研究方向

您现在所在的位置是: 首页 > 研究方向 > 正文

能源新材料制备及其器件化过程中的表界面科学

发布人:  发布时间:2017-06-22  点击:[]

1、薄膜功能材料的制备与应用

充分利用先进制备工艺和技术,发展新型纳米材料、薄膜功能材料及制备技术。将新材料应用于太阳电池及能源相关领域,力争在太阳电池和产业化应用上取得突破。具体包括以下几个方面内容:一是高性能、低成本透明导电薄膜(TCO)制备技术和产业化应用研究。基于对透明导电氧化物薄膜的光学、电学及光电和电光转换特性研究,发展优异透明导电薄膜材料,为开拓高性能、低成本透明导电薄膜的产业化应用奠定基础;二是超长尺寸石墨烯材料的制备及修饰研究。我们前期工作发现,可以使用低成本传统化学方法制备毫米长石墨烯纳米带,但因为张力大、卷曲严重,应用受限。我们将研究制备条件对石墨烯纳米带的表面及微观结构和构象的影响,利用表面及化学修饰方法舒展石墨烯带,优化石墨烯纳米带的电学性质,期望发展石墨烯电子器件;三是纳米及薄膜材料在化学传感器件中的应用。利用实验室建立的纳米材料、薄膜材料及传感器评估基础,发展新型纳米传感材料,研究其纳米效应包括表面等离子体效应等,研制纳米效应增强的传感器件;四是纳米量子效应增强的太阳电池关键技术研究。利用实验室太阳电池平台,发展应用新型纳米材料和制备技术,研究纳米及量子效应增强的太阳电池关键技术。

2、电池关键材料的研制及其应用中的表界面问题研究

本研究方向主要在两个研究点展开工作:一是有机光敏染料的研制与应用研究。新型功能光敏染料分子结构设计及器件结构优化是提高染料敏化太阳能电池(DSSC)光电转换效率的重要途径,也是光电功能材料的前沿研究领域。以光敏染料、光阳极、电解质和对电极等电池组件为研究对象,通过光物理、电化学和光伏性能测试,主要研究这些电池组件在光子捕获、电子产生及传导以及染料再生等电池工作的表界面过程中的宏观现象和微观机理,开发高性能实用化染料敏化太阳能电池材料及其技术,重点研发新型高效功能光敏染料及合成技术。以期进一步提升染料敏化太阳能电池的光电转换效率,从而推动染料敏化太阳能电池的产业化进程。二是聚合物电解质膜材料的研制与应用研究。聚合物电解质膜(PEM)的设计制备是燃料电池关键材料创新中最活跃的研究领域。通过向聚合物骨架中引入极性官能团(-CN,-NO2)以提高PEM的尺寸稳定性;通过构建侧链型或嵌段型磺化聚合物结构以增加PEM中的微观相分离,进而实现提升PEM电导率。通过交联、掺杂、共混等技术方法以提高PEM的稳定性和机械性能,同时降低PEM的燃料透过率和在溶剂中的溶解度。利用各种改进策略的协同,开发新型高性能PEM材料,考察相应膜电极组件各表界面中的传质行为,研究与之相关的基本科学问题,必将有助于拓展PEM材料的设计思路,为高性能PEM的创制奠定基础。

3、先进储能材料制备及其器件化过程中的基本科学问题

高比容量和高工作电势纳米多孔电极材料的制备是获得高能量密度超级电容器的有效途径之一。本研究方向主要在以下两点开展工作:一是高比能量密度超级电容器电极材料制备过程中的基本科学问题。利用不同剥离技术,得到具有高赝电容和大比表面积特征二氧化锰、二氧化钌及五氧化二钒等金属氧化物纳米层和高导电双电层电容及结构稳定性特征石墨烯纳米层,以这些不同电性纳米层为基本组装单元, 有效利用组装单元双电层电荷存储和法拉第赝电容电荷存储机制,通过组装材料结构与其电容性能之间关系的研究,实现组装材料具有高比容量、大比表面积和离子快速迁移结构,达到电极材料具有独特的电荷储存优势,改变现有超级电容器电极材料比容量低等突出问题。通过在具有不同电荷存储机制氧化物纳米层板上的系列空洞化处理和机理研究,形成制备材料不仅在水平方向,而且在结构垂直方向上具有电荷快速传输通道,为解决超级电容器高容量和大电流密度下的高循环稳定性找到突破口。二是高比能量密度超级电容器器件化研究。将筛选出的不同结构和形貌纳米电极材料组装成对称超级电容器或不对称电容器,选择相适应的水相或有机电解质,利用循环伏安、恒电流充放电、电化学阻抗等测试手段进行制备纳米电极材料的电容性能研究,探索电极材料、组装工艺、电解质等对组装器件性能的影响;研究组装器件的稳定性、功率特性、循环稳定性能及不同电流密度下的库仑效率,进行不同结构纳米电极材料组装方式对组装材料性能的影响评价,探索不同结构纳米材料作为超级电容器电极材料的应用前景。

4. 超大集成电路制造过程中的表面处理及金属化

化学镀是在没有外加电流的条件下,利用处于同一溶液中的金属盐和还原剂在具有催化活性的基体表面上进行自催化氧化还原反应,将金属沉积在基体表面的一种表面处理技术。化学镀铜技术由于能够在非金属材料的表面形成均匀的、致密性良好、导电性优良、附着力强的金属铜膜,已广泛的应用于半导体和高密度印刷电路板的制造工艺中。为了应对迅速发展的信息处理技术,开展超大集成电路生产过程中的超级化学铜沉积技术研究变的十分必要。超级铜填充是不同于一般均匀填充的一种铜填充形态,铜在道沟或微孔底部的沉积速度大于在其表面的沉积速度,从而使铜完全填充整个道沟或微孔,没有任何的空洞或缝隙产生。我们通过大量细致的研究,在世界上首次实现了超级化学铜填充,其技术不仅可以解决宽度小于70纳米的铜互连线的微孔填充问题,而且也可以完全填充微孔的深/径比达到10以上的三维封装贯通电极,具有非常广阔的应用前景。然而,关于超级化学铜的沉积机理还不十分清楚,超级化学铜溶液中铜沉积速度比较慢,这些将不利于工业化生产。为此我们将开展以解析超级化学镀机理为目的的相关研究。主要内容有:研究SPS在化学铜溶液中的作用机理以及SPS与多种添加剂之间的协同作用;在研究各种添加剂在铜表面的吸附与脱附作用的基础上,利用计算机模拟超级化学沉积过程;研究辅助络合剂三乙醇胺类的加入对超级化学铜沉积电位、沉积速率的影响。

另外,现行化学铜溶液所用还原剂为甲醛,由于其有比较大的刺激性气味,对人的皮肤和眼睛有刺激作用。同时,甲醛是一种致癌物质,欧美国家已经制定了相关的法律,在不久的将来将禁止使用。因此,研究化学镀铜溶液中还原剂甲醛的替代品将是我们研究工作的另一个重要课题,主要研究以次磷酸钠为还原剂的绿色化学镀铜技术,达到使其化学镀,电镀工艺适用于高密度绕性印刷电路板的生产工艺。