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有機(jī)太陽能電池:未來綠色能源的新選擇
日期:2019-01-03   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:anni_hyp 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
從遠(yuǎn)古自然火的利用,到鉆木取火,直至煤炭、石油的利用,人類文明的發(fā)展本質(zhì)上是能源利用能力的發(fā)展。迄今為止,人類當(dāng)代文明和經(jīng)濟(jì)發(fā)展很大程度上是建立在化石能源開發(fā)利用的基礎(chǔ)之上。到了21世紀(jì),由于對地球上不可再生的化石能源儲量的擔(dān)憂,以及化石能源在開采與使用過程中衍生的日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染,使得人們將探索的目光投向綠色可持續(xù)的能源領(lǐng)域,比如太陽能、風(fēng)能、水能……

“唯有解決高效利用太陽能的科學(xué)問題,才是人類永續(xù)發(fā)展之路。”南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授斷言,“太陽是萬物之母,能源之‘源’。每時每刻抵達(dá)地球的太陽光能量若能被利用萬分之二,即可滿足目前人類社會的全部能源需求。”也正因為如此,陳永勝教授和他的團(tuán)隊將自己的科研使命濃縮為一句話——“向太陽要能源”!

有機(jī)太陽能電池:綠色能源未來的新選擇

陳永勝和他的科研團(tuán)隊 吳軍輝攝/光明圖片

1.有機(jī)太陽能電池有望商業(yè)化應(yīng)用

在人類利用太陽能的各項技術(shù)中,太陽能電池,即利用“光生伏打效應(yīng)”將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件,是當(dāng)前已獲得廣泛應(yīng)用,同時也是最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。

長期以來,人們更多地以晶硅等無機(jī)材料為基礎(chǔ)制備太陽能電池。但是這種電池生產(chǎn)存在工藝復(fù)雜、成本高、能耗大、污染重等弊端。能否找到一種成本低、效率高、柔性強(qiáng)、環(huán)境友好的新型有機(jī)材料研制出新型太陽能電池,眼下正成為世界各國科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。

“以地球上最豐富的碳材料為基本原料,通過技術(shù)手段獲得高效低成本的綠色能源,對于解決目前人類面臨的重大能源問題具有極其重大的意義。”陳永勝介紹,從20世紀(jì)70年代起步的有機(jī)電子學(xué)及有機(jī)(高分子)功能材料的研究,為這一目標(biāo)的實現(xiàn)提供了機(jī)遇。

與以硅為代表的無機(jī)半導(dǎo)體材料相比,有機(jī)半導(dǎo)體具有成本低、材料多樣性、功能可調(diào)、可柔性印刷制備等諸多優(yōu)點。目前,基于有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)的顯示屏已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn),并在手機(jī)和電視顯示屏中獲得廣泛應(yīng)用。

而基于有機(jī)高分子材料作為光敏活性層的有機(jī)太陽能電池,具有材料結(jié)構(gòu)多樣性、可大面積低成本印刷制備、柔性、半透明甚至全透明等優(yōu)點,具有無機(jī)太陽能電池技術(shù)所不具備的許多優(yōu)良特性。除了作為正常的發(fā)電裝置外,在其他領(lǐng)域如節(jié)能建筑一體化、可穿戴設(shè)備等方面亦具有巨大的應(yīng)用潛力,引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。

“特別是近年來,有機(jī)太陽能電池的研究獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,光電轉(zhuǎn)化效率不斷刷新。目前科學(xué)界普遍認(rèn)為有機(jī)太陽能電池已經(jīng)到了商業(yè)化的‘黎明前夕’。”陳永勝說。

有機(jī)太陽能電池:綠色能源未來的新選擇

陳永勝教授團(tuán)隊制備的柔性有機(jī)太陽能電池器件。劉茜攝/光明圖片

2.突破瓶頸:努力提高光電轉(zhuǎn)化效率

制約有機(jī)太陽能電池發(fā)展的瓶頸在于光電轉(zhuǎn)化效率偏低。提高光電轉(zhuǎn)化效率是有機(jī)太陽能電池研究的首要目標(biāo),也是其實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。因此,制備出高效率、低成本以及重現(xiàn)性良好的可溶液加工活性材料,則是提高光電轉(zhuǎn)化效率的基礎(chǔ)。

陳永勝介紹,早期的有機(jī)太陽能電池的研究主要集中在聚合物的給體材料的設(shè)計合成,活性層是基于富勒烯衍生物受體的本體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。隨著相關(guān)研究的不斷推進(jìn),以及器件工藝對材料的更高要求,具有確定化學(xué)結(jié)構(gòu)的可溶液處理寡聚小分子材料開始引起人們的強(qiáng)烈關(guān)注。

“這類材料具有結(jié)構(gòu)單一、易提純、光伏器件結(jié)果重現(xiàn)性好等優(yōu)點。”陳永勝說,早期,大多數(shù)小分子溶液處理成膜性不好,因此主要采用蒸鍍的方法制備器件,使其應(yīng)用前景受到很大限制。如何設(shè)計合成性能良好并具有確定分子結(jié)構(gòu)的光伏活性層材料,是科學(xué)家們公認(rèn)的關(guān)鍵難題。

