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刘生忠:身体力行的能源报国情

作者:记者 石萍 学生记者 祁潇潇 孙晓迪    发布日期:2018-03-14

15年前,在美国,他发明的“透明太阳能薄膜电池”问鼎“世界百佳发明奖”,此奖也被称为“发明家的奥斯卡奖”;2015年底,在中国,他和团队利用升温析晶法研制出尺寸超过2英寸(71mm)的超大钙钛矿单晶体,这是当时世界上公开报道的首例尺寸超过0.5英寸的钙钛矿单晶。这一研究成果在德国《先进材料》杂志刊发,期刊主编撰写亮点文章评论,对该项给予高度评价:“单晶材料是现代半导体工业、电子工业和光电工业的基础,具有优良性能的钙钛矿单晶材料有可能实现对多晶钙钛矿基器件的革新,推动光电器件的新一轮革命。”到目前为止,也只有该团队生长出了更大的钙钛矿单晶体。

他就是“世界最佳发明奖”的获得者,“世界科学家工程师名人录”的入选者,我校特聘教授、博士生导师刘生忠。

“人生最重要的事情是‘回家’”

1963年,刘生忠教授出生在宁夏回族自治区平罗县一个小村庄,家中有兄弟姐妹七人,尽管家庭很穷困,但他却过得非常充实快乐,因为他坚信“贫穷是一种财富,苦难也是一种财富”。就凭着这股子劲儿,16岁的刘生忠以优异的成绩考入我校化学系,成为全村第一个大学生;在兰州大学完成硕士研究生学业后,他又以优异成绩考取了美国西北大学物理化学专业博士研究生,并获得全额奖学金;1992年,他进入美国阿贡国家实验室开展博士后研究工作。

在学习工作中,他善于思考,勇于实践,敢于创新,先后在世界著名刊物上发表了近百篇代表性论文,有13项国际发明专利在美国、欧洲、日本授权,还有多项中国专利。1998年,他被选入“世界科学家工程师名人录”;2002年,他发明的“透明太阳能薄膜电池”技术被美国著名组织《研究与发展》评为“世界最佳发明奖”。这时候,刘生忠教授在美国有着优越的生活,正处巅峰的事业有着幸福的家庭。尽管在美国一切如鱼得水,他却时刻关注着祖国的发展和变化,心中总有一抹乡愁萦绕,耳边总有一个“回家”的声音响起。

在一场“中国及海外太阳能光伏产业发展”的报告中,刘生忠讲道,“我曾经通过大量详实的数据对比分析了中国与世界在石油、天然气、煤、核能等主要能源方面的开发及利用情况,发现中国是未来世界上面临能源危机最为紧迫的国家,而太阳能的开发利用是解决人类能源危机最大、最有效、最长远的途径。”作为一名在太阳能开发方面的专家,刘生忠为祖国在能源方面存在的危机深感焦虑、寝食难安,回国的想法逐渐由念头变成了行动。

2011年是刘生忠人生中的一个重要转折点。这一年,考虑到祖国在能源发展方面的迫切需要,刘生忠回国的愿望更加强烈,浓烈的家国情怀让他放弃了国外优渥的生活,毅然回到了中国,决心用所学的专业知识为祖国的能源发展贡献力量。每当别人问及他回国的原因时,刘生忠教授总是深情地说:“我在海外学习工作了二十多年,总是感到很孤独,那不是因为语言不通,而是脚没有踏在祖国的土地上。我生于中国,长在中国,中国才是我的‘家’。人生最重要的地方是‘家’,最重要的事情是‘回家’。我十六岁开始在师大读书,老师们曾像父母一样关心和爱护过我,同学们曾像亲兄弟般地帮助和照顾过我,对学校我始终有一种特殊的感情。回到母校工作,我感到十分熟悉和亲切!”

