太陽電池“結”緣 半導材料“維”新
——記中國科學院半導體研究所副研究員劉孔

孟小雪

基礎研究與應用的關系是什么？中國科學院半導體研究所副研究員劉孔給出的回答是：金庸武俠小說里口訣與招法的關系。對于劉孔來說，物理領域就是一方江湖，而長期以來關于異質結的研究就是他手中的劍。在多年的基礎研究生涯中，他慢慢將劍訣熟透于胸，并且在太陽能電池、低維半導體材料及其光電器件等領域開辟出了屬于自己的天地。他說，今后他將繼續致力于基礎研究成果的轉化落地，解決社會與百姓實際生活中的問題。

十年磨一劍

劉孔是抱著一腔熱愛踏入物理這片江湖的。2004年，正值青春年少的他因興趣考入了中南大學應用物理學專業。“初學時往往會面臨諸多困難，可以先把武功的口訣背牢，然后再嘗試在具體實踐中‘登堂入室’”，劉孔引用他研究生導師曲勝春老師的話語，這樣總結了自己的學習和科研經歷。在掌握了基本的物理研究理論后，他考入中國科學院半導體研究所，并于碩博連讀期間開展了基于硅和有機半導體結合的雜化太陽能電池研究。2016年，劉孔前往美國內布拉斯加大學從事博士后研究。彼時鈣鈦礦材料及器件研究正處于高速發展階段，鈣鈦礦材料因其在帶隙寬度可調與可溶液加工等方面的優點而成為太陽能電池的理想材料。劉孔的博士后合作導師認為他在碩博期間有研究硅與有機疊層太陽能電池的經驗，于是特意安排他參與了鈣鈦礦/硅多異質結疊層太陽能電池項目。

兩年后，學成歸來的劉孔回到中國科學院半導體研究所繼續從事關于鈣鈦礦多異質結疊層太陽能電池研究。不僅如此，他還在原有招式的基礎上進行延伸，開展了關于低維半導體材料、光電器件及其異質結物理等一系列的研究。

戰意充盈

在談及關于異質結領域的研究內容時，劉孔頗為激動，他說這是他的研究內容中最核心的部分。所謂異質結，是指由兩種具有不同性質的半導體材料形成的結構。“我的研究內容主要包括低維半導體材料異質結、曲面異質結、多異質結疊層等在內的工作機制及器件應用。”劉孔向記者介紹道。

劉孔在黃昆塑像前

為什么如此看重多異質結疊層？劉孔給出的回答是因為基于此結構的太陽能電池效率夠高，“單層異質結的太陽能電池只能吸收較少波段范圍內的太陽光，而多異質結疊層能夠實現對太陽光譜的大范圍分波段吸收，而且具有較少的熱弛豫損失，其中效率的區別，猶如小溪與江河之比”。但同時，多異質結疊層太陽能電池也因其復雜的結構導致工藝更加復雜，而且它的關鍵問題集中在3個方面：工藝匹配、應力匹配及能級匹配。早在博士后留學期間，劉孔就對這3個問題展開了深入的研究，通過調節帶隙寬度等手段解決了膜層能級匹配和子異質結短路電流匹配等問題，通過調控物理氣相沉積條件和引入抗損傷層等手段解決了膜層之間的應力匹配和工藝兼容性問題，其最終得到的太陽能電池能量轉化效率高達25.4%，居于世界領先地位。如今，他以多異質結疊層技術為臺階，在低維半導體異質結及曲面異質結等領域都達到了相當的高度。

何為低維半導體異質結？這個問題還要從低維材料說起。所謂低維材料指的是載流子在某個維度受限的零維、一維或二維材料。因其晶體結構的特異性，在與不同維度材料結合時，往往會因復制的量子效應產生奇特的物理效應。由此，劉孔想到將不同維度的材料結合形成雜維異質結，從而深入探索其中的新現象與新機理。為了深入開展相關領域研究，劉孔還與使用超快激光進行時間分辨分析方面有較強實力的波蘭課題組合作，開展了中國科學院特別交流計劃項目“低維鈣鈦礦材料及器件中的超快過程研究”，對低維鈣鈦礦材料及其器件中的超快過程進行了合作研究，包括異質結界面中的載流子產生與復合過程、低維材料中的載流子輸運過程等，通過揭示體系中的電荷輸運機制，為研制高效的光電器件提供了理論基礎。

