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有机太阳能电池:绿色动力未来的新挑选

2019-01-04 19:23 来历:光明日报网络版

  从远古天然火的使用,到钻木取火,直至煤炭、石油的使用,人类文明的开展本质上是动力使用才能的开展。迄今为止,人类今世文明和经济开展很大程度上是树立在化石动力开发使用的根底之上。到了21世纪,因为对地球上不行再生的化石动力储量的忧虑,以及化石动力在挖掘与使用过程中衍生的日益严峻的环境污染,使得人们将探究的目光投向绿色可持续的动力范畴,比方太阳能、风能、水能……

  “唯有处理高效使用太阳能的科学问题,才是人类永续开展之路。”南开大学化学学院陈永胜教授断语,“太阳是万物之母,动力之‘源’。每时每刻抵达地球的太阳光能量若能被使用万分之二,即可满意现在人类社会的悉数动力需求。”也正因为如此,陈永胜教授和他的团队将自己的科研任务浓缩为一句话——“向太阳要动力”! 1.有机太阳能电池有望商业化使用

  在人类使用太阳能的各项技能中,太阳能电池,即使用“光生伏打效应”将光能直接转换成电能的器材,是其时已取得广泛使用,一同也是最具开展远景的技能之一。

  长期以来,人们更多地以晶硅等无机资料为根底制备太阳能电池。可是这种电池出产存在工艺杂乱、本钱高、能耗大、污染重等坏处。能否找到一种本钱低、功率高、柔性强、环境友好的新式有机资料研制出新式太阳能电池,眼下正成为国际各国科学家孜孜以求的方针。

  “以地球上最丰厚的碳资料为根本质料,经过技能手段取得高效低本钱的绿色动力,关于处理现在人类面对的严重动力问题具有极端严重的含义。”陈永胜介绍,从20世纪70年代起步的有机电子学及有机(高分子)功用资料的研讨,为这一方针的完成供给了机会。

  与以硅为代表的无机半导体资料比较,有机半导体具有本钱低、资料多样性、功用可调、可柔性印刷制备等许多长处。现在,根据有机发光二极管(OLED)的显示屏现已完成了商业化出产,并在手机和电视显示屏中取得广泛使用。

  而根据有机高分子资料作为光敏活性层的有机太阳能电池,具有资料结构多样性、可大面积低本钱印刷制备、柔性、半透明乃至全透明等长处,具有无机太阳能电池技能所不具备的许多优秀特性。除了作为正常的发电设备外,在其他范畴如节能修建一体化、可穿戴设备等方面亦具有巨大的使用潜力,引起了学术界和工业界的极大爱好。

  “特别是近年来,有机太阳能电池的研讨取得了日新月异的开展,光电转化功率不断改写。现在科学界普遍以为有机太阳能电池现已到了商业化的‘拂晓前夕’。”陈永胜说。 2.打破瓶颈:努力进步光电转化功率

  约束有机太阳能电池开展的瓶颈在于光电转化功率偏低。进步光电转化功率是有机太阳能电池研讨的首要方针,也是其完成产业化的要害。因而,制备出高功率、低本钱以及重现性杰出的可溶液加工活性资料,则是进步光电转化功率的根底。

  陈永胜介绍,前期的有机太阳能电池的研讨首要会集在聚合物的给体资料的规划组成,活性层是根据富勒烯衍生物受体的本体异质结构。跟着相关研讨的不断推进,以及器材工艺对资料的更高要求,具有确认化学结构的可溶液处理寡聚小分子资料开端引起人们的激烈重视。

  “这类资料具有结构单一、易提纯、光伏器材成果重现性好等长处。”陈永胜说,前期,大多数小分子溶液处理成膜性欠好,因而首要选用蒸镀的办法制备器材,使其使用远景遭到很大约束。怎么规划组成功能杰出并具有确认分子结构的光伏活性层资料,是科学家们公认的要害难题。

  凭仗对该研讨范畴敏锐的洞察力和审慎剖析,陈永胜决断挑选了其时具有严重危险和应战的新式可溶液加工处理的有机小分子和寡聚物活性资料作为太阳能发电研讨的打破点。从分子资料规划,到光伏器材的制备优化,陈永胜带领科研团队废寝忘食打开科研攻关,经过10年的不懈努力,总算建构出具有显着特征的寡聚小分子有机太阳能资料体系。

  从功率5%到超越10%,再到17.3%,他们在不断改写有机太阳能电池范畴光电转化功率的国际纪录。他们提出的规划理念和办法被科学界广泛使用。十几年来,他们在国际闻名杂志宣布了近300篇学术论文,请求取得50多项发明专利。 3.转化功率一小步,动力界一大步

  陈永胜一直在考虑:有机太阳能电池终究能到达多高的功率,能否终究比美硅基太阳能电池?有机太阳能电池产业化使用的“痛点”在哪里,怎么去破解?

  在曩昔几年中,尽管有机太阳能电池技能开展迅速,光电转化功率已打破14%,可是与无机和钙钛矿等资料制备的太阳能电池比较,功率依然偏低。尽管光伏技能使用要考虑功率、本钱和寿数等多项方针,但功率始终是第一位的。怎么发挥有机资料的优势,经过优化资料规划和改善电池结构及制备工艺,然后取得更高的光电转化功率?

  从2015年开端,陈永胜团队开端进行有机叠层太阳能电池方面研讨。他以为,要到达乃至超越以无机资料为根底的太阳能电池技能功能的方针,规划叠层太阳能电池是一个极具潜力的计划——有机叠层太阳能电池能够充分使用和发挥有机/高分子资料具有的结构多样性、太阳光吸收和能级可调理等长处,取得具有杰出太阳光吸收互补的子电池活性层资料,然后完成更高的光伏功率。

  根据上述思路,他们使用团队规划组成的系列寡聚小分子制备取得12.7%的有机叠层太阳能电池,改写了其时有机太阳能电池范畴的功率,研讨成果宣布在范畴尖端期刊《天然·光子学》,该项研讨当选“2017年我国光学十大发展”。

  有机太阳能电池的光电转化功率终究有多少进步空间?陈永胜和他的团队体系整理剖析了现在有机太阳能范畴资料和器材方面数以千计的文献和试验数据,结合本身的研讨堆集和试验成果,预测出有机太阳能电池包含多层器材实践可到达的最高光电转化功率,以及对抱负活性层资料的参数要求。根据此模型,他们选用在可见和近红外区域具有杰出互补吸收才能的前电池和后电池的活性层资料,取得了验证功率为17.3%的光电转化功率,这是现在文献报导的有机/高分子太阳能电池光电转化功率的国际最高纪录,把有机太阳能电池的研讨面向了一个新的高度。

  “依照我国2016年43.6亿吨标准煤当量的动力需求核算,假如有机太阳能电池光电转化功率进步一个百分点,相应的动力需求由太阳能电池来发作,就意味着每年可削减二氧化碳排放约1.6亿吨。”陈永胜说。

  有人说,硅是信息时代最重要的根底性资料,其重要性显而易见。但在陈永胜看来,硅资料也有其缺陷:“且不说硅资料在制备过程中需求支付巨大的动力和环境价值,它的硬、脆特性也难以满意未来人类关于‘可穿戴’器材的柔性要求。因而,以具有杰出的可折叠的柔性碳资料为根底的技能产品将是新资料学科可预见的开展方向。”(记者 陈建强 刘茜 通讯员 吴军辉

 

修改: 杨智明

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