Från användningen av forntida naturlig eld, till användningen av att borra ved för eld, till användningen av kol och olja, är utvecklingen av den mänskliga civilisationen i huvudsak utvecklingen av energianvändningsförmåga. Hittills bygger den mänskliga civilisationen och den ekonomiska utvecklingen till stor del på utveckling och utnyttjande av fossil energi. På 2000-talet, på grund av oron för de icke-förnybara fossila energireserverna på jorden, samt de allt allvarligare miljöföroreningarna som härrör från exploatering och användning av fossil energi, kommer människor att utforska det gröna hållbara energiområdet, som t.ex. solenergi, vindenergi, vattenenergi...
"Endast att lösa det vetenskapliga problemet med effektiv användning av solenergi är vägen till en hållbar utveckling av mänskligheten." Professor Chen Yongsheng, School of Chemistry, Nankai University, hävdade, "Solen är alltings moder och "källan" till energi. Om solenergin som når jorden när som helst skulle kunna utnyttjas till två delar per 10 000, hela energibehovet i det mänskliga samhället kunde tillgodoses På grund av detta kondenserade professor Chen Yongsheng och hans team sitt vetenskapliga forskningsuppdrag till en mening - "till solen för. energi"!
1. Organiska solceller förväntas kommersialiseras
I den mänskliga användningen av solenergiteknik används solceller, det vill säga användningen av "fotovoltaisk effekt" för att direkt omvandla ljusenergi till elektriska energienheter, för närvarande i stor utsträckning, men också en av de mest lovande teknikerna.
Under lång tid har människor varit mer baserade på oorganiska material som kristallint kisel för att förbereda solceller. Produktionen av denna typ av batteri har dock nackdelar som komplicerad process, höga kostnader, hög energiförbrukning och kraftiga föroreningar. Huruvida man ska hitta ett nytt organiskt material med låg kostnad, hög effektivitet, stark flexibilitet och miljövänlighet för att utveckla en ny typ av solcell blir nu målet för forskare över hela världen.
"Att använda det vanligaste kolmaterialet på jorden som basråvara, att erhålla effektiv och billig grön energi med tekniska medel är av stor betydelse för att lösa de stora energiproblem som mänskligheten står inför för närvarande." Chen Yongsheng introducerade att forskningen om organisk elektronik och organiska (polymer) funktionella material, som startade på 1970-talet, har gett möjligheter för att förverkliga detta mål.
Jämfört med oorganiska halvledarmaterial representerade av kisel, har organiska halvledare många fördelar såsom låg kostnad, materialdiversitet, justerbar funktion och flexibel utskrift. För närvarande har skärmar baserade på organiska lysdioder (OLeds) tillverkats kommersiellt och används i stor utsträckning i mobiltelefoner och TV-skärmar.
Den organiska solcellen som är baserad på organiskt polymermaterial som det ljuskänsliga aktiva skiktet har fördelarna med mångfald av materialstruktur, stor yta lågkostnadsförberedelse, flexibilitet, genomskinlig och till och med full transparens och har många utmärkta egenskaper som oorganisk solcellsteknologi inte har. ha. Förutom att vara en normal kraftgenereringsenhet har den också stor användningspotential inom andra områden som energibesparande byggnadsintegration och bärbara enheter, vilket har väckt stort intresse inom akademi och industri.
"Särskilt under de senaste åren har forskningen om organiska solceller uppnått snabb utveckling, och den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten uppdateras ständigt." För närvarande tror det vetenskapliga samfundet i allmänhet att organiska solceller har nått "gryningen" av kommersialisering, säger Chen Yongsheng.
2. Bryt igenom flaskhalsen: sträva efter att förbättra effektiviteten av fotoelektrisk omvandling
Flaskhalsen som begränsar utvecklingen av organiska solceller är att den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten är låg. Att förbättra den fotoelektriska omvandlingens effektivitet är det primära målet för forskning om organisk solcell och nyckeln till dess industrialisering. Därför är beredningen av lösningsbearbetbara aktiva material med hög effektivitet, låg kostnad och god reproducerbarhet grunden för att förbättra den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten.
Chen Yongsheng introducerade att tidig organisk solcellsforskning huvudsakligen fokuserade på design och syntes av polymerdonatormaterial, och det aktiva skiktet var baserat på bulkheterostrukturen av fullerenderivatreceptorer. Med den kontinuerliga utvecklingen av relaterad forskning och de högre kraven på material inom enhetsteknologi, har solubiliserbara oligomolekylära material med bestämbar kemisk struktur väckt stor uppmärksamhet.
"Dessa material har fördelarna med enkel struktur, enkel rening och god reproducerbarhet av fotovoltaiska enheter." Chen Yongsheng sa att i ett tidigt skede var de flesta småmolekyllösningar inte bra på att bilda filmer, så avdunstning användes främst för att förbereda enheter, vilket avsevärt begränsade deras tillämpningsmöjligheter. Hur man designar och syntetiserar solcellsaktiva skiktmaterial med bra prestanda och bestämd molekylstruktur är ett nyckelproblem som erkänns av forskare.