除卻低維半導體異質結的奇異特性外，曲面異質結也因能夠提高光與電的高效管理優勢而備受業界關注。“傳統的太陽能電池多是平面異質結，在光吸收、激子分離及載流子傳輸等方面效率偏低。”劉孔向記者解釋道。在認識到這個問題之后，劉孔開始嘗試以曲面異質結為武器，直面太陽能電池領域的短板，由此他開展了國家自然科學基金項目“曲面異質結有機太陽電池研究”。“首先要改變的就是異質結的平面問題。”為此，他利用尺寸可控的單分散納米顆粒制備出了凹凸金屬曲面，并通過調節納米顆粒大小和間距對曲面形貌、尺寸進行有效控制，進一步研究不同結構的表面陷光效應；然后在金屬曲面表面制備有機薄膜，最終形成了曲面異質結。緊接著，劉孔進一步研究了曲面異質結的界面特性，在獲得較大界面面積的同時還減少了界面缺陷。他研究了曲面異質結的內建電場分布特點，通過制備全覆蓋的新型透明電極構建了有序內建電場分布。他還分析了曲面異質結結構中提高激子分離與載流子傳輸效率的物理過程、機理，研制出了高效有機薄膜太陽能電池。但劉孔并不滿足止步于此，他發現這種曲面異質結太陽能電池在太陽光傾斜狀態下具有較低的效率損失，因此可以為便攜可穿戴設備領域的應用提供條件。他說，這將會是他未來的研究方向之一。

游刃有余

每一個習武之人最終都會將招式運用在實際對戰中，劉孔也不例外。事實上，他一直在致力于研究成果的應用轉化。一直以來，納米激光器是光通信技術的重要元件，其超小型化是未來光子集成技術發展的重要需求。基于表面等離激元的納米激光器利用表面等離激元替代受激輻射的光子，可以突破傳統光學中衍射極限的瓶頸。這對激光器向低維度、小尺寸和高集成化方向發展具有重要的意義。劉孔和德國伊爾姆瑙理工大學合作，構建了多元交叉納米結構陣列，結合高表面光潔度、高結晶性的低維鈣鈦礦增益材料的開發，構建了新型等離激元納米激光器，并解決了金屬結構中存在的能量損耗問題。

在合肥科學島

除卻在光電器件領域的應用，劉孔還推出了一系列適用性極強的發明專利，比如他設計出的拼裝型掩模板裝置。該裝置不僅可以實現掩模板裝置交叉重復使用，實現高質量圖形化薄膜的制備，還適用于無規則形狀樣品以及不同沉積朝向的設備。另外，他還設計了一種新型手套箱用多通道遙控測試裝置，方便太陽能電池的實驗測試。基于有機鈣鈦礦的太陽能電池測試需要在手套箱里面進行，前提是必須要保證給手套箱里面提供氮氣，同時還不能對外界環境造成污染，但是如果手動進行測試會造成諸多不便。而劉孔設計的遙控式測試裝置不僅可以使研究人員在箱外遙控箱體內部的測試及切換，還可以在曲面異質結太陽能電池的測試過程中調整太陽光傾斜角度，從而更加便利地得到太陽能電池的能量轉化效率。

劉孔的實戰之路當然不會止步于此，在他將近20年的科研生涯中，他因異質結與太陽能電池領域結下不解之緣。如今，面對我國在半導體領域被“卡脖子”的形勢，他將會在深入研究太陽能電池的同時踏上新的研究道路，以低維半導體材料及新型異質結為武器，在面向低能耗、高效率、高速度的光電融合集成領域貢獻自己的力量。