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中国科学院上海硅酸盐研究所

中国科学院上海硅酸盐研究所. 汇报纲要. 所情概述 项目介绍. 基本情况. 发展定位. 中国科学院上海硅酸盐研究所是中国科学院内唯一一所以 无机非金属材料 的基础研究为先导、高技术创新和应用发展研究为主体的综合性研究机构。. 应用 范围. 国防建设. 经济建设. 能源. 环境. 人体健康. 信息. 制造. 陶瓷. 人工晶体. 无机涂层. 复合材料. 玻璃. 粉体. 研究 领域. 中国科学院上海硅酸盐研究所. 基本情况. 研究领域.

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中国科学院上海硅酸盐研究所

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  1. 中国科学院上海硅酸盐研究所 汇报纲要 • 所情概述 • 项目介绍

  2. 基本情况 发展定位 中国科学院上海硅酸盐研究所是中国科学院内唯一一所以无机非金属材料的基础研究为先导、高技术创新和应用发展研究为主体的综合性研究机构。

  3. 应用 范围 国防建设 经济建设 能源 环境 人体健康 信息 制造 陶瓷 人工晶体 无机涂层 复合材料 玻璃 粉体 研究 领域 中国科学院上海硅酸盐研究所 基本情况 研究领域 紧密围绕国家科技中长期发展规划、中科院创新计划以及上海市中长期发展规划，以市场需求为牵引，努力在人工晶体、高性能结构与功能陶瓷、特种玻璃、无机涂层、生物环境材料、能源材料、复合材料及先进无机材料性能检测与表征等领域为我国国防和经济发展提供支撑。

  4. 基本情况 发展沿例 • 1928:国立中央研究院工程研究所 • 1953:中国科学院冶金陶瓷研究所 • 1959:独立建所，定名为中国科学院硅酸盐化学与工学研究所 • 1984:中国科学院上海硅酸盐研究所 国立中央研究院院长蔡元培（(左三) 和工程研究所所长周仁 (右二)，1934 1960年独立建所仪式 1985年中国科学院上海硅酸盐研究所正式挂牌仪式

  5. 嘉定新园区 上海地图 占地：220亩 建筑面积：30万平方米 嘉定区 嘉定园区 (220亩) 30公里 长宁区 定西园区 (26亩) 硅所园区 基本情况 园区分布

  6. 基本情况 人力资源 职工人数: 700人 在读研究生人数：350人 （博士180人，硕士170人）

  7. 增长60.2% 基本情况 成果与奖励 • 专利数:426项 （2008年居中国科研机构第七位） • 获奖数:810项 （其中国家级奖励45项） • 论文数:中国科研机构前十名 国内研究所论文排名 SCI /EI论文统计数据

  8. 基本情况 机构组成 • 1个国家重点实验室 • 6个院、地、部级实验室

  9. 基本情况 国际合作 • 已与以下多家国际知名大公司、大学和研究所建立了良好的长期合作关系： • 索尼公司 联合实验室 • 三星公司 纳米结构电致变色显示器件 • 通用电气 闪烁晶体应用研究 • 欧洲核子中心 电磁量能器用钨酸铅晶体 • 美国康宁公司 热电材料及其器件合作研究 • 德国马普协会 中德青年伙伴小组 • 日本国立材料科学研究所 合作关系

  10. 基本情况 国内合作 • 在经济发达地区，与企业建立了战略合作： • 上海电气集团 燃汽轮机热障涂层 • 上海市电力公司 储能电池 • 上海汽车工业总公司 热电材料 • 上海建材集团 新材料 • 中海油 石油勘探装备关键材料 • 大连金玛科技产业 装甲材料 • 韵升集团 光纤连接器 • 苏州创元集团 DPF蜂窝陶瓷及SG磨料 • 浙江达峰汽车 金属载体催化净化器 • 高淳陶瓷股份有限公司 堇青石蜂窝陶瓷 • ……

  11. 项目简介 染料敏化太阳能电池 薄膜太阳能电池用AZO透明导电玻璃 铜铟镓硒薄膜太阳能电池 热电材料 中温平板型固体氧化物燃料电池 LED衬底用高性能晶体材料 新型可见光激发的高效光催化材料 智能节能玻璃镀膜 TiO2防污涂料 高透过率PET导电膜 尾气处理用介孔纳米催化剂材料 人工关节