Med sin skarpa insikt och noggranna analys av forskningsfältet valde Chen Yongsheng beslutsamt ut de nya organiska små molekylerna och oligomerernas aktiva material som kunde bearbetas med lösning, som hade stora risker och utmaningar vid den tiden, som genombrottspunkten för solenergiproduktion forskning. Från utformningen av molekylära material till optimering av beredningen av solcellsapparater ledde Chen Yongsheng det vetenskapliga forskarteamet att utföra vetenskaplig forskning dag och natt, och efter 10 år av oförtröttliga ansträngningar, konstruerade äntligen ett unikt oligomer organiskt solmaterial med små molekyler. system.
Från effektivitet på 5 % till mer än 10 %, och sedan till 17,3 %, fortsätter de att slå världsrekordet inom området solcellskonverteringseffektivitet för organiska solceller. Deras designkoncept och metoder har använts i stor utsträckning av det vetenskapliga samfundet. Under det senaste decenniet har de publicerat nästan 300 akademiska artiklar i internationellt kända tidskrifter och ansökt om mer än 50 uppfinningspatent.
3. Ett litet steg för effektivitet, ett stort steg för energi
Chen Yongsheng har funderat på hur hög effektiviteten hos organiska solceller kan uppnås, och om de äntligen kan konkurrera med kiselbaserade solceller? Var är "smärtpunkten" för industriell tillämpning av organiska solceller och hur man knäcker den?
Under de senaste åren, även om organisk solcellsteknologi har utvecklats snabbt, har den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten överstigit 14%, men jämfört med oorganiska och perovskitmaterial gjorda av solceller är effektiviteten fortfarande låg. Även om tillämpningen av solcellsteknik bör överväga ett antal indikatorer som effektivitet, kostnad och livslängd, är effektiviteten alltid den första. Hur kan man utnyttja fördelarna med organiska material, optimera materialdesignen och förbättra batteristrukturen och beredningsprocessen för att få högre fotoelektrisk omvandlingseffektivitet?
Sedan 2015 har Chen Yongshengs team börjat forska om organiska laminerade solceller. Han menar att för att nå eller till och med överträffa målet för solcellers tekniska prestanda baserade på oorganiska material är designen av laminerade solceller en mycket potentiell lösning - organiska laminerade solceller kan dra full nytta av och spela till fördelarna av organiska/polymera material, såsom strukturell mångfald, solljusabsorption och justering av energinivån. Ett subcellaktivt skiktmaterial med god komplementär solljusabsorption erhålls, vilket på så sätt uppnår högre fotovoltaisk effektivitet.
Baserat på ovanstående idéer använde de en serie oligomera små molekyler designade och syntetiserade av teamet för att förbereda 12,7% organiska laminerade solceller, vilket fräscha upp effektiviteten hos det organiska solcellsfältet vid den tiden, forskningsresultaten publicerades på fältet av topptidskriften "Nature Photonics", och studien valdes ut som "Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017".
Hur mycket utrymme för att förbättra den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten för organiska solceller? Chen Yongsheng och hans team analyserade systematiskt tusentals litteratur och experimentella data om material och enheter inom området organisk solenergi, och i kombination med sin egen forskningsackumulering och experimentella resultat förutspådde den faktiska maximala fotoelektriska omvandlingseffektiviteten för organiska solceller inklusive multi- lageranordningar, såväl som parameterkraven för idealiska aktiva lagermaterial. Baserat på denna modell valde de de aktiva skiktmaterialen i den främre cellen och den bakre cellen med god komplementär absorptionskapacitet i de synliga och nära infraröda områdena, och fick en verifierad fotoelektrisk omvandlingseffektivitet på 17,3 %, vilket är världens högsta fotoelektriska omvandling effektivitet rapporterad i den aktuella litteraturen om organiska/polymersolceller, vilket driver forskningen om organiska solceller till en ny höjd.
"Enligt Kinas energibehov på 4,36 miljarder ton standardkolekvivalenter 2016, om den fotoelektriska omvandlingseffektiviteten för organiska solceller höjs med en procentenhet, genereras motsvarande energibehov av solceller, vilket innebär att koldioxidutsläpp kan minskas med cirka 160 miljoner ton per år." sa Chen Yongsheng.
Vissa säger att kisel är det viktigaste grundmaterialet i informationsåldern, och dess betydelse är självklar. Men enligt Chen Yongshengs uppfattning har kiselmaterial också sina nackdelar: "För att inte nämna de enorma energi- och miljökostnader som kiselmaterial måste betala i beredningsprocessen, dess hårda och spröda egenskaper är svåra att möta de flexibla kraven för framtidens människor "bärbara" enheter." Därför kommer tekniska produkter baserade på flexibla kolmaterial med bra vikning att vara den förutsebara utvecklingsriktningen för den nya materialdisciplinen."
