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有機太陽能電池:綠色能源未來的新選擇

作者:admin 發布日期:2019/1/10 關注次數: 二維碼分享


陳永勝和他的科研團隊 吳軍輝攝/光明圖片

陳永勝教授團隊制備的柔性有機太陽能電池器件。劉茜攝/光明圖片

有機太陽能電池的柔性特征和該研究工作的主要結果示意圖

     【科學向未來】

從遠古自然火的利用,到鉆木取火,直至煤炭、石油的利用,人類文明的發展本質上是能源利用能力的發展。迄今為止,人類當代文明和經濟發展很大程度上是建立在化石能源開發利用的基礎之上。到了21世紀,由于對地球上不可再生的化石能源儲量的擔憂,以及化石能源在開采與使用過程中衍生的日益嚴峻的環境污染,使得人們將探索的目光投向綠色可持續的能源領域,比如太陽能、風能、水能……

“唯有解決高效利用太陽能的科學問題,才是人類永續發展之路。”南開大學化學學院陳永勝教授斷言,“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隊將自己的科研使命濃縮為一句話——“向太陽要能源”!

1.有機太陽能電池有望商業化應用

在人類利用太陽能的各項技術中,太陽能電池,即利用“光生伏打效應”將光能直接轉換成電能的器件,是當前已獲得廣泛應用,同時也是較具發展前景的技術之一。

長期以來,人們更多地以晶硅等無機材料為基礎制備太陽能電池。但是這種電池生產存在工藝復雜、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、環境友好的新型有機材料研制出新型太陽能電池,眼下正成為世界各國科學家孜孜以求的目標。

“以地球上較豐富的碳材料為基本原料,通過技術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70年代起步的有機電子學及有機(高分子)功能材料的研究,為這一目標的實現提供了機遇。

與以硅為代表的無機半導體材料相比,有機半導體具有成本低、材料多樣性、功能可調、可柔性印刷制備等諸多優點。目前,基于有機發光二極管(OLED)的顯示屏已經實現了商業化生產,并在手機和電視顯示屏中獲得廣泛應用。

而基于有機高分子材料作為光敏活性層的有機太陽能電池,具有材料結構多樣性、可大面積低成本印刷制備、柔性、半透明甚至全透明等優點,具有無機太陽能電池技術所不具備的許多優良特性。除了作為正常的發電裝置外,在其他領域如節能建筑一體化、可穿戴設備等方面亦具有巨大的應用潛力,引起了學術界和工業界的極大興趣。

“特別是近年來,有機太陽能電池的研究獲得了突飛猛進的發展,光電轉化效率不斷刷新。目前科學界普遍認為有機太陽能電池已經到了商業化的‘黎明前夕’。”陳永勝說。

2.突破瓶頸:努力提高光電轉化效率

制約有機太陽能電池發展的瓶頸在于光電轉化效率偏低。提高光電轉化效率是有機太陽能電池研究的首要目標,也是其實現產業化的關鍵。因此,制備出高效率、低成本以及重現性良好的可溶液加工活性材料,則是提高光電轉化效率的基礎。

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

“這類材料具有結構單一、易提純、光伏器件結果重現性好等優點。”陳永勝說,早期,大多數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,使其應用前景受到很大限制。如何設計合成性能良好并具有確定分子結構的光伏活性層材料,是科學家們公認的關鍵難題。

憑借對該研究領域敏銳的洞察力和審慎分析,陳永勝果斷選擇了當時具有重大風險和挑戰的新型可溶液加工處理的有機小分子和寡聚物活性材料作為太陽能發電研究的突破點。從分子材料設計,到光伏器件的制備優化,陳永勝帶領科研團隊夜以繼日展開科研攻關,經過10年的不懈努力,終于建構出具有鮮明特色的寡聚小分子有機太陽能材料體系。

從效率5%到超過10%,再到17.3%,他們在不斷刷新有機太陽能電池領域光電轉化效率的世界紀錄。他們提出的設計理念和方法被科學界廣泛應用。十幾年來,他們在國際著名雜志發表了近300篇學術論文,申請獲得50多項發明專利。

3.轉化效率一小步,能源界一大步

陳永勝一直在思考:有機太陽能電池到底能達到多高的效率,能否較終媲美硅基太陽能電池?有機太陽能電池產業化應用的“痛點”在哪里,如何去破解?

在過去幾年中,雖然有機太陽能電池技術發展迅速,光電轉化效率已突破14%,但是與無機和鈣鈦礦等材料制備的太陽能電池相比,效率仍然偏低。雖然光伏技術應用要考慮效率、成本和壽命等多項指標,但效率始終是第一位的。如何發揮有機材料的優勢,通過優化材料設計和改進電池結構及制備工藝,從而獲得更高的光電轉化效率?

從2015年開始,陳永勝團隊開始進行有機疊層太陽能電池方面研究。他認為,要達到甚至超過以無機材料為基礎的太陽能電池技術性能的目標,設計疊層太陽能電池是一個極具潛力的方案——有機疊層太陽能電池可以充分利用和發揮有機/高分子材料具有的結構多樣性、太陽光吸收和能級可調節等優點,獲得具有良好太陽光吸收互補的子電池活性層材料,從而實現更高的光伏效率。

基于上述思路,他們利用團隊設計合成的系列寡聚小分子制備獲得12.7%的有機疊層太陽能電池,刷新了當時有機太陽能電池領域的效率,研究結果發表在領域頂級期刊《自然·光子學》,該項研究入選“2017年中國光學十大進展”。

有機太陽能電池的光電轉化效率究竟有多少提升空間?陳永勝和他的團隊系統梳理分析了目前有機太陽能領域材料和器件方面數以千計的文獻和實驗數據,結合自身的研究積累和實驗結果,預測出有機太陽能電池包括多層器件實際可達到的較高光電轉化效率,以及對理想活性層材料的參數要求。基于此模型,他們選用在可見和近紅外區域具有良好互補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%的光電轉化效率,這是目前文獻報道的有機/高分子太陽能電池光電轉化效率的世界較高紀錄,把有機太陽能電池的研究推向了一個新的高度。

“按照我國2016年43.6億噸標準煤當量的能源需求計算,如果有機太陽能電池光電轉化效率提高一個百分點,相應的能源需求由太陽能電池來產生,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,硅是信息時代較重要的基礎性材料,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的技術產品將是新材料學科可預見的發展方向。”

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