  12. 1、染料敏化太阳能电池 研究背景 累计安装太阳能容量(兆瓦) ROW: 其他地区 由于硅材料的短缺,2001-2008年，电池模块价格一直保持坚挺。用户对低成本太阳能电池的强烈期望，加上单晶、多晶硅电池材料高成本制造过程，让新型太阳能电池成了大势所趋。随着新型薄膜电池的普及, 太阳能电池价格将会大幅下降。 实际趋势 预期趋势

  13. 利用我所研制的纳米晶二氧化钛溶胶，成功开发出可丝网印刷的纳米晶二氧化钛Paste，其成本只有商业化产品的1/15利用我所研制的纳米晶二氧化钛溶胶，成功开发出可丝网印刷的纳米晶二氧化钛Paste，其成本只有商业化产品的1/15 1、染料敏化太阳能电池 研究进展 TiO2 Sol TiO2 Paste • 建立了染料(N719)合成和纯化工艺，成本为商业化产品的1/20；已申请一项国际发明专利

  14. 1、染料敏化太阳能电池 • 利用自己开发的纳米晶氧化钛Paste，效率达到11.02% • 封装电池的制作 4.8 X16.7 cm 电极：纳米晶TiO2，25mm 染料：钌基黑染料 电解质： DMPII/I2, MeAN 测试条件：AM 1.5，100 mW/cm2

  15. 2、铜铟镓硒太阳能电池（CIGS ) 研究背景 ZnO, TCO250 nm CdS70 nm CIGS CIGS1-2.5 µm Mo0.5-1 µm Glass,Metal Foil,Plastics 实验室层面上的CIGS在主流薄膜太阳电池中效率最高！

  16. ‘Efficient CIGS solar cells have been known for at least 10 years, but the problem has been to make them cheaply,’ … 'So far, CIGS cellsmade bycheaper routes have taken a big hit in their solar energy conversion efficiency.'  “The challenge has been to reliably make thin-film solar cells at a large scale. In the lab, CIGS solar cells have shown the highest efficiency of any thin-film cell (19.5 percent), exceeding that of some types of silicon solar panels made today. But, while no one expects to reach this level of efficiency in mass-produced cells, it has proved difficult to reliably make them with even a minimum level of efficiency needed to compete with other types of solar cells. ” Chemistry World First sales for 'world's cheapest solar cells' 2、铜铟镓硒太阳能电池（CIGS ) …关键问题是CIGS的低成本制造… …最大挑战在于薄膜太阳电池可靠、稳定的规模化制备技术。实验室的CIGS在薄膜太阳电池中效率最高，……但可靠的规模化制备极其困难，若能开发可靠稳定的制备技术，即使效率低一些也足以与其它太阳电池媲美…… 1、真空法的设备成本高，化学计量控制难； 2、CIGS薄膜的沉积是最核心、最关键的工艺； 3、CIGS薄膜的低成本、规模化制备是目前国际上的竞争焦点！

  17. 溶 解 2、铜铟镓硒太阳能电池（CIGS ) 研究进展 Cu+ In3+ Ga3+ Sen2- 发明了液相法制备CIGS新技术：计量比可控、退火温度低、工艺简单、低成本、易规模化。 柔性太阳电池开路电压565mV，短路电流31.92mA/cm2，能量转换效率达 11.59％ DMF混合溶剂 Cu, In, Ga, Se溶胶 旋 涂 CuIn1-xGaxSe2前驱膜 多 层 膜 退 火 CuIn1-xGaxSe2薄膜 中国专利

  18. 核心和瓶颈问题 第一代 关键材料制备 技术 效率 成本 第二代 第三代 3、薄膜太阳能电池用AZO透明导电玻璃 研究背景 晶硅电池 化合物半导体类薄膜电池 新概念高效率电池

