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陈永胜团队引领有机太阳能电池领域研究——向太阳要能源
2019-01-21

陈永胜-向太阳要能源.jpg

唯有解决高效利用太阳能的科学问题,才是人类永续发展之路。”在南开大学化学学院陈永胜教授的带领下,团队始终用“向太阳要能源”的科研使命来完成项目研究。在2018年度国家科学技术奖励大会上,他们的“面向能源转化与存储的有机和碳纳米材料研究”项目荣获了国家自然科学奖二等奖。请听他们的故事。

太阳能可以说是“取之不尽用之不竭”的“无限”清洁能源。近年来,成本低、效率高、柔性强、环境友好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领域之一。

在南开大学校园内,化学学院陈永胜教授带领着一群人,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,他们开发的有机太阳能电池器件光电转化效率多次刷新世界纪录。
太阳能电池迎来商业化“黎明前夕”

长期以来,人们大多以晶硅等无机原料为基础制备太阳能电池,目前已商业化应用的也多是这一类。但是,硬币都有两面。这种电池即使解决了不少问题,却也存在生产工艺复杂、成本高、能耗大、污染严重等弊端。能否找到一种更先进的替代品?世界各国科学家都孜孜以求、渴望有所突破。

“如果能利用地球上最丰富的元素——碳及其材料作为基本原料,实现高效低成本的绿色能源技术,对于解决目前人类面临的重大能源问题意义重大。”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,为实现上述目标提供了重大机遇。

与以晶硅为代表的无机半导体材料相比,有机半导体具有成本低、材料结构多样性、可柔性印刷制备等诸多优点。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,也因此具有无机太阳能电池技术所不具备的许多优良特性。除作为正常的发电装置外,在其他领域,比如节能建筑一体化、可穿戴设备等方面同样有巨大的应用潜力,引起了学术界和工业界的极大兴趣。

据了解,有机太阳能领域最初里程碑式的发展,属于原美国柯达公司的邓青云博士于1986年报告的双层结构染料光伏器件,光电转换效率约为1%。在此基础上,经过多年努力,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量探索。

“特别是近年来,有机太阳能电池研究获得了突飞猛进的发展,光电转化效率不断刷新。目前,科学界普遍认为有机太阳能电池已经到了商业化的‘黎明前夕’。”陈永胜说,开发具有独立自主知识产权的有机太阳能电池材料和技术,为我国赢得先机,一直是该领域中国科学家的努力方向。
瞄准瓶颈求突破的勇毅最可贵

2018年夏天,努力终于有了收获。陈永胜团队设计和制备的具有高效、宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池材料和器件,实现了17.3%的光电转化效率,再次刷新世界纪录。这一成果让有机太阳能电池向产业化迈进了一大步。
2007年,他们开始相关研究的时候,整个领域都处于低谷,光电转化效率只有5%左右,最重要的碳纳米材料石墨烯的研究国内当时甚至还是空白。从5%到17.3%,成就这个跨越故事的,是那份“向太阳要能源”的坚定和那份瞄准瓶颈求突破的勇毅。

陈永胜说,早期有机太阳能电池研究主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结构。随着相关研究飞速发展,以及器件工艺对材料要求的不断攀升,具有确定化学结构可溶液处理寡聚小分子材料开始引起人们的关注。

“这类材料具有结构单一、易提纯、光伏器件结果重现性好的优点。”陈永胜说,早期,大多数小分子溶液处理成膜性不好,因此主要采用蒸镀的方法制备器件,使其应用前景受到限制。如何设计合成性能良好并具有确定分子结构的光伏活性层材料,是各国科学家面临的挑战。
那时候,虽然有困难,且有些人对有机太阳能电池的未来缺乏信心而选择退出,但凭借敏锐的洞察力和审慎的分析力,陈永胜和他的团队坚持了下来,果断选择了具有重大风险和挑战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突破点。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,经过10多年的不懈努力,终于建构出具有鲜明特色的寡聚小分子有机太阳能材料体系。

接下来,才有了一次又一次的突破。十几年来,他们在国际著名杂志发表了近300篇学术论文,申请获得超过50项发明专利,在世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领域的研究。
每一次突破都意味着一个新的开始

每一次突破都意味着一个新的开始。陈永胜总在思考:有机太阳能电池能达到多高的效率,能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,怎样去破解?

其实,在17.3%之前,转化效率已有一系列重要提升。但转化效率每前进一小步,人们会发现,与无机和钙钛矿等材料制备的太阳能电池相比,还是太低。虽然除了效率,光伏技术应用还有多项参考指标,但效率始终是第一位的。如何发挥有机材料优势,通过优化材料设计、改进电池结构及制备工艺获得更高的光电转化效率,就成了一道必答题。

从2015年开始,陈永胜带领团队开始有机叠层太阳能电池的研究。在他看来,要达到甚至超过以无机材料为基础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方案。因为有机叠层太阳能电池可以充分利用和发挥有机/高分子材料的优点,获得具有良好太阳光吸收互补的子电池活性层材料,从而实现更高的光伏效率。

基于上述思路,他们利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领域的效率,研究结果发表在领域顶级期刊《自然·光子学》上,该项研究还入选了“2017年中国光学十大进展”。

“这一研究结果大大提升了人们对有机太阳能电池的信心,同时表明我们还有更多可以做、必须做的事情。”陈永胜说。正是这句必须做,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率。

“按照我国2016年43.6亿吨标准煤当量能源需求计算,如果有机太阳能电池光电转化效率提高一个百分点,相应的能源需求由太阳能电池来产生,就意味着每年可减少使用4亿吨标准煤,与之相应的可减少二氧化碳排放约1.6亿吨。”陈永胜说。

所以,在17.3%之后,陈永胜和他的团队已经开始布局并实施下一步研究规划。“中国是名副其实的大国,必须加强自主创新,把发展的主动权牢牢掌握在自己手中。在新能源和核心材料等核心战略领域,更不能依靠别人。作为科研人员,我们要有副‘宽肩膀’,肩负起应该有的责任。”陈永胜告诉记者,他也希望研究团队与国内企业紧密合作,为中国在这一绿色能源领域的竞争中占据先机。