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创新科研,为建设美丽中国而努力
发表时间 2017-05-17 09:32 来源 本站原创
  ——记厦门大学能源研究院、物理与机电工程学院陈朝教授   导语:在日常生活中,我们会经常接触到LED、太阳能电池板等光电产品,它们广泛应用于信息、通信、网络、照明、显示、能源、医疗和军工等各个领域,光电技术则是其背后的科技支撑。光电技术是以光电子学为基础,以电子和光子作为信息和能量的载体,实现信息和能量的传输、转换和存储的技术学科。光电行业在近代发展的很快,涉及面也逐渐扩散,在光通讯、光照明、光电显示、光伏发电、光医学、电子工程、物流网等领域发展迅猛,并逐渐融入社会生产和生活。   李克强总理在政府工作报告中强调:“推动形成绿色生产生活方式,加快改善生态环境”和“我们要持之以恒,建设天蓝、地绿、水清的美丽中国”。厦门大学能源学院陈朝教授及其科研团队响应总理的号召,为建设美丽中国而努力,近年来在能源方面,积极发展低能耗、低污染、可再生、清洁的光伏发电;在节能方面,积极推动节能、环保、健康的暖白光LED室内照明。通过多年的努力,陈朝教授在光电领域取得了一系列的重大突破:采用光电集成技术使网络通信的成本下降、速度提升、更加便捷;采用节能、环保和低成本的物理冶金法生产太阳能级多晶硅,生产低成本、高效的晶硅太阳电池,使取之不尽的环保的光伏电能进入千家万户;采用近紫外激发的高效稀土三色荧光粉使白光LED光谱和人眼视感曲线相匹配,进而取代白炽灯进入室内照明,实现照明革命。   陈朝,男,福州市人,1943年生,毕业于厦门大学物理系,先后担任厦门大学物理与机电工程学院、能源研究院教授,厦门大学凝聚态物理、微电子与固体电子学、光伏工程专业博士生导师,2003年10月退休并原职返聘至今,兼任厦门市老科技工作者协会光电委员会主任、全国冶金法太阳能级多晶硅产业技术创新战略联盟学术委员会副主任、福建省和厦门市政府科技顾问、厦门大学留学生同学会常务理事等职。主持和负责过国家自然科学基金项目、国家教委重点项目、国家科委国际合作项目、福建省科委国际合作项目、福建省自然科学基金项目等多项科研任务。先后获得福建省科技进步二等奖、福建省高校科技进步三等奖、厦门市科技进步三等奖,在国内外学术刊物和会议上发表学术论文200多篇,主编俄文学术专著“材料的激光束和离子束改性”在白俄罗斯出版。   精研暖白光LED,市场前景广阔   众所周知,LED具有节能、环保、可靠、简便等许多优点,各国政府都做出了用白光LED进入室内照明,逐步取代白炽灯、日光灯和节能灯的决定。但当前市场上的白光LED,由于采用蓝光(465nm)激发黄色荧光粉(550nm,YAG:Ce3+)而合成白光的模式,造成蓝光成分太多、红光成分太少、色温高(约6000K)、显色指数较低(小于80)等缺点,属于冷白光,不适合于室内照明,尤其是泄漏出的蓝光将损害人眼、刺激神经,造成生理和心理的伤害。这样就出现了十分尴尬的局面:一方面为了节能、减排,迫切需要白光LED进入室内照明,另一方面当前白光LED可能损伤人体又不适合于室内照明。

陈朝厦大能源学院
  为了解决这个难题,必须用暖白光来替代冷白光,实现室内照明。人们提出了许多方案,其中最好的方案是用近紫外光激发三基色荧光粉,再合成暖白光。但该方法遇到了近紫外线激发三基色荧光粉效率低、激发波长难统一的难题,长期没有实质性进展。陈朝研究团队经过十几年的不断努力,终于在2014年获得突破性进展(论文发表在JMCC,2015.3.11219),利用稀土离子的4d-5f跃迁的特点,自主研发了用紫光LED激发的红蓝绿高效三基色磷酸盐基和硼酸盐基荧光粉,并获得4件授权发明专利。他们用紫光LED芯片激发这些三基色荧光粉可获得暖白光,其色温降为3500K以下、显色指数高达90以上、色坐标在0.35左右、性能可靠、基本没有蓝光和紫光泄漏,完全符合室内照明的要求。虽然目前其发光效率略偏低,但也超过82 lm/W,还有很大的提升空间;相信经过努力,暖白光LED的发光效率不久将会超过100lm/W,进入产业化。   