Fra brugen af gammel naturlig ild, til brugen af at bore træ til ild, til brugen af kul og olie, er udviklingen af den menneskelige civilisation i det væsentlige udviklingen af energiudnyttelsesevnen. Indtil videre er den menneskelige civilisation og økonomisk udvikling i høj grad baseret på udvikling og udnyttelse af fossil energi. I det 21. århundrede vil folk på grund af bekymringen over de ikke-vedvarende fossile energireserver på jorden, samt den stadig mere alvorlige miljøforurening afledt af udnyttelse og brug af fossil energi, udforske det grønne bæredygtige energifelt, som f.eks. solenergi, vindenergi, vandenergi...
"Kun løsning af det videnskabelige problem med effektiv brug af solenergi er vejen til bæredygtig udvikling af menneskeheden." Professor Chen Yongsheng, School of Chemistry, Nankai University, hævdede: "Solen er alle tings moder og 'kilden' til energi. Hvis den solenergi, der når jorden til enhver tid kunne udnyttes til to dele pr. 10.000, hele energibehovet i det menneskelige samfund kunne opfyldes På grund af dette kondenserede professor Chen Yongsheng og hans team deres videnskabelige forskningsmission til én sætning - "til solen for. energi"!
1. Organiske solceller forventes at blive kommercialiseret
I den menneskelige brug af solenergiteknologier er solceller, det vil sige brugen af "fotovoltaisk effekt" til direkte at omdanne lysenergi til elektriske energiapparater, i øjeblikket meget udbredt, men også en af de mest lovende teknologier.
I lang tid har folk været mere baseret på uorganiske materialer såsom krystallinsk silicium til at forberede solceller. Imidlertid har produktionen af denne slags batterier ulemper såsom kompliceret proces, høje omkostninger, højt energiforbrug og kraftig forurening. Om man skal finde et nyt organisk materiale med lave omkostninger, høj effektivitet, stærk fleksibilitet og miljøvenlighed for at udvikle en ny type solcelle, er nu ved at blive målet for forskere over hele verden.
"At bruge det mest udbredte kulstofmateriale på jorden som det grundlæggende råmateriale, at opnå effektiv og billig grøn energi gennem tekniske midler er af stor betydning for at løse de store energiproblemer, som menneskeheden står over for i øjeblikket." Chen Yongsheng introducerede, at forskningen i organisk elektronik og organiske (polymer) funktionelle materialer, som startede i 1970'erne, har givet muligheder for at realisere dette mål.
Sammenlignet med uorganiske halvledermaterialer repræsenteret af silicium, har organisk halvleder mange fordele såsom lave omkostninger, materialediversitet, justerbar funktion og fleksibel udskrivning. På nuværende tidspunkt er skærme baseret på organiske lysemitterende dioder (OLed'er) blevet kommercielt produceret og er meget udbredt i mobiltelefoner og tv-skærme.
Den organiske solcelle baseret på organisk polymermateriale som det lysfølsomme aktive lag har fordelene ved materialestrukturdiversitet, stort område lavprisudskrivningsforberedelse, fleksibilitet, gennemskinnelig og endda fuld gennemsigtighed og har mange fremragende egenskaber, som uorganisk solcelleteknologi ikke har. have. Ud over at være en normal strømgenereringsenhed har den også et stort anvendelsespotentiale inden for andre områder såsom energibesparende bygningsintegration og bærbare enheder, hvilket har vakt stor interesse i den akademiske verden og industrien.
"Især i de senere år har forskningen i organiske solceller opnået en hurtig udvikling, og den fotoelektriske konverteringseffektivitet bliver konstant opdateret." På nuværende tidspunkt tror det videnskabelige samfund generelt, at organiske solceller har nået "daggryet" af kommercialisering." sagde Chen Yongsheng.
2. Bryd igennem flaskehalsen: stræb efter at forbedre effektiviteten af fotoelektrisk konvertering
Flaskehalsen, der begrænser udviklingen af organiske solceller, er, at den fotoelektriske konverteringseffektivitet er lav. Forbedring af den fotoelektriske konverteringseffektivitet er det primære mål for forskning i organiske solceller og nøglen til dens industrialisering. Derfor er fremstillingen af opløsningsbearbejdelige aktive materialer med høj effektivitet, lave omkostninger og god reproducerbarhed grundlaget for at forbedre den fotoelektriske konverteringseffektivitet.
Chen Yongsheng introducerede, at tidlig organisk solcelleforskning hovedsageligt fokuserede på design og syntese af polymerdonormaterialer, og det aktive lag var baseret på bulk-heterostrukturen af fullerenderivat-receptorer. Med den kontinuerlige udvikling af relateret forskning og de højere krav til materialer i enhedsteknologi, har opløselige oligomolekylære materialer med bestemmelig kemisk struktur tiltrukket sig intens opmærksomhed.
"Disse materialer har fordelene ved simpel struktur, nem rensning og god reproducerbarhed af fotovoltaiske enheder." Chen Yongsheng sagde, at i det tidlige stadie var de fleste små molekyleopløsninger ikke gode til at danne film, så fordampning blev hovedsageligt brugt til at forberede enheder, hvilket i høj grad begrænsede deres anvendelsesmuligheder. Hvordan man designer og syntetiserer fotovoltaiske aktive lagmaterialer med god ydeevne og bestemt molekylær struktur er et nøgleproblem anerkendt af videnskabsmænd.
