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編者按：在2018年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授的帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)的“面向能源轉(zhuǎn)化與存儲的有機(jī)和碳納米材料研究”項(xiàng)目榮獲了國家自然科學(xué)獎二等獎。

“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。”在南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)始終用“向太陽要能源”的科研使命來完成項(xiàng)目研究。在2018年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，他們的“面向能源轉(zhuǎn)化與存儲的有機(jī)和碳納米材料研究”項(xiàng)目榮獲了國家自然科學(xué)獎二等獎。請聽他們的故事。

太陽能可以說是“取之不盡用之不竭”的“無限”清潔能源。近年來，成本低、效率高、柔性強(qiáng)、環(huán)境友好的新型有機(jī)太陽能電池更是成為世界各國新能源研究競爭最為激烈的領(lǐng)域之一。

在南開大學(xué)校園內(nèi)，化學(xué)學(xué)院陳永勝教授帶領(lǐng)著一群人，十幾年致力于碳納米材料、有機(jī)功能材料及其在能源轉(zhuǎn)化與存儲等方面的研究，他們開發(fā)的有機(jī)太陽能電池器件光電轉(zhuǎn)化效率多次刷新世界紀(jì)錄。

太陽能電池迎來商業(yè)化“黎明前夕”

長期以來，人們大多以晶硅等無機(jī)原料為基礎(chǔ)制備太陽能電池，目前已商業(yè)化應(yīng)用的也多是這一類。但是，硬幣都有兩面。這種電池即使解決了不少問題，卻也存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、能耗大、污染嚴(yán)重等弊端。能否找到一種更先進(jìn)的替代品？世界各國科學(xué)家都孜孜以求、渴望有所突破。

“如果能利用地球上最豐富的元素——碳及其材料作為基本原料，實(shí)現(xiàn)高效低成本的綠色能源技術(shù)，對于解決目前人類面臨的重大能源問題意義重大。”陳永勝介紹，起步于20世紀(jì)70年代的有機(jī)電子學(xué)及有機(jī)（高分子）功能材料研究，為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)提供了重大機(jī)遇。

與以晶硅為代表的無機(jī)半導(dǎo)體材料相比，有機(jī)半導(dǎo)體具有成本低、材料結(jié)構(gòu)多樣性、可柔性印刷制備等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時，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，也因此具有無機(jī)太陽能電池技術(shù)所不具備的許多優(yōu)良特性。除作為正常的發(fā)電裝置外，在其他領(lǐng)域，比如節(jié)能建筑一體化、可穿戴設(shè)備等方面同樣有巨大的應(yīng)用潛力，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。

據(jù)了解，有機(jī)太陽能領(lǐng)域最初里程碑式的發(fā)展，屬于原美國柯達(dá)公司的鄧青云博士于1986年報(bào)告的雙層結(jié)構(gòu)染料光伏器件，光電轉(zhuǎn)換效率約為1%。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年努力，各國科學(xué)家在有機(jī)太陽能電池活性層的設(shè)計(jì)合成、器件優(yōu)化工藝及器件機(jī)理等多方面作了大量探索。

“特別是近年來，有機(jī)太陽能電池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，開發(fā)具有獨(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)的有機(jī)太陽能電池材料和技術(shù)，為我國贏得先機(jī)，一直是該領(lǐng)域中國科學(xué)家的努力方向。

瞄準(zhǔn)瓶頸求突破的勇毅最可貴

2018年夏天，努力終于有了收獲。陳永勝團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和制備的具有高效、寬光譜吸收特性的疊層有機(jī)太陽能電池材料和器件，實(shí)現(xiàn)了17.3%的光電轉(zhuǎn)化效率，再次刷新世界紀(jì)錄。這一成果讓有機(jī)太陽能電池向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)了一大步。

2007年，他們開始相關(guān)研究的時候，整個領(lǐng)域都處于低谷，光電轉(zhuǎn)化效率只有5%左右，最重要的碳納米材料石墨烯的研究國內(nèi)當(dāng)時甚至還是空白。從5%到17.3%，成就這個跨越故事的，是那份“向太陽要能源”的堅(jiān)定和那份瞄準(zhǔn)瓶頸求突破的勇毅。

