Fra bruk av gammel naturlig ild, til bruk av boreved til brann, til bruk av kull og olje, er utviklingen av menneskelig sivilisasjon i hovedsak utviklingen av energiutnyttelsesevne. Så langt er menneskelig sivilisasjon og økonomisk utvikling i stor grad basert på utvikling og utnyttelse av fossil energi. I det 21. århundre, på grunn av bekymringen for de ikke-fornybare fossile energireservene på jorden, samt den stadig mer alvorlige miljøforurensningen som kommer fra utnyttelse og bruk av fossil energi, vil folk utforske det grønne bærekraftige energifeltet, som f.eks. solenergi, vindenergi, vannenergi...
"Bare å løse det vitenskapelige problemet med effektiv bruk av solenergi er veien til bærekraftig utvikling av menneskeheten." Professor Chen Yongsheng, School of Chemistry, Nankai University, hevdet: "Sola er alle tings mor og 'kilden' til energi. Hvis solenergien som når jorden når som helst kunne utnyttes til to deler per 10.000, hele energibehovet til det menneskelige samfunn kunne dekkes På grunn av dette kondenserte professor Chen Yongsheng og teamet sitt vitenskapelige forskningsoppdrag til én setning - "til solen for. energi"!
1. Organiske solceller forventes å bli kommersialisert
I menneskelig bruk av solenergiteknologier er solceller, det vil si bruken av "fotovoltaisk effekt" for å direkte konvertere lysenergi til elektriske energienheter, for tiden mye brukt, men også en av de mest lovende teknologiene.
I lang tid har folk vært mer basert på uorganiske materialer som krystallinsk silisium for å forberede solceller. Imidlertid har produksjonen av denne typen batteri ulemper som komplisert prosess, høye kostnader, høyt energiforbruk og kraftig forurensning. Om man skal finne et nytt organisk materiale med lav pris, høy effektivitet, sterk fleksibilitet og miljøvennlighet for å utvikle en ny type solcelle, er nå i ferd med å bli målet for forskere over hele verden.
"Å bruke det rikeligste karbonmaterialet på jorden som det grunnleggende råstoffet, skaffe effektiv og rimelig grønn energi gjennom tekniske midler er av stor betydning for å løse de store energiproblemene menneskeheten står overfor i dag." Chen Yongsheng introduserte at forskningen på organisk elektronikk og organiske (polymer) funksjonelle materialer, som startet på 1970-tallet, har gitt muligheter for å realisere dette målet.
Sammenlignet med uorganiske halvledermaterialer representert av silisium, har organisk halvleder mange fordeler som lav pris, materialmangfold, justerbar funksjon og fleksibel utskrift. For tiden er skjermer basert på organiske lysdioder (OLeds) kommersielt produsert og er mye brukt i mobiltelefoner og TV-skjermer.
Den organiske solcellen basert på organisk polymermateriale som det lysfølsomme aktive laget har fordelene med materialstrukturmangfold, stort område lavkost utskriftsforberedelse, fleksibilitet, gjennomskinnelig og til og med full gjennomsiktighet, og har mange utmerkede egenskaper som uorganisk solcelleteknologi ikke har. ha. I tillegg til å være en vanlig kraftgenereringsenhet, har den også et stort brukspotensial på andre felt som energisparende bygningsintegrasjon og bærbare enheter, noe som har vakt stor interesse i akademia og industri.
"Spesielt de siste årene har forskningen på organiske solceller oppnådd en rask utvikling, og den fotoelektriske konverteringseffektiviteten oppdateres stadig." For tiden tror det vitenskapelige samfunnet generelt at organiske solceller har nådd "gryet" av kommersialisering." sa Chen Yongsheng.
2. Bryt gjennom flaskehalsen: forsøk å forbedre effektiviteten til fotoelektrisk konvertering
Flaskehalsen som begrenser utviklingen av organiske solceller er at den fotoelektriske konverteringseffektiviteten er lav. Å forbedre den fotoelektriske konverteringseffektiviteten er hovedmålet for forskning på organisk solcelle og nøkkelen til industrialiseringen. Derfor er fremstillingen av oppløsningsbearbeidbare aktive materialer med høy effektivitet, lav pris og god reproduserbarhet grunnlaget for å forbedre den fotoelektriske konverteringseffektiviteten.
Chen Yongsheng introduserte at tidlig organisk solcelleforskning hovedsakelig fokuserte på design og syntese av polymerdonormaterialer, og det aktive laget var basert på bulk heterostrukturen til fullerenderivatreseptorer. Med den kontinuerlige utviklingen av relatert forskning og de høyere kravene til materialer i enhetsteknologi, har oppløselige oligomolekylære materialer med bestemmelig kjemisk struktur tiltrukket seg intens oppmerksomhet.
"Disse materialene har fordelene med enkel struktur, enkel rensing og god reproduserbarhet av fotovoltaiske enheter." Chen Yongsheng sa at i det tidlige stadiet var de fleste småmolekylløsninger ikke gode til å danne filmer, så fordampning ble hovedsakelig brukt til å forberede enheter, noe som i stor grad begrenset deres bruksutsikter. Hvordan designe og syntetisere fotovoltaiske aktive lagmaterialer med god ytelse og bestemt molekylær struktur er et nøkkelproblem anerkjent av forskere.