必须指出的是“近紫外激发三基色荧光粉暖白光LED”技术方案的成功和推广将带动整个LED照明产业链的发展并达到降低白光LED的成本,有利于节能减排。这是因为:①该方案用的LED芯片是近紫外光(NUV)350-405nm波段,采用InxGa1-xN/GaN/α-Al2O3材料,其中铟(In)的含量要比常规的蓝光LED(465nm)的铟少很多,大批量生产后近紫外LED芯片的成本要比蓝光LED芯片成本便宜;②该方案的三基色荧光粉的基质采用磷酸盐或硼酸盐,其合成的温度约900℃左右,要比黄色荧光粉合成温度(1500℃左右)低得多,能耗大大降低;③该方案的激发光是近紫外光,不参加白光的合成,所以可靠性和颜色均匀性要比增红的暖白光LED(在冷白光LED上添加红色荧光粉后变成暖白光)要好得多。该方案采用低铟的InxGa1-xN/GaN/α-Al2O3外延片为衬底、以350-405nm 近紫外光LED芯片为激发光源、用硼酸盐和磷酸盐为基质低温合成并掺入稀土为荧光粉、以抗紫外线辐照的塑胶为粘合剂,封装成适合于室内照明的暖白光LED。它在常规白光LED设备和产业链的基础上完全改变了工艺和参数(原来的工艺路线是高铟外延、蓝光芯片、高温合成的荧光粉封装),投资少,高效明显,将引起白光LED产业的第二次革命。   此外,要说明的是该技术方案和2014年诺贝尔奖获得者中村修二(Nakamura)的方案不谋而合。他在2015年7月24日举行的“GaN掀起的能源革命”的研讨会上明确指出“蓝光激发的白光LED早晚会消失!”这番话,震惊业内外!他同时指出了蓝光泄漏对人体的损伤,介绍了美国Soraa公司用紫光LED激发三基色荧光粉形成白光的技术方案。   陈朝团队目前正在与厦门和台湾的LED厂家合作交流,希望两岸优势互补(台湾近紫外LED产业较发达),合作共赢,实现暖白光LED的产业化,希望把照明领域的节能减排带给人间,并创造更大的经济效益和社会效益。   该项目已于2015年3月完成实验室试验、可靠性检测和产业化的中试阶段,已在国际权威刊物上发表了10多篇SIC收录高水平学术论文。   暖白光LED除了光效暂时略低外,其它指标均优于常规冷白光LED,性能可靠,将广泛应用于室内照明。在后期改进方面,将进一步提高荧光粉光效、改进激发光源紫光LED光效和封装工艺,使其光效超过100 lm/W。方案彻底解决白光LED室内照明难题,其光谱和阳光靠近,安全、节能、可靠,替代白炽灯,具有广阔市场前景。   潜心钻研,取得硕果累累   陈朝教授是我国最早从事冶金法多晶硅材料的研究者之一。当前,晶体硅材料是最主要的光伏材料。冶金法太阳能级多晶硅制备方法具有低成本、低污染和低能耗的优势,在“十二五”期间,陈朝研究团队和宁夏发电集团等单位一起承担了科技部下达的“冶金法制备太阳能级多晶硅关键技术研究及工业示范”研发任务(课题编号:2011BAE03B01,于2014.年12月23日通过科技部验收)。陈朝团队还完成了福建省科技厅下达的省重大专项“低成本多晶硅提纯及其太阳电池的研究开发与产业化”(课题编号:2007HZ005-2,已于2012.06.27通过省科技厅验收)。该项目总共获得授权发明专利14项、实用新型专利1项和软件登记2件,并在国内外期刊上发表学术论文30余篇,转让成果3项。他们一直坚持其后续工作,并取得以下进展:   (1)将发明专利“一种冶金级硅中磷和硼的去除方法”(ZL201010177776.2)转让给陕西“商南中剑实业有限责任公司”进行产业化生产(转让经费¥100万元),已完成了中试工作,即将批量生产;   (2)HIT(带有本征薄层的异质结太阳电池)高效太阳电池是目前可批量生产的效率最高的晶硅太阳电池(用化学法n-型单晶硅为原料,批量生产时光电转换效率为22-23%)。但因n-型单晶硅材料较贵而影响了生产和推广。陈朝研究团队将用冶金法制备的n-型单晶硅片(156x156mm2)委托中国科学院微系统与信息技术研究所刘正兴教授课题组制备成HIT单晶硅太阳电池,结果获得光电转换效率达20.23%、没有光衰减现象的良好效果。