，去现场为产业发展建言献策。

设计和制备新型温度敏感探头的实践就是一个典型案例。随着科学技术的发展，人们对温度传感器的应用有越来越迫切的需求，如超小尺寸、超快速测量、特殊的测试环境和特殊的安装方法。然而，传统的温度传感器存在体积大、耗材多、热容量大、响应速度慢等问题。

范平创新性地采用超薄软基材和薄膜热电材料，克服了薄膜热电材料在高温下易氧化和薄膜热电与输出线连接过程中的两个技术难题，完成了新型温敏探头的研制。新型探头具有优越的响应特性和应用灵活性，可以将热流传感器、温度传感器等相关传感器集成在一个芯片上。目前，“感温探头及其制造方法”已获得中国发明专利授权，为下一步的工业应用提供了良好的条件。

通过独立设计，范平的研究小组还成功地开发了一种塞贝克系数测试仪，既能满足热电薄膜，又能满足大块材料。

目前，热电材料研究领域的两种主流测试设备都是针对热电块体材料设计的，测试精度难以保证，测试难度大、耗时长、成本高。范平课题组研制的样机采用分离式探头结构，保证了各项参数测量的准确性；采用双加热方式，可大大减少温度稳定时间，提高测量效率；该仪器还具有测量热电薄膜器件输出特性的模块，实现了薄膜材料与器件测量的一体化，测量精度可与现有设备相比，但制造价格仅为相同设备的一半，这无疑极大地填补了国内技术空空白，具有广阔的市场前景。

同样，针对传统热电激光功率探头尺寸大、应用灵活性差的问题，他们开发了热电堆方向与激光方向平行的平行热电激光功率探头。探头采用新型结构，体积小，应用灵活，响应速度达到国际水平。目前激光测量市场被国际三大厂商的传统结构功率计占领。该技术已经很好地填补了国内技术空白光5瓦激光功率探头的空白，其体积仅为传统结构功率探头的十五分之一，并且可以集成到各种自动化设备中，满足工业自动化的要求。相关产品已经过测试，近期上市。

这些实践实践了范平“不断创新、解决实际问题”的科研精神，见证了范平将基础理论研究与工业实际应用相结合的不懈尝试，进一步加强了材料的应用研究和产品开发。

而他，对自己的成就感到欣慰，也为未来着想，一个接一个寻找新的破冰点。

探索未来，聚焦“今日之光”

目前，从世界能源的开发和利用来看，一次性能源面临枯竭的危险，节能和环保是人类面临的严重问题。因此，重视太阳能等可再生能源的研究和开发已成为世界能源领域的发展方向。中国大部分地区太阳能资源丰富。太阳能技术作为一种永久性清洁能源，具有独特的发展魅力和无限的发展空间。

如何让“今日之光”的太阳能产业尽快实现规模化利用？范平没有停止他的理论创新和探索。

太阳能热电发电技术是一种利用太阳能的新型发电方法。我国对太阳能热发电技术的研究起步较晚，尤其是对太阳能热发电技术的研究，主要停留在理论和实验阶段。

范平提出了“通过太阳能集热和热电发电的模块化组合来改变发电机组的容量”的大胆设想，并带领研究小组开发了利用太阳能热发电的“太阳能集热热电发电系统”。热电发电机通过收集太阳光的热能，将热能转化为电能，结构简单，环保，可靠性高。通过余热储存技术，可以将高峰时期的剩余热源节约下来，用于低高峰时期的发电，从而提高发电效率。

此外，他们积极探索产业化，与企业合作建立了1.2千瓦太阳能热发电系统示范项目。正在进行的10千瓦热电发电机组示范项目预计将于今年内完成。

与此同时，范平在新型薄膜太阳能电池材料和器件制备技术的开发上有更具前瞻性的思考。他们采用了与半导体(硅基太阳能电池)生产工艺高度兼容的全真空物理气相沉积薄膜技术，通过研究薄膜材料的生长和调控机理以及界面耦合等相关科学问题，最终研制出低成本、高效率、性能稳定的薄膜太阳能电池。提出并实现了单源热蒸发沉积技术，制备了高质量的钙钛矿ch3nh3pbi3薄膜材料，并直接制备了具有良好配比的单相薄膜。基于单源热蒸发法首次制备了ch3nh3pbi3薄膜太阳能电池。

这一成就逐渐勾勒出了范平心目中的太阳能世界。

做科研需要打井精神和毅力。只有深挖，不断探索，秉承匠人精神，才会挖出水或金，甚至DIA。正是本着这种坚持不懈的精神，范平取得了丰硕的成果。作为第一作者或通讯作者，在国内外主要专业期刊发表论文80多篇，如《应用物理快报》、《科学报告》，sci收录论文60多篇。获得美国、欧盟、日本授权的发明专利7项，中国授权的发明专利11项，实用新型专利3项。

面对这些成就，范平没有止步，而是继续全力进军新材料和新器件的应用领域。他以自己对事业的执着追求和朴素严谨的科学精神，带领研究团队攻克了一个又一个科研难题。

十年磨一剑，今日才得。我们已经进入了一个新能源材料和器件研发的新时代，这将让更多的人感到幸福。我们和范平一样对未来充满希望。