太阳电池“结”缘 半导材料“维”新——记中国科学院半导体研究所副研究员刘孔

孟小雪

基础研究与应用的关系是什么？中国科学院半导体研究所副研究员刘孔给出的回答是：金庸武侠小说里口诀与招法的关系。对于刘孔来说，物理领域就是一方江湖，而长期以来关于异质结的研究就是他手中的剑。在多年的基础研究生涯中，他慢慢将剑诀熟透于胸，并且在太阳能电池、低维半导体材料及其光电器件等领域开辟出了属于自己的天地。他说，今后他将继续致力于基础研究成果的转化落地，解决社会与百姓实际生活中的问题。

十年磨一剑

刘孔是抱着一腔热爱踏入物理这片江湖的。2004年，正值青春年少的他因兴趣考入了中南大学应用物理学专业。“初学时往往会面临诸多困难，可以先把武功的口诀背牢，然后再尝试在具体实践中‘登堂入室’”，刘孔引用他研究生导师曲胜春老师的话语，这样总结了自己的学习和科研经历。在掌握了基本的物理研究理论后，他考入中国科学院半导体研究所，并于硕博连读期间开展了基于硅和有机半导体结合的杂化太阳能电池研究。2016年，刘孔前往美国内布拉斯加大学从事博士后研究。彼时钙钛矿材料及器件研究正处于高速发展阶段，钙钛矿材料因其在带隙宽度可调与可溶液加工等方面的优点而成为太阳能电池的理想材料。刘孔的博士后合作导师认为他在硕博期间有研究硅与有机叠层太阳能电池的经验，于是特意安排他参与了钙钛矿/硅多异质结叠层太阳能电池项目。

两年后，学成归来的刘孔回到中国科学院半导体研究所继续从事关于钙钛矿多异质结叠层太阳能电池研究。不仅如此，他还在原有招式的基础上进行延伸，开展了关于低维半导体材料、光电器件及其异质结物理等一系列的研究。

战意充盈

在谈及关于异质结领域的研究内容时，刘孔颇为激动，他说这是他的研究内容中最核心的部分。所谓异质结，是指由两种具有不同性质的半导体材料形成的结构。“我的研究内容主要包括低维半导体材料异质结、曲面异质结、多异质结叠层等在内的工作机制及器件应用。”刘孔向记者介绍道。

刘孔在黄昆塑像前

为什么如此看重多异质结叠层？刘孔给出的回答是因为基于此结构的太阳能电池效率够高，“单层异质结的太阳能电池只能吸收较少波段范围内的太阳光，而多异质结叠层能够实现对太阳光谱的大范围分波段吸收，而且具有较少的热弛豫损失，其中效率的区别，犹如小溪与江河之比”。但同时，多异质结叠层太阳能电池也因其复杂的结构导致工艺更加复杂，而且它的关键问题集中在3个方面：工艺匹配、应力匹配及能级匹配。早在博士后留学期间，刘孔就对这3个问题展开了深入的研究，通过调节带隙宽度等手段解决了膜层能级匹配和子异质结短路电流匹配等问题，通过调控物理气相沉积条件和引入抗损伤层等手段解决了膜层之间的应力匹配和工艺兼容性问题，其最终得到的太阳能电池能量转化效率高达25.4%，居于世界领先地位。如今，他以多异质结叠层技术为台阶，在低维半导体异质结及曲面异质结等领域都达到了相当的高度。

何为低维半导体异质结？这个问题还要从低维材料说起。所谓低维材料指的是载流子在某个维度受限的零维、一维或二维材料。因其晶体结构的特异性，在与不同维度材料结合时，往往会因复制的量子效应产生奇特的物理效应。由此，刘孔想到将不同维度的材料结合形成杂维异质结，从而深入探索其中的新现象与新机理。为了深入开展相关领域研究，刘孔还与使用超快激光进行时间分辨分析方面有较强实力的波兰课题组合作，开展了中国科学院特别交流计划项目“低维钙钛矿材料及器件中的超快过程研究”，对低维钙钛矿材料及其器件中的超快过程进行了合作研究，包括异质结界面中的载流子产生与复合过程、低维材料中的载流子输运过程等，通过揭示体系中的电荷输运机制，为研制高效的光电器件提供了理论基础。