这可能是全球第一个用冶金法n-单晶硅制备HIT的试验。陈朝研究团队用实验事实证明了用低成本的冶金法晶体硅也能制备光电转换效率超过20%的高效太阳电池,说服了同行中某些人对冶金法的质量所持的怀疑态度,将大大有利于高效太阳电池的推广和应用。这是因为目前在冶金法工艺的困难在于除磷,既然n-型单晶硅对除磷的要求大大降低,冶金法最适合于n-型硅单晶硅材料的提纯和生长,这样可大大降低n-型单晶硅材料的成本(仅是化学法n-型单晶硅成本的一半以下)。   (3)在“十二五”期间冶金法太阳能级多晶硅制备遗留的难题是采用电子束除磷的成本太高。为了解决这个难题,陈朝研究团队一方面研究钙系造渣技术在除硼的同时也能高效地除磷的可能性,并取得实质性的进展;另一方面陈朝研究团队设计了可连续生产的真空除磷设备,克服了产量和真空度的矛盾。目前这两方面的工作都在顺利进行,希望能彻底解决冶金法除磷的成本较高难题。   此外,陈朝团队在第三代太阳电池的研发工作也取得了一些创新成果,主要是下转换的光伏玻璃、纳米下转换薄膜、下转换太阳电池等,净光电转换效率获得1-3%的提高。他们用激光诱导对单晶硅掺入Ni、Ti、Fe等过度元素杂质,研究在掺杂浓度超过Mott极限下材料的光电性能,探索形成中间带的可能性,分析掺杂机理并制备器件,已取得阶段性进展。

在真空熔炼炉上操作
  成功源于厚积薄发   早在学生时代,陈朝就在厦门大学物理系学习了“无线电电子学”和“半导体物理与半导体器件物理”两个专业;1965年,在导师的建议下,年轻好学的陈朝选择了半导体光电研究方向,这为他后来的发展起到了非常重要的作用。陈朝教授主要研究方向为半导光电材料、器件和应用,涉及信息光电子学、半导体照明和光伏发电等领域。   陈朝教授让人印象深刻的成果完成于1992年~1993年间,当时,他作为高级访问学者,被国家教委公派到加拿大多伦多大学和白俄罗斯大学工作,负责由国家科委下达的、与白俄罗斯科学院电子研究所合作的“用于光纤通信的III—V族多层材料和光电器件的研制”国际合作项目,并设计了InP基单片集成PIN—FET多层材料,在同一片材料上成功研制出性能良好的PIN光电探测器和MISFET放大器。   在这项工作期间,陈朝课题组研制出了高速、低暗电流、高响应度的InGaAs/InP PIN光电探测器芯片,集成了异质结分离、开管扩散、氧化铝抗反射膜等新技术。陈朝教授说,“这个芯片已经进行了TO—46及带尾纤的单管和PIN—TIA结构光电放大器组件封装测试,传输速率为655Mbps~2.5Gbps,已获得‘InGaAs/InP PIN光电探测器及其制造工艺’发明专利。”   2003年3月,由科技部和福建省科技厅组织的验收鉴定认为该工艺达到国际先进水平;2005年,这一工艺获省市发改委80万元经费支持,在校办企业进行了产业化。   荣誉接接踵而至,但是,作为一名科学工作者,陈朝深知自己真正需要的是什么。因此,他并没有因此而对科研工作有丝毫的懈怠,反而对科研工作投入了更大的热情。   陈朝教授课题组于2002年利用正性光刻剥离工艺,在国内首次研制成功新型多动能光控HEMT器件。他说:“该器件可用于光电集成电路,能够探测高频光纤信号并将其放大,是一件具有源头创新特点的产品。”借助国内合作的机会,陈朝完成了材料结构设计、生长和测量、版图设计制备、器件工艺、TO和双列直插型封装、静态和光敏特性测量等工作,并提出能较好描述该器件光敏、放大和微波特性的物理模型,推进了半导体光电材料期间的发展。   锐意创新,助力“光纤到户”   “光纤到户”(FTTH)是国家信息化发展战略的重要一环。目前,石英光纤已经遍布路边和楼前。但是,由于楼内布线多弯曲,石英光纤弯曲后易折裂且光损耗大增;而且石英光纤对接要求高,对接操作困难,安装成本高,从长远来看,人们对新材料的期待值与日俱增。而塑料光纤正好可以充当这个角色——塑料光纤可以任意弯曲,不折裂,不影响光衰减,并且对接容易,操作方便,可以达到降低成本的目的。   陈朝是我国光纤收发器研发领域的先行者。1997年~1999年间,他在国家科委国际合作项目、国家自然科学基金和福建省科委国际合作项目支持下从事计算机网络高效信号传输收发器的研制。经过两年的刻苦钻研,陈朝教授成功研制出“10Mbps、100Mbps光纤收发器”,并达到国家同类产品的先进水平。这一新型收发器在协议芯片的功能开发、防止高频信号相互耦合及实现光电接口转换等方面的设计上具有创新性和先进性,性价比高于目前国际的同类产品,具备较强的市场竞争能力。本项成果已于1999-2000年间转让给厦门企业,获得良好的经济效益和社会效益,并获得2000年厦门市科技进步三等奖和2001年福建省科技进步二等奖。