从“一张桌子”到“世界领先”

回到陕西师大以后,刘生忠立刻着手建设陕西省能源新技术工程实验室,为组建科研团队“招兵买马”。刘生忠的博士研究生任小东回忆说:“刘老师刚到师大时,我们的实验室只有一张简单的桌子。”实验室建设并不是一件容易的事情,单是实验室的一台热蒸发系统,从准备购置到安装到位就用了一年多的时间。购买每一件设备,刘生忠都要对国内外的设备供应商进行广泛的调研,对调研后符合要求的,还要亲自去公司实地考察。“刘老师带着学生一趟趟去招标、购置设备,回来还要马不停蹄地做实验。我们看在眼里,感动在心里。”

“现在,我们实验室里的很多器材都是国内外比较先进的。价值180万的霍尔效应测试仪,80万的4源共蒸发,600万的多功能团簇式PECVD,40万的太阳光模拟器……慢慢地填满了实验室。刘老师亲手培育的科研团队人才越来越多,队伍也越来越壮大。”2014级材料学硕士研究生刘斌补充道。

在这间位于致知楼二层的实验室里,穿着实验服的学生们在刘生忠的带领下,专注地操作各种实验器械和试剂,精心完成着一组又一组的实验。刘生忠常常和学生们站在一起,认真观察着实验的结果,细致地写下一项项实验报告。一组实验做完,校园里已是万籁俱寂,只有这里还是灯火通明。刘生忠的博士研究生刘渝城说:“尤其是课题攻坚的那段时间,老师与我们一起坚守实验室,埋头苦干。很多次做完实验离开的时候,整栋楼上几乎没有人了。”就这样夙夜匪懈,孜孜矻矻,刘生忠带领着他的科研团队,大胆创新,锐意进取,攻克了一个个科研难关,在应用基础研究领域上取得了累累硕果。

2015年,刘生忠带领他的研究团队,利用升温析晶法首次制备出了超大尺寸单晶钙钛矿CH3NH3PbI3晶体,尺寸超过2英寸(71mm),相关结果在线发表在《先进材料》期刊上。这是世界上首次报道尺寸超过0.5英寸(10mm)的钙钛矿单晶,真正达到了“世界领先”。

2017年,是在刘生忠来到学校的第六年。六年辛勤耕耘,他给母校交出了一份完美的答卷。“回国这几年,学校投入了充裕的研究经费,对我的支持力度也很大,自己不敢有任何懈怠,在各方面的共同努力下,我和我的团队也取得了一些成绩。”刘生忠平静地说。在钙钛矿晶体研究方面,他带领科研团队完成了大尺寸钙钛矿单晶的制备、切割及性能研究;创建了高性能大尺寸钙钛矿单晶制备、单晶薄片及光电器件制备技术;率先开发了规模集成电路钙钛矿光电器件,证实了该材料在电子领域的应用潜力。并且突破性地构建了高性能柔性及刚性钙钛矿太阳能电池。发展了柔性钙钛矿薄膜电池,电池效率几次突破之前的世界纪录,达到18.3%;设计了低温溶液加工、高电子迁移率的离子液体界面材料;探索了离子液体对金属氧化物界面材料的改性机制,提高了界面材料的电子迁移率,对钙钛矿薄膜的缺陷进行了钝化,平面型钙钛矿薄膜电池效率提高到21.5%,比之前的世界最高记录有显著提升。

回首自己的科研路,刘生忠说,我也是一个普通人,只是我付出了比别人更多的时间和精力。做科研是比较辛苦的,但遇到困难的时候才是最好的时候。当你解决困难的时候,你的能力也在逐渐提高。“在科研过程中,不断地创新出成果,更需要一种力量来支持,刘老师用实际行动为我们做出了表率,那就是执著的精神、爱国的情怀。”刘渝城感慨着。

“为地方经济发展做一点事情”

近年来,我校高度重视与陕西产业发展的有机融合,刘生忠正通过产学研结合的方式,将科研成果从实验室辐射到更广的范围。刘生忠团队主动融入地方建设主战场,与省内企业深度合作,积极构筑科研平台,推进科技成果的孵化、转化和产业化,为助力西部的产业升级和能源应用,推动陕西经济社会发展做出了贡献。

刘生忠说:“我喜欢做一些应用基础的课题,希望自己做出的成果能够有应用价值。陕西是我的第二故乡,我深深地热爱这片土地,更想为陕西的经济社会发展做一点事情。”他的实验室与黄河水电光伏产业技术有限公司、陕西煤业化工技术研究院有限责任公司、隆基绿能科技股份有限公司等企业及多所高校均有合作项目,为他们提供优质透明薄膜材料研发和相关技术支持。