  19. 薄膜电池示意图 3、薄膜太阳能电池用AZO透明导电玻璃

  20. In2O3:Sn（ITO） （1）In的稀缺、昂贵 （2）吸收部分可见光 （3）热稳定性（不宜用于DSC、Si电池中） 屏幕显示 太 阳 电 池 透 明 导 电 薄 膜 SnO2:F（FTO） （1）稳定性好 （氢等离子体氛围光学特性恶化） （2）透光性好 （3）CVD法制备 （4）CdTe、a-Si 屏幕显示 ZnO:Al（AZO） （1）稳定性好、成本低 （2）透光性好 （3）溅射法制备 （4）CIGS、a-Si CdTe、屏显 3、薄膜太阳能电池用AZO透明导电玻璃 已经成为太阳能电池关键材料中最值得期待的研究项目！

  21. 3、薄膜太阳能电池用AZO透明导电玻璃 研究进展 高性能透明导电薄膜的织构化制备工艺，尤其是氧化锌薄膜织构化技术成为光伏产业发展的重要关注点！ 2008年11月，全球领先的薄膜太阳能设备和电池供应商Oerlikon Solar在非晶硅技术上取得巨大突破：采用织构化的氧化锌透明导电层薄膜，大大提高了光的捕获性能，实现了“破纪录的性能”。 ZnO:Al 上海硅酸盐所制备的织构化AZO薄膜，其电导率和透光率等性能指标均达到了世界先进水平，具有广阔的市场前景。就非晶硅薄膜太阳电池而言，透明导电镀膜玻璃占其单电池成本的30%－40％以上。 SICCAS

  22. V 4、热电转换材料 研究背景 S= V / T TC TH Th 利用温差发电 GALILEO 热电半导体材料 Tc

  23. 4、热电转换材料 应用领域 • 冷却元件，高精度温控 • 特殊空调、环保型冰箱、汽车座椅冷却系统等。 • 特殊电源，绿色能源 • 空间电源、输气管阴极保护 • 利用废热 · 余热发电等。 汽车空调，尤其是盛夏汽车起步初期驾驶室的致冷。

  24. 5％摩擦 40％废气 25％驱动 30％ 引擎散热 4、热电转换材料 工业废热 10%用于 热电发电 年发电量＝1000亿度 1012 kWh/年 10% 相当于三峡电量 1013 kWh/年 h =10% • T: 200～500℃ • 低密度热能 热电转换效率～10% 汽油燃烧 30% 引擎 100% 燃 油 • 汽车尾气发电: • 目前热电发电可回收汽油 6～8％ • 可节约汽油～500万吨/年（2005年数据） • T: ～500℃ • 低密度热能，移动性

  25. Wavelength segregator IR (800～3000nm) Fresnel lens Heat collector Sunlight collector Reflection lens cooling UV & visible light (200～800nm) Thermoelectric generator (T >500 C) Solar cell (T < 80C) 4、热电转换材料 太阳能全光谱热电-光电复合发电技术 PV/TE 复合发电概念为提高太阳能综合利用率提供了一种新的可能，在国际上开始获得高度关注和重视。

  26. 4、热电转换材料 研究内容 • 晶界与纳米结构优化 • 纳米结构高温稳定性 • 材料性能服役稳定性 源头创新 高性能热电转换材料 • 器件结构优化 • 电极焊接新技术 • 器件服役稳定性 • 器件评价技术 重点攻关 器件设计与集成技术 应用牵引 热电发电应用系统的研发 特种电源 热电发电器 汽车尾气 余热发电系统

  27. 5、平板型中温固体氧化物燃料电池（SOFC） • 实现了甲烷、酒精燃料中的小功率放电 • 国内首家实现大功率平板型中温SOFC发电 • 2kW级中温SOFC已经通过了科技部的验收，是目前我国研制的最大供率的SOFC • 大面积阳极支撑复合膜实现小批量生产，进一步缩短了我国与世界水平的差距 国家“十五”863重点支持项目 “十一五”863目标导向性立项支持

  28. 5、平板型中温固体氧化物燃料电池（SOFC） 5kW级电池堆测试平台 多次运行了含数片电池的小堆和含60片电池的大堆

  29. 6、LED衬底用高性能晶体材料 研究背景 第三代半导体材料氮化镓基LED，由于节能、长寿命、体积小、免维护、环保,替代白炽灯，在显示、照明、探测等方面显示出广阔前景。 2003年7月，我国正式启动了“国家半导体照明工程”。 2004年4月，“上海半导体照明工程产业化基地”挂牌，成为我国六大产业基地之一。 抢占半导体照明新兴产业制高点的争夺战已在全球打响