在宁电集团单晶硅车间
  陈朝教授及团队开始了塑料光纤技术的漫长研究,他们经过长期的刻苦钻研,于2004年成功研发了用于塑料光纤通信的混合集成650nm发射器和650nm的高灵敏度的硅基单片光电集成探测放大器,实现了150Mpbs以上的650nm红光的发射和接收。这款光电集成电路(OEIC)具有成本低、可批量生产、对接封装容易、体积小、频率和带宽高等优点,完全可以取代目前市场上由爱尔兰生产的分立塑料光纤收发器,具有很高的性价比和很强的竞争力。   为了实现高速、宽带、低成本的全光网络通信,突破“最后一公里”的瓶颈,真正实现光纤到户的目标。后来,陈朝教授又致力于塑料光纤通信的新领域研发。他说:“我们采用850nm波长成功实现了点对点通信以及1310nm主干网和850nm局域网的互连,正在努力研发650nm硅基集成塑料光纤收发器芯片。这样不久将有可能实现20Mpbs高速宽带低成本上网。”,2014年该课题组实现了650nm塑料光纤传送的集成收发器点对点通信。此外,陈朝不仅在国内首次研制出用于密集波分复用的石英小球卫星谐振腔光纤分插器,并且还对其工作原理和制备方法进行了有效探索,为我国微腔光纤通信事业的发展做出了贡献。   迎难而上,改进多晶硅提纯技术   多晶硅的提纯一直是我国光伏产业发展面临的难题,陈朝课题组迎难而上,针对性地展开科研攻关,顺利解决了这一难题。据悉,在进行“低成本多晶硅提纯及太阳能电池的研发与产业化”研究中,他们采用精细的综合冶金物理方法,将工业硅的冶炼和提纯紧密结合,充分利用工业硅冶炼工程的余热,直接将2N的工业硅提纯到6N以上的太阳能级多晶硅;将5N多晶硅定向凝固、划片后经表面氯氧化和吸杂处理改性后,于2011年研制出光电转换效率超过11%的太阳能电池。这两项技术突破了长期制约我国光伏产业发展的瓶颈,产生了良好的经济效益和社会效益。   2012年底研发团队运用创新工艺技术,将纯度为2N的工业硅提纯到了6N以上的太阳能级多晶硅铸锭,用其制备的多晶硅电池光电转换效率超过17%,光衰小于3%,并且具备低成本(¥8万元/吨左右)、低能耗(35kwh/kg以下)、低污染的技术优势,在不久的将来极有可能成为我国乃至国际太阳能级多晶硅生产的主流方法之一。   凭借着对科学的挚爱和强烈的民族责任感,陈朝教授几十年来从未因工作的单调乏味而放弃从事科研工作,从没因工作的繁重而偷工减料。作为一名科研工作者,我们从陈朝教授身上看到的,不是他的成果和名誉,真正下闪光的,是他的科学精神。更难能可贵的是,陈朝教授还积极与企业寻求合作,把自己最新的科研成果应用到上产生活中,不仅给人们的生活创造了便利,还为国家的经济效益和社会效益做出了杰出的贡献。同时,陈朝教授也为提升我国半导体光电学科在世界上的地位贡献了自己的全部才智。   如今,陈朝教授把自己工作的重点放在教学事业上,授人以鱼,不如授人以渔,相比于传授知识,它更注重培养学生独立思考的能力,努力开拓学生的创新意识。陈朝教授坚信,随着越来越多的人才涌现出来,我国在光电技术领域还将会有更大的突破。   科技无极限,创新无穷尽。不管是与社会生产密切相关的经济发展问题,还是与民众生活息息相关的环境污染问题,要想获得及时妥善的解决,从而更快更好地实现中华民族伟大复兴的“中国梦”伟业,都离不开科技创新。数十年来,陈朝教授用他的身体力行见证了创新的魅力,将来,他和他的学生们也会通过持续创新,为建设美丽中国做出更大的贡献。
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