Med sin skarpe indsigt og omhyggelige analyse af forskningsfeltet valgte Chen Yongsheng beslutsomt de nye organiske små molekyler og oligomerer aktive materialer, der kunne behandles med opløsning, som havde store risici og udfordringer på det tidspunkt, som gennembrudspunktet for solenergiproduktion forskning. Fra design af molekylære materialer til optimering af fremstillingen af fotovoltaiske enheder førte Chen Yongsheng det videnskabelige forskerhold til at udføre videnskabelig forskning dag og nat, og efter 10 års utrættelig indsats konstruerede han endelig et unikt oligomer, lille molekyle organisk solmateriale. system.
Fra effektivitet på 5% til mere end 10%, og derefter til 17,3%, fortsætter de med at slå verdensrekorden inden for fotovoltaisk konverteringseffektivitet af organiske solceller. Deres designkoncepter og -metoder er blevet meget brugt af det videnskabelige samfund. I løbet af det sidste årti har de udgivet næsten 300 akademiske artikler i internationalt anerkendte magasiner og ansøgt om mere end 50 opfindelsespatenter.
3. Et lille skridt for effektivitet, et kæmpe spring for energi
Chen Yongsheng har tænkt over, hvor høj effektiviteten af organiske solceller kan opnås, og om de endelig kan konkurrere med siliciumbaserede solceller? Hvor er "smertepunktet" ved industriel anvendelse af organiske solceller, og hvordan knækker man det?
I de sidste par år, selvom organisk solcelleteknologi har udviklet sig hurtigt, har den fotoelektriske konverteringseffektivitet oversteget 14%, men sammenlignet med uorganiske og perovskitmaterialer lavet af solceller er effektiviteten stadig lav. Selvom anvendelsen af fotovoltaisk teknologi bør tage højde for en række indikatorer som effektivitet, omkostninger og levetid, er effektivitet altid den første. Hvordan udnytter man fordelene ved organiske materialer, optimerer materialedesignet og forbedrer batteristrukturen og forberedelsesprocessen for at opnå højere fotoelektrisk konverteringseffektivitet?
Siden 2015 er Chen Yongshengs team begyndt at forske i organiske laminerede solceller. Han mener, at for at nå eller endda overgå målet om solcellers tekniske ydeevne baseret på uorganiske materialer, er design af laminerede solceller en meget potentiel løsning - organiske laminerede solceller kan udnytte og spille til fordelene fuldt ud. af organiske/polymere materialer, såsom strukturel diversitet, sollysabsorption og energiniveaujustering. Der opnås et sub-celle aktivt lagmateriale med god komplementær sollysabsorption, hvilket dermed opnår højere fotovoltaisk effektivitet.
Baseret på ovenstående ideer brugte de en række oligomere små molekyler designet og syntetiseret af holdet til at forberede 12,7% organiske laminerede solceller, hvilket forfriskede effektiviteten af det organiske solcellefelt på det tidspunkt, forskningsresultaterne blev offentliggjort i feltet af toptidsskriftet "Nature Photonics", og undersøgelsen blev udvalgt som "Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017".
Hvor meget plads til at forbedre den fotoelektriske konverteringseffektivitet af organiske solceller? Chen Yongsheng og hans team analyserede systematisk tusindvis af litteratur og eksperimentelle data om materialer og enheder inden for organisk solenergi og forudsagde kombineret med deres egen forskningsakkumulering og eksperimentelle resultater den faktiske maksimale fotoelektriske konverteringseffektivitet af organiske solceller, herunder multi- lagenheder, samt parameterkravene til ideelle aktive lagmaterialer. Baseret på denne model valgte de de aktive lagmaterialer i frontcellen og bagcellen med god komplementær absorptionskapacitet i de synlige og nær infrarøde områder og opnåede en verificeret fotoelektrisk konverteringseffektivitet på 17,3 %, hvilket er verdens højeste fotoelektriske konvertering effektivitet rapporteret i den aktuelle litteratur om organiske/polymersolceller, hvilket skubber forskningen i organiske solceller til en ny højde.
"Ifølge Kinas energiefterspørgsel på 4,36 milliarder tons standard kulækvivalent i 2016, hvis den fotoelektriske konverteringseffektivitet for organiske solceller øges med et procentpoint, genereres det tilsvarende energibehov af solceller, hvilket betyder, at kuldioxidemissioner kan reduceres med omkring 160 millioner tons om året." sagde Chen Yongsheng.
Nogle mennesker siger, at silicium er det vigtigste grundmateriale i informationsalderen, og dets betydning er indlysende. Men efter Chen Yongshengs opfattelse har siliciummaterialer også deres ulemper: "For ikke at nævne de enorme energi- og miljøomkostninger, som siliciummaterialer skal betale i forberedelsesprocessen, er dets hårde og skøre egenskaber vanskelige at opfylde de fleksible krav til fremtidens menneskelige 'bærbare' enheder." Derfor vil tekniske produkter baseret på fleksible kulstofmaterialer med god foldning være den overskuelige udviklingsretning for den nye materialedisciplin."
