向太阳要能源 太阳能电池迎来商业化“黎明前夕”

2019-04-07 22:28:38   来源:经济日报

  “唯有解决高效应用太阳能的科学问题,才是人类永续成长之路。”在南开大年夜学化学学院陈永胜传授的带领下,团队始终用“向太阳要能源”的科研任务来完成项目研究。在2018年度国度科学技巧嘉奖大年夜会上,他们的“面向能源转化与存储的有机和碳纳米材料研究”项目荣获了国度天然科学奖二等奖。请听他们的故事。

  太阳能可以说是“取之不尽用之不竭”的“无穷”干净能源。近年来,成本低、效力高、柔性强、情况友爱的新型有机太阳能电池更是成为世界各国新能源研究竞争最为激烈的范畴之一。

  在南开大年夜黉舍园内,化学学院陈永胜传授带领着一群人,十几年致力于碳纳米材料、有机功能材料及其在能源转化与存储等方面的研究,他们开辟的有机太阳能电池器件光电转化效力多次刷新世界记载。

  太阳能电池迎来贸易化“黎明前夕”

  经久以来,人们大年夜多以晶硅等无机原料为基本制备太阳能电池,今朝已贸易化应用的也多是这一类。然则,硬币都有两面。这种电池即使解决了不少问题,却也存在临盆工艺复杂、成本高、能耗大年夜、污染严重等弊病。可否找到一种更先辈的替代品?世界各国科学家都孜孜以求、欲望有所冲破。

  基于上述思路,他们应用团队设计合成的系列寡聚小分子制备获得12.7%的有机叠层太阳能电池,刷新了当时有机太阳能电池范畴的效力,研究成果揭橥在范畴顶级期刊《天然·光子学》上,该项研究还入选了“2017年中国光学十大年夜进展”。

  与以晶硅为代表的无机半导体材料比拟,有机半导体具有成本低、材料构造多样性、可柔性印刷制备等诸多长处。同时,基于有机高分子材料作为光敏活性层的有机太阳能电池,也是以具有无机太阳能电池技巧所不具备的很多优良特点。除作为正常的发电装配外,在其他范畴,比如节能建筑一体化、可穿戴设备等方面同样有巨大年夜的应用潜力,引起了学术界和工业界的极大年夜兴趣。

  据懂得,有机太阳能范畴最初里程碑式的成长,属于原美国柯达公司的邓青云博士于1986年申报的双层构造染料光伏器件,光电转换效力约为1%。在此基本上,经由多年尽力,各国科学家在有机太阳能电池活性层的设计合成、器件优化工艺及器件机理等多方面作了大年夜量摸索。

  “特别是近年来,有机太阳能电池研究获得了突飞大进的成长,光电转化效力赓续刷新。今朝,科学界广泛认为有机太阳能电池已经到了贸易化的‘黎明前夕’。”陈永胜说,开辟具有自力自立常识产权的有机太阳能电池材料和技巧,为我国博得先机,一向是该范畴中国科学家的尽力偏向。

  对准瓶颈求冲破的勇毅最宝贵

  2018年夏天,尽力终于有了收成。陈永胜团队设计和制备的具有高效、宽光谱接收特点的叠层有机太阳能电池材料和器件,实现了17.3%的光电转化效力,再次刷新世界记载。这一成果让有机太阳能电池向家当化迈进了一大年夜步。

  “假如能应用地球上最丰富的元素——碳及其材料作为基来源基本料,实现高效低成本的绿色能源技巧,对于解决今朝人类面对的重大年夜能源问题意义重大年夜。”陈永胜介绍,起步于20世纪70年代的有机电子学及有机(高分子)功能材料研究,为实现上述目标供给了重大年夜机会。

  2007年,他们开端相干研究的时刻,全部范畴都处于低谷,光电转化效力只有5%阁下,最重要的碳纳米材料石墨烯的研究国内当时甚至照样空白。从5%到17.3%,成就这个跨越故事的,是那份“向太阳要能源”的果断和那份对准瓶颈求冲破的勇毅。