憑借對該研究領(lǐng)域敏銳的洞察力和審慎分析,陳永勝果斷選擇了當(dāng)時具有重大風(fēng)險和挑戰(zhàn)的新型可溶液加工處理的有機(jī)小分子和寡聚物活性材料作為太陽能發(fā)電研究的突破點。從分子材料設(shè)計,到光伏器件的制備優(yōu)化,陳永勝帶領(lǐng)科研團(tuán)隊夜以繼日展開科研攻關(guān),經(jīng)過10年的不懈努力,終于建構(gòu)出具有鮮明特色的寡聚小分子有機(jī)太陽能材料體系。

從效率5%到超過10%,再到17.3%,他們在不斷刷新有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域光電轉(zhuǎn)化效率的世界紀(jì)錄。他們提出的設(shè)計理念和方法被科學(xué)界廣泛應(yīng)用。十幾年來,他們在國際著名雜志發(fā)表了近300篇學(xué)術(shù)論文,申請獲得50多項發(fā)明專利。

有機(jī)太陽能電池:綠色能源未來的新選擇

有機(jī)太陽能電池的柔性特征和該研究工作的主要結(jié)果示意圖

3.轉(zhuǎn)化效率一小步,能源界一大步

陳永勝一直在思考:有機(jī)太陽能電池到底能達(dá)到多高的效率,能否最終媲美硅基太陽能電池?有機(jī)太陽能電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的“痛點”在哪里,如何去破解?

在過去幾年中,雖然有機(jī)太陽能電池技術(shù)發(fā)展迅速,光電轉(zhuǎn)化效率已突破14%,但是與無機(jī)和鈣鈦礦等材料制備的太陽能電池相比,效率仍然偏低。雖然光伏技術(shù)應(yīng)用要考慮效率、成本和壽命等多項指標(biāo),但效率始終是第一位的。如何發(fā)揮有機(jī)材料的優(yōu)勢,通過優(yōu)化材料設(shè)計和改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)及制備工藝,從而獲得更高的光電轉(zhuǎn)化效率?

從2015年開始,陳永勝團(tuán)隊開始進(jìn)行有機(jī)疊層太陽能電池方面研究。他認(rèn)為,要達(dá)到甚至超過以無機(jī)材料為基礎(chǔ)的太陽能電池技術(shù)性能的目標(biāo),設(shè)計疊層太陽能電池是一個極具潛力的方案——有機(jī)疊層太陽能電池可以充分利用和發(fā)揮有機(jī)/高分子材料具有的結(jié)構(gòu)多樣性、太陽光吸收和能級可調(diào)節(jié)等優(yōu)點,獲得具有良好太陽光吸收互補(bǔ)的子電池活性層材料,從而實現(xiàn)更高的光伏效率。

基于上述思路,他們利用團(tuán)隊設(shè)計合成的系列寡聚小分子制備獲得12.7%的有機(jī)疊層太陽能電池,刷新了當(dāng)時有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域的效率,研究結(jié)果發(fā)表在領(lǐng)域頂級期刊《自然·光子學(xué)》,該項研究入選“2017年中國光學(xué)十大進(jìn)展”。

有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率究竟有多少提升空間?陳永勝和他的團(tuán)隊系統(tǒng)梳理分析了目前有機(jī)太陽能領(lǐng)域材料和器件方面數(shù)以千計的文獻(xiàn)和實驗數(shù)據(jù),結(jié)合自身的研究積累和實驗結(jié)果,預(yù)測出有機(jī)太陽能電池包括多層器件實際可達(dá)到的最高光電轉(zhuǎn)化效率,以及對理想活性層材料的參數(shù)要求?;诖四P停麄冞x用在可見和近紅外區(qū)域具有良好互補(bǔ)吸收能力的前電池和后電池的活性層材料,獲得了驗證效率為17.3%的光電轉(zhuǎn)化效率,這是目前文獻(xiàn)報道的有機(jī)/高分子太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的世界最高紀(jì)錄,把有機(jī)太陽能電池的研究推向了一個新的高度。

“按照我國2016年43.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量的能源需求計算,如果有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率提高一個百分點,相應(yīng)的能源需求由太陽能電池來產(chǎn)生,就意味著每年可減少二氧化碳排放約1.6億噸。”陳永勝說。

有人說,硅是信息時代最重要的基礎(chǔ)性材料,其重要性不言而喻。但在陳永勝看來,硅材料也有其缺點:“且不說硅材料在制備過程中需要付出巨大的能源和環(huán)境代價,它的硬、脆特性也難以滿足未來人類對于‘可穿戴’器件的柔性要求。因此,以具有良好的可折疊的柔性碳材料為基礎(chǔ)的技術(shù)產(chǎn)品將是新材料學(xué)科可預(yù)見的發(fā)展方向。”

原標(biāo)題:有機(jī)太陽能電池:綠色能源未來的新選擇
 
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來源:光明日報
 
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