除却低维半导体异质结的奇异特性外，曲面异质结也因能够提高光与电的高效管理优势而备受业界关注。“传统的太阳能电池多是平面异质结，在光吸收、激子分离及载流子传输等方面效率偏低。”刘孔向记者解释道。在认识到这个问题之后，刘孔开始尝试以曲面异质结为武器，直面太阳能电池领域的短板，由此他开展了国家自然科学基金项目“曲面异质结有机太阳电池研究”。“首先要改变的就是异质结的平面问题。”为此，他利用尺寸可控的单分散纳米颗粒制备出了凹凸金属曲面，并通过调节纳米颗粒大小和间距对曲面形貌、尺寸进行有效控制，进一步研究不同结构的表面陷光效应；然后在金属曲面表面制备有机薄膜，最终形成了曲面异质结。紧接着，刘孔进一步研究了曲面异质结的界面特性，在获得较大界面面积的同时还减少了界面缺陷。他研究了曲面异质结的内建电场分布特点，通过制备全覆盖的新型透明电极构建了有序内建电场分布。他还分析了曲面异质结结构中提高激子分离与载流子传输效率的物理过程、机理，研制出了高效有机薄膜太阳能电池。但刘孔并不满足止步于此，他发现这种曲面异质结太阳能电池在太阳光倾斜状态下具有较低的效率损失，因此可以为便携可穿戴设备领域的应用提供条件。他说，这将会是他未来的研究方向之一。

游刃有余

每一个习武之人最终都会将招式运用在实际对战中，刘孔也不例外。事实上，他一直在致力于研究成果的应用转化。一直以来，纳米激光器是光通信技术的重要元件，其超小型化是未来光子集成技术发展的重要需求。基于表面等离激元的纳米激光器利用表面等离激元替代受激辐射的光子，可以突破传统光学中衍射极限的瓶颈。这对激光器向低维度、小尺寸和高集成化方向发展具有重要的意义。刘孔和德国伊尔姆瑙理工大学合作，构建了多元交叉纳米结构阵列，结合高表面光洁度、高结晶性的低维钙钛矿增益材料的开发，构建了新型等离激元纳米激光器，并解决了金属结构中存在的能量损耗问题。

在合肥科学岛

除却在光电器件领域的应用，刘孔还推出了一系列适用性极强的发明专利，比如他设计出的拼装型掩模板装置。该装置不仅可以实现掩模板装置交叉重复使用，实现高质量图形化薄膜的制备，还适用于无规则形状样品以及不同沉积朝向的设备。另外，他还设计了一种新型手套箱用多通道遥控测试装置，方便太阳能电池的实验测试。基于有机钙钛矿的太阳能电池测试需要在手套箱里面进行，前提是必须要保证给手套箱里面提供氮气，同时还不能对外界环境造成污染，但是如果手动进行测试会造成诸多不便。而刘孔设计的遥控式测试装置不仅可以使研究人员在箱外遥控箱体内部的测试及切换，还可以在曲面异质结太阳能电池的测试过程中调整太阳光倾斜角度，从而更加便利地得到太阳能电池的能量转化效率。

刘孔的实战之路当然不会止步于此，在他将近20年的科研生涯中，他因异质结与太阳能电池领域结下不解之缘。如今，面对我国在半导体领域被“卡脖子”的形势，他将会在深入研究太阳能电池的同时踏上新的研究道路，以低维半导体材料及新型异质结为武器，在面向低能耗、高效率、高速度的光电融合集成领域贡献自己的力量。