陳永勝說，早期有機(jī)太陽能電池研究主要集中在聚合物的給體材料設(shè)計(jì)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)研究飛速發(fā)展，以及器件工藝對材料要求的不斷攀升，具有確定化學(xué)結(jié)構(gòu)可溶液處理寡聚小分子材料開始引起人們的關(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)性好的優(yōu)點(diǎn)。”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)用前景受到限制。如何設(shè)計(jì)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，是各國科學(xué)家面臨的挑戰(zhàn)。

那時候，雖然有困難，且有些人對有機(jī)太陽能電池的未來缺乏信心而選擇退出，但憑借敏銳的洞察力和審慎的分析力，陳永勝和他的團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持了下來，果斷選擇了具有重大風(fēng)險和挑戰(zhàn)的新型可溶液加工處理有機(jī)小分子和寡聚物活性材料作為太陽能發(fā)電研究突破點(diǎn)。目標(biāo)既定，雷厲風(fēng)行。從分子材料設(shè)計(jì)到光伏器件制備優(yōu)化，陳永勝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)夜以繼日展開科研攻關(guān)，經(jīng)過10多年的不懈努力，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。

接下來，才有了一次又一次的突破。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，申請獲得超過50項(xiàng)發(fā)明專利，在世界范圍內(nèi)打出了中國科學(xué)家的名號，使中國真正引領(lǐng)有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域的研究。

每一次突破都意味著一個新的開始

每一次突破都意味著一個新的開始。陳永勝總在思考：有機(jī)太陽能電池能達(dá)到多高的效率，能否最終媲美硅基太陽能電池？有機(jī)太陽能電池應(yīng)用的下一個“痛點(diǎn)”是什么，怎樣去破解？

其實(shí)，在17.3%之前，轉(zhuǎn)化效率已有一系列重要提升。但轉(zhuǎn)化效率每前進(jìn)一小步，人們會發(fā)現(xiàn)，與無機(jī)和鈣鈦礦等材料制備的太陽能電池相比，還是太低。雖然除了效率，光伏技術(shù)應(yīng)用還有多項(xiàng)參考指標(biāo)，但效率始終是第一位的。如何發(fā)揮有機(jī)材料優(yōu)勢，通過優(yōu)化材料設(shè)計(jì)、改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)及制備工藝獲得更高的光電轉(zhuǎn)化效率，就成了一道必答題。

從2015年開始，陳永勝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開始有機(jī)疊層太陽能電池的研究。在他看來，要達(dá)到甚至超過以無機(jī)材料為基礎(chǔ)的太陽能電池現(xiàn)有目標(biāo)，設(shè)計(jì)疊層太陽能電池是一個極具潛力的方案。因?yàn)橛袡C(jī)疊層太陽能電池可以充分利用和發(fā)揮有機(jī)/高分子材料的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)更高的光伏效率。

基于上述思路，他們利用團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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)》上，該項(xiàng)研究還入選了“2017年中國光學(xué)十大進(jìn)展”。

“這一研究結(jié)果大大提升了人們對有機(jī)太陽能電池的信心，同時表明我們還有更多可以做、必須做的事情。”陳永勝說。正是這句必須做，人們最終等來了中國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)17.3%的有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率。

“按照我國2016年43.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量能源需求計(jì)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(diǎn)，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使用4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，與之相應(yīng)的可減少二氧化碳排放約1.6億噸。”陳永勝說。

所以，在17.3%之后，陳永勝和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始布局并實(shí)施下一步研究規(guī)劃。“中國是名副其實(shí)的大國，必須加強(qiáng)自主創(chuàng)新，把發(fā)展的主動權(quán)牢牢掌握在自己手中。在新能源和核心材料等核心戰(zhàn)略領(lǐng)域，更不能依靠別人。作為科研人員，我們要有副‘寬肩膀’，肩負(fù)起應(yīng)該有的責(zé)任。”陳永勝告訴記者，他也希望研究團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)企業(yè)緊密合作，為中國在這一綠色能源領(lǐng)域的競爭中占據(jù)先機(jī)。 

原標(biāo)題：太陽能電池器件轉(zhuǎn)化效率刷新紀(jì)錄 向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)一大步