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探访浙江首个国家重点实验室:硅材料实验室

来源:钱江晚报 发布时间:2016-08-19 被阅读:3260

    走进浙江大学玉泉校区新桥门,在第一个路口右拐,一直朝北走到底,你会看到一个单独的院落,里面有寥寥几幢二层高的楼房,看上去普普通通。

    但内行人知道,这里坐落的是浙大及浙江省第一个国家重点实验室——硅材料国家重点实验室。1985年,在浙江大学半导体材料研究所的基础上,原国家计委批准建设硅材国家重点实验室(原名高纯硅及硅烷国家重点实验室)。这是国内最早一批国家重点实验室。

    目前,实验室以硅材料及半导体材料为核心,重点研究半导体硅材料、半导体薄膜材料、复合半导体材料以及功能材料微纳结构,是国内该领域基础研究、技术开发和人才培养的主要基地之一。

    众所周知,硅被广泛应用在各种电子科技产品中,是信息产业的基础材料。因此,它的产量和技术水平,从一个方面也标志了一个国家的电子工业水平。同时,它也是太阳能电池的主要材料,支撑了太阳能光伏高科技产业的发展。

    硅晶体体积增大,纯度提高。

    走进实验室的院子,你会看到院子里的一块电子屏幕上,时刻滚动着“欢迎参观硅材料国家重点实验室”这行字。这种电子字幕太常见了,一般人很容易忽视它的存在。

    但实验室的这块电子屏却是内藏玄机。支撑它日夜运转的电能,是由太阳能转化而来的,而其中最大的功臣,就是晶体硅制成的太阳能电池。这是硅材料一个重要的应用领域。

    在国家重点实验室主任、浙大半导体材料研究所所长杨德仁教授的办公室里,这种太阳能电池随处可见。

    办公室墙上挂着一块用画框裱起来的晶体硅太阳能电池。这是德国高科技企业肖特集团(SchottAG)邀请他作报告时赠予的。茶几上放着一个小装饰品,这是国际上最大的多晶硅材料生产企业协鑫中能公司赠送给他的,只要直接暴露在太阳光下,其中的太阳能电池就会带动风车的叶片旋转。

    杨德仁说,目前约90%的太阳能发电都要依赖于硅材料,它可被称作“新能源的战略材料”,在开发清洁的新能源上将大有作为。

    实验室院子里那块屏幕只是一个小范围的使用。杨德仁举了另一个例子,杭州火车东站的屋顶上,就铺满了晶体硅太阳能电池,为杭州东站提供源源不断的电力。

    开发太阳能电池有两个关键问题,降低成本和提高转换效率。

    通常的晶体硅太阳能电池,是在高质量硅片上制成的,这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上切割而成。杨德仁说,硅晶体材料的体积越大,制成的太阳能电池的成本就会降低。

    道理很简单,比如一个小锅做的饭够3个人吃,那给30个人做饭就需要做10次。但如果换成一个能做10个人饭量的大锅,就只需要做3次,节约了时间和能源。

    硅材料国家重点实验室的一项工作,就是研究怎么让硅晶体材料的体积更大。对太阳能电池所用的铸造多晶硅晶体而言,目前单一晶体炉生长的晶体可以分割成6×6=36个晶锭;如果生长的硅晶体体积增大,增大到可以切成7×7=49块晶锭,甚至8×8=64块晶锭,材料成本、时间成本、人工成本和电力成本都会大幅降低,最终会导致太阳能电池成本的降低。

    硅晶体体积增大的这个过程中,会遇到一系列技术难题,比如体积增大后,晶体材料内部热应力大,容易开裂等,此类难题,实验室的研究人员需要一一攻克。

    提高硅太阳能电池的转换效率,也可以通过提高硅晶体纯度,减少杂质来实现。目前,实验室能达到的纯度是多少呢?杨德仁的回答是,99.9999999%,小数点后7个9。

    这个纯度,在外人看来四舍五入就是100%了。但实验室的研究人员依然在想办法,把纯度再提高一点。

    这一切的努力,都是为了降低太阳能的使用成本,让它性价比更高,从而跨入绿色能源时代。杨德仁说,现在太阳能发一度电的成本在0.7元左右,如果成本能降到0.3元,那在中国的绝大部分地区,将比煤电还要便宜。

    重视产、学、研结合培育硅材料龙头企业

    由于硅材料的应用极其广泛,所以实验室产、学、研相结合的特点非常突出。

    前实验室主任阙瑞麟院士和同事们创建实验室之初,就有一个坚定的信念,自己的研究一定要有应用,要对国家的半导体硅材料产业有促进作用。

    其实,早在国家重点实验室尚未成立时,半导体材料研究所就已经开始产业化的探索,建立了产业基地,将科技成果转化为生产力。上世纪70年代,研究所创办了浙大半导体厂,是当时浙大8家校办工厂之一。

    杨德仁说,国内大部分领先的硅材料企业都有国家资金的扶持。浙大半导体厂则是在完全没有任何国家投资的情况下,成长为硅材料领域的龙头企业的。“这也是唯一一家由校办工厂走出来的硅材料企业。”

    强大竞争力背后的秘密依然是领先的技术。杨德仁说,当时他们生产的硅产品常常卖得比别的企业都贵,但偏偏客户都愿意要,原因就是质量好。到了上世纪90年代中期,工厂的主要产品直拉硅单晶因为生产量大,在当时被冠上“中华之最”的头衔。

    研究所研发的半导体高纯气体硅烷,也深受企业欢迎。由于制作高纯度硅材料需要用到高纯度的硅烷气体,研究所就先开发了一套制造高纯度硅烷气体的办法。当时,这套技术被推广到国内的多家相关企业。

    1998年,浙江大学第一家上市公司浙大海纳成立,其主体部分之一就是硅材料国家重点实验室培育出来的浙大半导体厂。

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