—退休老教授科研生涯的自述
(陈朝,2019.12.1)
2003年10月刚过了生日,我就面临要做出人生重要的选择,是退休还是继续教学科研工作?我选择了后者,因为我还有许多科研上的想法尚未实现,大学毕业刚一年就遇到了文革,大量宝贵的时间浪费在十年动乱的年代。我希望将所学的半导体光电知识继续贡献祖国和社会,让后半生过得更有意义。 没想到,这一干就是十六年,这十六年有辛酸苦辣,但我无怨无悔,过得充实,基本实现了我刚退休时尚未实现的想法。我毕业于厦门大学半导体物理和半导体器件物理专业,主要从事半导体光电材料、器件及其应用的教学、研发和应用。众所周知,半导体光电产业是21世纪发展最快、应用最广、经济效益最好的产业之一。半导体光电产业的基础是光电子学和光电技术。光和电是能量的两种形式,分别是光子和电子的能量,它们可以相互转换、存储、传递和使用的,这就是半导体光伏发电和半导体照明的物理基础;光子和电子还可作为信息的载体,在光-电和电-光的相互转换过程中实现信息的交换和传递,这就是光通信的基本物理原理。无论光电的能量转换还是光电的信息传递,都离不开其工作物质,这就在半导体光电材料。所以,我所从事的科研工作,就是研究新型的半导体光电材料和器件,实现在光电转换过程中的太阳能发电、半导体照明和光通信。以下汇报,我十六年来这三类科研的主要工作:
一、将光转换为电,发展节能、环保、低成本的冶金法太阳能级多晶硅的提纯,实现光伏发电平价上网,让绿色能源走进千家万户。
能源紧缺、污染严重、气候剧变是全球面临的主要难题,发展绿色、环保、安全的太阳能发电是解决此难题的主要方法之一,受到各国重视。硅是目前光伏发电的最主要的半导体材料。然而,传统的西门子化学法耗电大、污染重、成本高,国家急需节能、环保和低成本的非化学法。本课题组于2007年承担了福建省科技厅的重大专项“低成本多晶硅提纯及其太阳电池的研发与产业化”(项目负责人:陈朝,批号:2007ZH0005-2),并于2011年组织全国6家高校和科研单位参加了科技部“十二五”支撑计划项目“冶金法制备太阳能级多晶硅关键技术研究及工业示范”(项目负责人:刘应宽、盛之林、陈朝,批号:2011BAE03B01)。经过全体人员艰苦努力,两个项目顺利通过国家验收,达到了当时的国际先进水平,实现了节能、环保和低成本的目标。将2N的工业硅提纯到6N-7N的太阳能级多晶硅要求,其多晶硅太阳电池光电转换效率超过16%,提纯成本为10万元/吨以下。经过后续工作的努力,提纯成本降到6万元/吨以下,其n-型单晶硅HIT太阳电池的光电转换效率超过20%。本课题组的“钙系造渣除硼磷技术”发明专利,成功转让给商南中剑公司并用于生产(转让经费100万元)。本项目研究工作,促进了全国和全球太阳能级多晶硅生产成本的大大降低,现在我国已成为全球最大的光伏生产国和应用国,并开始实现光伏平价上网的目标。
为了进一步利用太阳能发电,我们还进行了上下转换太阳能电池的研究工作,希望能将太阳光谱中的红外光和近紫外光,通过上下转换为可见光,射入太阳电池提高其转换效率。
本课题组在光伏光电领域,获得授权发明专利 21件、公开的发明专利2件、授权的软件著作权4件,培养了博士15名,硕士9名。
二、将光转换为电,研发接近太阳光谱的暖白光LED,实现健康又节能的半导体照明。
照明用电占人类用电的五分之一,LED能耗仅是白炽灯的五分之一,寿命却是白炽灯的50倍。为了节能、环保,用白光LED逐步替代白炽灯、日光灯和节能灯,掀起了一场空前规模的照明革命。然而,传统的白光LED是采用蓝光芯片激发黄色荧光粉形成白光,其光谱偏离太阳光较远,蓝光太多并泄漏,红绿光太少,显色指数偏低,色温偏高,长期辐照会对人类造成生理和心理的损伤,不适合于室内照明。节能是重要的,但健康更重要。对我国中小学生近视的快速发展,习总书记表示严重关切并做了重要指示。我们自主研发了紫光激发稀土高效三基色荧光粉,实现暖白光LED室内照明的方案,经过十三年的艰苦努力终于获得成功。目前已经从实验室逐步走向产业化,并达到如下指标:显色指数大于90,色温3000-4500K,光效大于135 lm/W,其光谱更加靠近太阳光谱适合于室内、教室、桌面的健康照明,也适合于展览、美术、手术等领域的特殊照明。