Med sin ivrige innsikt og nøye analyse av forskningsfeltet valgte Chen Yongsheng avgjørende ut de nye organiske små molekylene og oligomeraktive materialene som kunne behandles med løsning, som hadde store risikoer og utfordringer på den tiden, som gjennombruddspunktet for solenergiproduksjon forske. Fra design av molekylære materialer til optimalisering av klargjøring av fotovoltaiske enheter, ledet Chen Yongsheng det vitenskapelige forskerteamet til å utføre vitenskapelig forskning dag og natt, og etter 10 år med uopphørlig innsats, konstruerte han endelig et unikt oligomer lite molekylært organisk solmateriale. system.
Fra effektivitet på 5 % til mer enn 10 %, og deretter til 17,3 %, fortsetter de å slå verdensrekorden innen fotovoltaisk konverteringseffektivitet for organiske solceller. Deres designkonsepter og -metoder har blitt mye brukt av det vitenskapelige samfunnet. I løpet av det siste tiåret har de publisert nesten 300 akademiske artikler i internasjonalt anerkjente magasiner og søkt om mer enn 50 oppfinnelsespatenter.
3. Ett lite skritt for effektivitet, ett stort sprang for energi
Chen Yongsheng har tenkt på hvor høy effektiviteten til organiske solceller kan oppnås, og om de endelig kan konkurrere med silisiumbaserte solceller? Hvor er "smertepunktet" ved industriell bruk av organiske solceller og hvordan knekke det?
De siste årene, selv om organisk solcelleteknologi har utviklet seg raskt, har den fotoelektriske konverteringseffektiviteten overskredet 14%, men sammenlignet med uorganiske og perovskittmaterialer laget av solceller, er effektiviteten fortsatt lav. Selv om bruken av solcelleteknologi bør vurdere en rekke indikatorer som effektivitet, kostnad og levetid, er effektivitet alltid den første. Hvordan utnytte fordelene med organiske materialer, optimalisere materialdesignet og forbedre batteristrukturen og forberedelsesprosessen, for å oppnå høyere fotoelektrisk konverteringseffektivitet?
Siden 2015 har Chen Yongshengs team begynt å forske på organiske laminerte solceller. Han mener at for å nå eller til og med overgå målet om den tekniske ytelsen til solceller basert på uorganiske materialer, er design av laminerte solceller en svært potensiell løsning - organiske laminerte solceller kan utnytte og spille på fordelene fullt ut. av organiske/polymermaterialer, slik som strukturelt mangfold, absorpsjon av sollys og justering av energinivå. Et sub-celle aktivt lagmateriale med god komplementær sollysabsorpsjon oppnås, og oppnår dermed høyere fotovoltaisk effektivitet.
Basert på ideene ovenfor brukte de en serie oligomere små molekyler designet og syntetisert av teamet for å forberede 12,7% organiske laminerte solceller, forfriske effektiviteten til det organiske solcellefeltet på den tiden, forskningsresultatene ble publisert i feltet av topptidsskriftet "Nature Photonics", og studien ble valgt som "Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017".
Hvor mye plass til å forbedre den fotoelektriske konverteringseffektiviteten til organiske solceller? Chen Yongsheng og teamet hans analyserte systematisk tusenvis av litteratur og eksperimentelle data om materialer og enheter innen organisk solenergi, og kombinert med deres egen forskningsakkumulering og eksperimentelle resultater, spådde den faktiske maksimale fotoelektriske konverteringseffektiviteten til organiske solceller inkludert multi- lagenheter, samt parameterkravene for ideelle aktive lagmaterialer. Basert på denne modellen valgte de de aktive lagmaterialene til frontcellen og bakcellen med god komplementær absorpsjonskapasitet i de synlige og nær infrarøde områdene, og oppnådde en verifisert fotoelektrisk konverteringseffektivitet på 17,3 %, som er verdens høyeste fotoelektriske konvertering. effektivitet rapportert i den nåværende litteraturen om organiske/polymersolceller, og presser forskningen på organiske solceller til en ny høyde.
«I henhold til Kinas energibehov på 4,36 milliarder tonn standard kullekvivalent i 2016, hvis den fotoelektriske konverteringseffektiviteten til organiske solceller økes med ett prosentpoeng, genereres det tilsvarende energibehovet av solceller, noe som betyr at karbondioksidutslipp kan reduseres med rundt 160 millioner tonn per år." sa Chen Yongsheng.
Noen sier at silisium er det viktigste grunnmaterialet i informasjonsalderen, og betydningen er selvsagt. Men etter Chen Yongshengs syn har silisiummaterialer også sine ulemper: "For ikke å nevne de enorme energi- og miljøkostnadene som silisiummaterialer må betale i forberedelsesprosessen, dets harde og sprø egenskaper er vanskelige å møte de fleksible kravene til fremtidens mennesker "bærbare" enheter." Derfor vil tekniske produkter basert på fleksible karbonmaterialer med god folding være den påregnelige utviklingsretningen for den nye materialdisiplinen.»