由于便携电子设备的普及和流行,柔性透明导电薄膜的市场应用将越来越广。在刘生忠实验室的技术支持下,陕西煤业投资800万元,开展了“高性能柔性透明导电薄膜”研究。通过材料优化、光学设计和过程优化,目前已获得高性能柔性透明导电薄膜产品,这种低成本高效率太阳能产品各方面样品性能指标均优于国际先进水平,成本远低于同类产品。目前,该项目已通过中试阶段,正在走向产业化。企业已经购买了设备,正在新建厂房,准备规模化生产。“与企业的合作,实现了校企优势互补。企业活了,我们也‘活’了。”刘生忠风趣地说。

“我们和小企业合作基本上都是免费做的。”刘生忠坦言,“很多小企业想要转型,但是没有专业实力,我们能够帮助他们,实际上也是做对地方经济发展有益的事情。”任小东说:“一直以来,刘老师对清洁能源的产业化十分关注。他刚来到师大的时候,就告诉我们,清洁能源要真正形成产业化,就一定要克服造价偏高的问题,我们的研究方向就是要解决这个问题,让新能源能够普及到千家万户。六年来,刘老师一直坚持产学研结合的方向,为清洁能源的产业化付出了很多心血。”

“和学生一起做研究是我最大的乐趣”

2011年11月,刘生忠回到母校,担任化学与材料科学学院特聘教授、博导,成了一名副其实的老师。“教书育人是一份非常神圣的事业,教师,是我梦寐以求的职业。因为学生,冷冰冰的实验变得有温度、有情怀。”他很快适应了教师这个角色,在教师岗位上发光发热。“跟学生一起学习、吃饭、做研究是我最大的乐趣。”

在繁忙的教学科研和校外业务之外,他会尽自己所能,给学生创造更好的学习和研究环境。2016级硕士研究生张静茹说:“刘老师特别好,我们的学习、科研,甚至男女朋友他都会关心,就像亲人一样。而且他特别守时,也要求我们按时上课、按时做实验、按时吃饭,督促我们养成良好的生活习惯。”

他非常注重锻炼学生独立思考、解决问题的能力。在他看来,有效管理自己,慢慢脱离父母和老师的护航,是学生进入大学的必修课。他不喜欢像别的老师那样“管理”学生,而喜欢不断“挑战”学生,让学生学会应对挑战,每天进步一点点。“一开始,我觉得老师是一个沉默、不爱说话的人。后来接触多了,才发现他非常的谦逊、温和。让我顶礼膜拜的,是老师的思想和眼界。他不像一些老师那样细致入微,时时刻刻指导和关注学生,但是他对我们思想的启迪和行动上的支持无可取代。只要是对团队有益的,只要是我们研究需要的,不管是物质还是精神支持,他都毫不吝啬。我们成功申请了两个陕西省重点实验室:陕西省能源新技术工程实验室、 陕西省能源新材料与器件重点实验室。我们团队申请的国家基金也获得了大丰收,这都是在全国同行业里屈指可数的,整个团队都非常兴奋,大家的研究热情也更高了。”2016级硕士研究生王昊旭深有感触地说道。

他还特别注重培养学生的创新意识。他认为,创新不仅在研究中需要,在我们的生活和学习中也是非常必要的。“我们中国人的思维经常是让孩子不要输在起跑线上,但是,大家常常忘了最重要的一点,就是不能输在赛跑的过程中。”在日常生活、教学科研中,解决问题本身就是一种创新。因此,他总是跟学生不厌其烦地强调:不要假设自己比别人聪明,也不要假设自己比别人勤奋,要善于运用交叉学科的眼光看待研究、敢为人先。比如他研究的单晶材料,就是在大家都做微晶时独辟蹊径。

在刘生忠教授这种“任性”的教学方式影响下,学生们感到受益匪浅。刘渝城说:“刘老师时常教育我们要多看、多想、多实践,要注重培养创造性思维和团队意识。我从老师身上学到了许多做人、做事的道理,并且为自己的科研打开了更为广阔的天地。”截至目前,刘渝城在刘生忠教授的指导下,已经作为第一作者或者共同作者发表论文《Two-Inch-Sized Perovskite CH3NH3PbX3 (X=Cl,Br,I) Crystals: Growth and Characteriz ation》等16篇,申请了6项专利,是同级学生中无可争议的学霸。作为刘生忠教授在师大的第一位学生,任小东深有感慨地说:“老师的气度和学识让我深深折服。和老师见面后,我立刻决定拜在刘老师门下,之后又选择读刘老师的博士。感觉时间过得太快了。如果有机会,还想和老师多相处几年,一起多做几年实验。”

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