  30. 6、LED衬底用高性能晶体材料 半导体照明产业链 关键制备技术被美、日、欧等少数发达国家所垄断，蓝宝石和SiC晶体全部依赖进口，已经成为制约我国半导体产业和信息产业的瓶颈。 蓝宝石和SiC晶体是半导体LED照明最重要的产业化衬底，并以40%的需求速度迅速增加，其市场成长期达50年之久。据统计：国内2英寸衬底年需求168万片；国际市场年需求720万片，约需晶体50吨左右。

  31. 6、LED衬底用高性能晶体材料 研究进展（获国家奖4项、部委奖4项发明专利30余项） • 我所是目前国际上最大的闪烁晶体供应商、占美国GE公司市场份额85%以上；参与建设西欧核子中心CMS等国际大科学工程。获国际CERN颁发的CMS Crystal Award（2008）、2001年度全球杰出竞争力奖、 2002年度杰出质量奖、 2003年度优秀供应商奖； • BGO获国家发明一等奖；PbWO4获国家发明二等奖 • 正在开发BaF2；LYSO等其他人工晶体。 本项目将重点突破大尺寸蓝宝石和SiC单晶片切、磨、抛制备产业化关键技术、打破美、日、欧等少数发达国家对衬底晶体制备技术的垄断，促进我国半导体产业和信息产业的健康发展！建立闪烁晶体单晶片规模化生产线，继续保持我国闪烁晶体生产技术在国际上的领先地位 16*16（1mm） 碘化铯闪烁晶体 锗酸铋闪烁晶体 钨酸铅闪烁晶体 欧洲大型强子对撞机CMS装置晶体模块最后安装阶段 31

  32. 7、高效光催化材料 研究背景 利用太阳光净化环境？ 同时体现清洁能源和环境净化

  33. 7、高效光催化材料 光催化材料BMO的设计与合成 • 仿制叶片表面凹凸结构，实现对光能的高效利用 • 厚度薄，仅几个纳米，实现高比表面 • 面积大，几个微米，易分离 • 催化效率高

  34. 7、高效光催化材料 研究进展 在氨氮废水净化方面的性能 纳氏试剂比色法测定氨氮含量 • 氨氮含量超标是水体富营养化的主要原因之一 • 现有的活性污泥法处理周期长，污泥二次污染，菌种驯化难…… • 国家将氨氮排放指标从10 mg/L提升到5 mg/L • 高效光催化材料可大幅消减氨氮含量

  35. 7、高效光催化材料 污水中COD的消减 太湖水COD值的消减 染料溶液COD光催化消减 • 化学需氧量( COD)是衡量有机污染物含量的必查指标之一 • 国家已将污水排放COD指标从100 mg/L提高到50 mg/L • 通常采用氧化剂投料对环境造成二次污染，且成本高 • 光催化材料高效消减COD值

  36. 7、高效光催化材料 光催化反应器的优化设计 光伏供电 光催化与光伏连用，在不外加能源的条件下，实现污水净化，实现节能、减排

  37. 建筑节能现状： 建筑能耗效率低、污染严重 • 单位面积能耗比气候条件接近的发达国家高2－3倍 • 建筑供暖造成的空气污染比发达水平高2－5倍 • 建筑能耗已占社会总能耗的30% • 供热采暖能耗占社会总能耗10%，约1.3亿吨标准煤 8、EBC涂层智能节能膜 研究背景 2005年建设部设定了两个阶段目标： 1、到2010年，新建建筑总耗能要实现节能50%； 2、到2020年，节能65%。

  38. Roof 6% Roof 9% 17% 5% ventilation 窗户 48% 窗户 71% wall 19% heating cooling wall 13% floor 10% floor 2% 冬季 夏季 数据采自单层窗户 8、EBC涂层智能节能膜 在节能领域，建筑节能问题最为突出！！ 智能建筑节能主体：智能储放热墙体，智能窗 • 降低窗户能量交换是降低建筑能耗的关键！ 总体研究思路：利用纳米科学与技术，通过控热调光实现自主控温， 达到智能节能！