  陈永胜说,早期有机太阳能电池研究重要集中在聚合物的给体材料设计合成,活性层是基于富勒烯衍生物受体的本体异质构造。跟着相干研究飞速成长,以及器件工艺对材料请求的赓续攀升,具有肯定化学构造可溶液处理寡聚小分子材料开端引起人们的存眷。

  “这类材料具有构造单一、易提纯、光伏器件成果重现性好的长处。”陈永胜说,早期,大年夜多半小分子溶液处理成膜性不好,是以重要采取蒸镀的办法制备器件,使其应用前景受到限制。若何设计合成机能优胜并具有肯定分子构造的光伏活性层材料,是各国科学家面对的挑衅。

  接下来,才有了一次又一次的冲破。十几年来,他们在国际有名杂志揭橥了近300篇学术论文,申请获得跨越50项创造专利,活着界范围内打出了中国科学家的名号,使中国真正引领有机太阳能电池范畴的研究。

  每一次冲破都意味着一个新的开端

  每一次冲破都意味着一个新的开端。陈永胜总在思虑:有机太阳能电池能达到多高的效力,可否最终媲美硅基太阳能电池?有机太阳能电池应用的下一个“痛点”是什么,如何去破解?

  其实,在17.3%之前,转化效力已有一系列重要晋升。但转化效力每进步一小步,人们会发明,与无机和钙钛矿等材料制备的太阳能电池比拟,照样太低。固然除了效力,光伏技巧应用还有多项参考指标,但效力始终是第一位的。若何发挥有机材料优势,经由过程优化材料设计、改进电池构造及制备工艺获得更高的光电转化效力,就成了一道必答题。

  从2015年开端,陈永胜带领团队开端有机叠层太阳能电池的研究。在他看来,要达到甚至跨越以无机材料为基本的太阳能电池现有目标,设计叠层太阳能电池是一个极具潜力的筹划。因为有机叠层太阳能电池可以充分应用和发挥有机/高分子材料的长处,获得具有优胜太阳光接收互补的子电池活性层材料,从而实现更高的光伏效力。

  “这一研究成果大年夜大年夜晋升了人们对有机太阳能电池的信念,同时注解我们还有更多可以做、必须做的工作。”陈永胜说。恰是这句必须做,人们最终等来了中国科学家实现17.3%的有机太阳能电池光电转化效力。

  “按照我国2016年43.6亿吨标准煤当量能源需求计算,假如有机太阳能电池光电转化效力进步一个百分点,响应的能源需求由太阳能电池来产生,就意味着每年可削减应用4亿吨标准煤,与之响应的可削减二氧化碳排放约1.6亿吨。”陈永胜说。

  那时刻,固然有艰苦,且有些人对有机太阳能电池的将来缺乏信念而选择退出,但凭借灵敏的洞察力和谨慎的分析力,陈永胜和他的团队保持了下来,果断选择了具有重大年夜风险和挑衅的新型可溶液加工处理有机小分子和寡聚物活性材料作为太阳能发电研究冲破点。目标既定,雷厉风行。从分子材料设计到光伏器件制备优化,陈永胜带领团队夜以继日展开科研攻关,经由10多年的不懈尽力,终于建构出具有光鲜特点的寡聚小分子有机太阳能材料体系。

  所以,在17.3%之后,陈永胜和他的团队已经开端构造并实施下一步研究筹划。“中国事名副其实的大年夜国,必须加强自立立异,把成长的主动权紧紧控制在本身手中。在新能源和核心材料等核心计谋范畴,更不克不及依附别人。作为科研人员,我们要有副‘宽肩膀’,肩负起应当有的义务。”陈永胜告诉记者,他也欲望研究团队与国内企业慎密合作,为中国在这一绿色能源范畴的竞争中占据先机。

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