在白光LED健康照明领域,本课题组获授权发明专利5件,公开发明专利1件,申请国际发明专利1件,培养了5名博士和5名硕士。
三、突破光电集成的设计软件,实现光电信息转换、收发、传递器件的微型化、集成化。
光通信是实现信息交换和传递的主要工具,也是当今信息社会的基础,并向超高速、集成化、高可靠方向发展。然而,传统的集成电路设计和工艺却不适合于光电器件的集成制备。这是因为通常的电学器件为MOS的横向水平结构,而光学器件(如探测器、激光器)为垂直的结型结构,两者不相兼容。现有的IC电路设计软件,只能设计电学器件,却不能设计光学器件;同样当前的IC工艺只能适用于电学元器件制备,而不适合光学器件的制备,更不用说用于光电集成电路(OEIC)的设计和制备。我带领研究生在详细分析了当前IC设计软件和工艺的优缺点基础上,完成了对其修改,于2006-2014年期间在现有的IC设计和模拟软件上嵌入了光学器件的模型并实现了兼容。此外,对现有的IC工艺进行分析,提出了多种工艺能兼容光电器件制备的方法。我们课题组于2006年,研制出单片集成光盘信号探测放大芯片(PDIC),并实现了1550nm — 850nm — 1550nm的光电转换,在本实验室实现了850nm点对点和点对网的光纤通信。2014年自主研制成功具有探测-放大能力的硅单片集成的探测放大器和混合集成的650nm 、850nm 、1330nm 和 1550nm的激光发射器。与此同时,实现了650 nm的塑料光纤室内红光通信系统,该系统可用于光纤到户的最后一公里(PFTTH)。
在光通信领域中,我们获得授权发明专利10件,培养博士4位,硕士2位。
十六年,弹指一挥间!这十六年是我一生中过得最充实的时光,因为我没有升职称的负担,可以不必考虑要如何认真对付没完没了的业绩考核,可以大胆提出自己的想法,可以专心集中力量去完成自己的设想和所承担的科研任务。这十六年也是我工作效率最高、完成科研任务最好、指导研究生最多的十六年。我衷心感谢党和政府改革开放的好政策!感谢厦门大学对我的信任,给我提供发挥余热的良好环境和机会!感谢厦门市老科协对我工作的大力支持和鼓励!感谢我的家人、同事和学生对我返聘期间的继续工作的支持和谅解!
“不忘初心,振兴中华”是全中华儿女的梦想。 “学成回国,报效祖国”!,“发展高科技,实现产业化”! 这是30年前我在上海外国语学院参加公派出国留学培训时的口号,它经常在我耳边作响。这是国家我那一代理工科公派留学人员的基本要求,落后就要挨打,我不敢有所怠慢。我所追求的梦想就是将半导体知识贡献社会,让祖国的“天更蓝,地更绿,水更清”,更美丽!
“夕阳无限好,只是近黄昏”。在以后的岁月中,我还会以“夸父追日”的精神为榜样,继续追求我的梦想,“朝阳逐光,丽中华”!
作者简介
陈朝,2003年10月11日在厦门大学物理系退休,当即被厦门大学物理系原职返聘为凝聚态物理、微电子与固体电子学专业教授、博士生导师,2008年9月调到厦门大学能源学院筹备光伏工程专业,原职返聘至今,16年整。主要的科研工作涉及半导体光电的三个领域:光伏材料、器件及其应用,半导体照明LED材料和器件及其应用,用于光纤通信的“光电集成路”的设计、制备和应用等。负责10项科研项目,其中纵向6项、横向4项,获得科研经费1008.6万元,所承担的科研项目都已验收完成,其中福建省2007重点专项和“十二五”国家支撑计划专项的“太阳能级多晶硅冶金法提纯关键技术和示范”,达到国内外领先水平,并成功转让给省内外企业用于生产,转让经费140万元。共获授权的发明专利40件、软件著作权4件、实用新型专利4件,公开发明专利3件。用第一作者或通讯作者发表的论文107篇,其中SCI收录83篇,一区7篇;在国内外学术会议发表演讲40次,做特邀学术报告 16 次。16年来共培养博士21人、硕士13人,都获得学位。2005年创新产品“光纤通信的铟镓砷光电探测器芯片”获第七届高交会优秀产品奖,2015年获中国产学研合作创新个人奖,2018年10月本人指导的博士生论文“近紫外激发的掺二价铕氯磷酸锶高效荧光粉",获福建省第十三届自然科学优秀论文二等奖。