真空物理是研究稀薄气体物理运动规律的理论。真空技术的理论基础,主要采用统计物理和热力学方法研究稀薄气体分子之间,分子与器壁之间的作用,内容包括涨落现象、分子速度和能量分布偏离常态理想气体麦克斯韦分布的特点、真空技术中所涉及的严重的非平衡态、气体与固体表而的相互作用等。深圳大学薄膜物理与应用研究所所长范平教授长期以来致力于真空物理方面的创新研究,独立提出了“分层流动模型流导计算理论”,从理论上解决过渡态时真空管道的流导计算困难,被认为在流导计算上,提出了新的见解、新的理论,其结果对于真空设备与抽气系统的设计、航天技术等方面有广泛的应用意义。

  范平教授,1963年11月生,福建永定人,中共党员。浙江大学物理学专业本科毕业,中国科学院研究生院(上海光学精密机械研究所)博士。1985年到深圳大学任教,历任理学院党委副书记、理学院党委书记、物理科学学院党委书记等职。1995年获得深圳市“十佳青年教师”荣誉称号,1996年获得广东省“南粤教坛新秀”荣誉称号,2003年晋升为教授。现任深圳大学物理与能源学院院长、深圳市先进薄膜与应用重点实验室主任、深圳大学薄膜物理与应用研究所所长。深圳大学物理学一级学科负责人、薄膜物理与技术交叉学科带头人。同时兼任中国真空学会理事、广东省物理学会副理事长、深圳市真空学会理事长、《真空科学与技术学报》编委。在真空物理与技术的研究外,还长期从事薄膜物理与技术特别是薄膜半导体材料与器件的研究,取得了累累硕果。

  在薄膜物理与技术方面,范平教授在Boltzmann 方程的基础上,建立了同时考虑表面散射和晶界散射的金属薄膜的电子输运新的理论模型,得到了新的电导率计算公式,在此基础上研究了金属薄膜热电势随金属薄膜厚度变化的关系。深入研究了用于软X射线光学多层膜的金属材料薄膜的物理性质、成膜过程特别是对连续膜开始成膜条件与判据的实验与理论,取得了很有价值的新成果。提出了金属薄膜连续性的光学特性特征判据和电学特性特征判据。近年来,范平教授提出并深入研究了一种基底两面镀膜的电流方向沿薄膜表面的薄膜热电发电器、柔性薄膜热电发电器和基于多层膜结构的薄膜热电发电器。同时,对新型温敏探头和Seebeck系数测量仪进行了研发,设计制备出了新的样机。研发出全新结构的热电堆方向与激光方向平行的“平行式热电激光功率探头”,很好地解决了传统结构热电式激光功率探头的体积大与应用灵活性差的问题。目前中试产品的各项技术参数均达到国际水平并填补了国内的技术空白。研发出一种利用太阳能聚热的温差发电系统,已与企业合作建立起1.2kW的太阳能聚热发电系统示范工程,目前正在开展10kw温差发电机组示范工程项目。同时,多年来还对薄膜太阳能电池,尤其是铜铟镓硒和钙钛矿太阳电池进行了较深入的研究。

  范平教授以第一作者或通讯作者在Appl Phys Lett。 , Prog。 Photovolt: Res。 Appl。, Scientific Reports等国内外主要专业期刊上发表论文80余篇。被SCI收录60余篇。获得美国、欧盟和日本等国家授权发明专利7项,国内发明专利授权11项、实用新型专利3项。获得广东省科技成果登记一项:粤科成(2)字[2018]0011 “高性能Bi-Sb-Te基薄膜温差电池制造及温差发电示范工程” 。

  范平教授及其团队主要最新研究成果介绍如下:

  一、高性能薄膜温差电池

  热电材料具有热能和电能之间相互转换的功能特性,是一种新型能源材料。其制备的热电器件具有无污染、可靠性高和使用寿命长等优点。鉴于受传统薄膜温差电池制备技术的限制,难以制造高效的温差电池这一难题,以及大部分专利技术都被欧美等发达国家所掌握等这些薄膜温差电池发展领域的困境。课题组于2008年底提出具有自主知识产权的两种新型结构的薄膜温差电池:(1)双面膜结构;(2)多层膜结构。并同时申请国内外发明专利以及基于这两种结构研发高效的薄膜温差电池。相较于传统结构的薄膜温差电池,这两种新型结构的薄膜温差电池,首先通过全膜层化手段,大幅度的降低了传统制备技术中难以大规模集成的难题;其次,多膜层化的制备结构,也可以大幅度的提高材料的利用率,降低电池的制造成本;最重要的是,这两种结构都采用镀制化电极结构,避免了传统结构中电池需焊接的制备流程,这一创新点,不仅简化了电池的制备工艺,同时这种电极的制备方式可提高电池连接的稳定性和保证电池的输出特性。