  39. 8、EBC涂层智能节能膜 研究进展 物理法 波长与颜色 设计和剪裁 化学法 大面积制备 与光学性能 提升 可见光透过率峰值 ~53%，红外阻挡率~50% 尺寸：300 X 400 mm 首次成功开发了大面积制备VO2智能温控节能窗的化学新方法， 其性能达到国际最好水平，已申请发明专利四项。

  40. 8、EBC涂层智能节能膜 镀膜玻璃节能效果演示 镀膜侧25.1C 25.1 C 镀膜侧28.0 C 32.6 C 室内温度随时间变化 情况 31.5 C 40.0C 加热结束后

  41. 9、外墙涂料自洁剂 SICCAS 环保外墙涂料自洁剂采用光能自洁原理，赋予了建筑外墙涂料自清洁和抗老化的功能，可以匹配多种外墙涂料，特别适合耐沾污性较差的弹性涂料或质感涂料以及容易老化变色的彩色涂料，性能明显优于传统的硅丙清漆或有机硅罩面材料，代表了建筑自洁科技的发展方向。 • 经济价值：使用本产品后综合成本每平米至少可降低20元以上。 • 环保特性：涂刷本产品的外墙墙面每平米每天可降解甲醛、苯系污染物以及TVOC等有害气体6.9 mg。 • 社会效益：建筑外墙涂刷本产品不但可以节约综合成本，让建筑保持洁净如新，而且也让空气变得更清新健康。

  42. 9、外墙涂料自洁剂

  43. 10、高透过率触摸屏用ITO导电玻璃 ITO导电玻璃是在钠钙基或硅硼基基片玻璃的基础上，利用磁控溅射的方法镀上一层氧化铟锡（俗称ITO）膜加工制作成的，是公用信息查询服务系统、银行ATM机、手机、视频音乐点播机等触摸屏的主要材料，产品基本上依赖国外，国内处于供不应求的局面，具有良好的市场前景。 中科学院上海硅酸盐所从上世纪70年代始开展航天器热控材料应用研究，其中有近十个产品应用了ITO透明导电膜，拥有两项ITO薄膜器件的发明专利，具有实验室批量生产能力。目前ITO透明导电膜核心技术获得国防科工委科技成果三等奖和上海市科技成果奖励三等奖。

  44. 10nm (a) 11、汽车尾气处理用纳米介孔复合材料 研究背景 • 复合介孔催化剂——高比表面积、高热稳定性、低贵金属负载量，很好解决了催化剂涂覆于金属载体这一国际性的技术难题！ • 金属载体优点——壁薄、机械强度及耐久性好、排气流阻小、热传导性好、热容量小，满足超低排放的法规要求！

  45. 11、汽车尾气处理用纳米介孔复合材料 研究进展 上海硅酸盐所利用自行研制的高效纳米介孔催化剂和涂敷技术与浙江达峰汽车有限公司共同开发了全金属三元催化净化器，现已批量生产。 主要技术指标达到国际“欧Ⅳ”标准；可以使用到与汽车的“法定”寿命同步；成本降低到现有陶瓷产品的三分之一； 在不加载其他预热手段的常态下，在汽车启动后的40秒内转化率达到国家标准。

  46. 12、人工关节生物涂层 • 应用：人工关节表面生物涂层 • 特点:自1998年始，上海硅酸盐所对人工髋关节用真空等离子喷涂钛和羟基磷灰石涂层进行研制，现已进入涂层生产阶段。科技成果获国家发明三等奖、上海市科学进步二等奖。真空等离子喷涂钛和羟基磷灰石涂层的主要性能指标达国际先进水平。2003年至今已完成人工髋臼、股骨柄涂层10000余件供临床应用，社会和经济效益均比较显著。 • 合作模式：提供技术服务、技术转让 • 投资规模：2000万元

  47. 展望 • 继续致力于新型先进无机材料的基础研究与应用研究 • 为国家和社会提供更多有价值的无机材料研究应用结果及产品服务 • 将上海硅酸盐所建设成世界一流研究所

  48. 感谢各位领导对我所的关心和支持！

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