  范平教授及其团队使用Bi-Sb-Te基体系作为热电原材料,并选取Cu作为电极材料,利用离子束溅射单元复合靶的新技术,在硬质基底成功开发出了全膜层化的薄膜温差电池,该电池具有良好输出特性和稳定性,证明了该结构的可信性,该成果于2013年发表于物理学领域的重要期刊Applied Physics Letters上;范平教授及其团队进一步选用成本更低的ZnSb基和ZnO基热电薄膜作为原材料以及选用低成本、可弯曲的柔性衬底作为衬底,开发具有更广泛应用领域的柔性薄膜温差电池。通过磁控共溅射技术的工艺优化,使在柔性衬底上制备的新型ZnSb和ZnO基热电薄膜的性能达到实用化要求,并通过缓冲层结构,进一步解决了柔性薄膜温差电中关键的电极连接、热稳定性等相关难题,最终成功的开发出了具有高效的输出特性和稳定性的柔性薄膜温差电池,进一步的拓展了该电池的应用领域,该成果也于2015年发表于Applied Physics Letters上。近期,范平教授及其团队已经通过技术优化和单体电池绑定设计,实现了多单体薄膜器件之间的连接和封装,成功的制备出了输出电压接近7V的电池组,该电池组功率密度达1mW/cm2、连接损耗低于5 %、转换效率超过10%,这是目前国内外相关研究中的最优值之一。

  二、太阳能聚热温差发电系统

  太阳能聚热发电系统是太阳能热发电技术之一。开发高性能太阳能聚热温差发电工程,具有十分重要的实际意义,对于我国的经济和环境的可持续发展等都具有重大的战略意义。国内对太阳能光热发电技术研究较晚,特别是太阳能温差发电技术研究还相对较少,还与国外存在一定的差距。作为一种环境友好型的节能技术,温差发电在太阳能等新能源利用方面起着非常重要的作用。

  范平教授及其团队采用太阳能聚热系统和温差发电系统,开发太阳能聚热温差发电示范系统,建立了千瓦级温差发电示范工程。集热系统采用太阳能槽式聚光集热系统,采用直流电机通过合理的机械结构和杠杆原理低能耗地驱动了支架的转动。跟踪系统采用光控与时控相结合的方式,实现了对太阳的精确跟踪。蓄热系统采用多尺寸储热罐,可根据热源情况进行选择,提高热源的利用率。发电系统采用温差发电材料,通过合理的管道设计减少了热介质热量的流失和辐射,提高发电效率。同是模块化的设计,可以通过简单的串并联实现发电量的提升,满足不同热源的发电需求。搭配智能温控技术、异常监控系统和末端蓄电系统实现了集热系统的自动化运行。

  相关技术获得广东省教育部产学研结合重点项目的支持,已与企业合作建立起1.2kW的太阳能聚热发电系统示范工程。而且温差发电系统可以独立,应用在工业余热、汽车尾气、垃圾焚烧废气等废弃热量的回收发电,减少环境污染,提高能源利用率。

  三、平行式热电激光功率探头

  随着激光技术的发展,激光器在越来越广泛。在激光器的研制、生产及应用过程中,对激光器的功率进行测量和标定是必不可少的步骤。激光功率计就是用来测试连续激光的功率或者脉冲激光在某一段时间的平均功率的仪器,其广泛地应用于医用激光设备和工业激光系统,激光源功率监控系统,功率计量以及大学和科研机构中,涵盖了激光美容、激光医疗、激光打标、激光切割、激光钻孔、激光焊接、3D打印等行业。

  激光功率探头的出现彻底改变了原来简单的工具式测量方式,激光功率探头可以集成在激光加工设备中,在线实时对激光器输出的功率做监测。随着下游客户对激光设备的要求越来越高。更多的激光设备生产商选择在设备出厂前会集成激光功率探头,也称为OEM功率计,这也成为激光功率探头得到广泛应用的一个重要原因。

  现在市场上的激光功率探头主要有传统结构的热电式型和光电二极管型。光电二极管型激光功率探头,光电二极管型探头的响应时间快,响应频率高,但是对使用波长有一定限制,传统结构的热电式型激光功率探头由于本身结构的局限性,体积一般比较大,应用灵活性不够。

  目前,激光功率探头生产的厂家国外有三大厂家,分别是以色列的OPHIR公司,美国的COHERENT公司以及美国的THORLABS公司,其中,以色列的OPHIR公司的产品性能最优。国内有一两家厂家正在开发传统结构的激光功率探头,产品刚形成。

  范平教授及其团队新研发出一款热电式激光功率探头“平行式热电激光功率探头”,是区别于传统激光功率探头的创新成果,其热电模块方向与激光入射方向在同一直线上,再加上根据内部热传导理论模型设计出的专利结构技术,有效地减小了功率计的体积与重量。5W的激光功率探头的体积仅为传统结构功率探头的十五分之一,体积变小使得耗材更少,重量更轻。体积小带来了应用灵活性强的特点,使其可集成在各类设备内部监控激光实时功率,还可制备成手持式探测器。平行式热电式激光功率探头采用了外壳与冷端散热一体化设计,很好地解决外壳与冷端之间热传导带来的一系列不稳定性问题。同时,该探头解决了由于环境温度的变化以及大功率激光长时间照射给探头带来的偏差问题,保证各种环境下测试的准确性。各项参数均已达到国际一流产品的水平。平行式热电激光功率探头的新技术很好地填补了国内的技术空白,相关产品也已完成终试与试用,进入外观设计的最后阶段,不久将推向市场。

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