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向太陽要能源

來源:來源:經濟日報 時間:2019-01-21 14:22:22

  “唯有解決高效利用太陽能的科學問題,才是人類永續發展之路。”在南開大學化學學院陳永勝教授的帶領下,團隊始終用“向太陽要能源”的科研使命來完成項目研究。在2018年度國家科學技術獎勵大會上,他們的“面向能源轉化與存儲的有機和碳納米材料研究”項目榮獲了國家自然科學獎二等獎。請聽他們的故事。

  太陽能可以說是“取之不盡用之不竭”的“無限”清潔能源。近年來,成本低、效率高、柔性強、環境友好的新型有機太陽能電池更是成為世界各國新能源研究競爭最為激烈的領域之一。

  在南開大學校園內,化學學院陳永勝教授帶領著一群人,十幾年致力于碳納米材料、有機功能材料及其在能源轉化與存儲等方面的研究,他們開發的有機太陽能電池器件光電轉化效率多次刷新世界紀錄。

   太陽能電池迎來商業化“黎明前夕”

  長期以來,人們大多以晶硅等無機原料為基礎制備太陽能電池,目前已商業化應用的也多是這一類。但是,硬幣都有兩面。這種電池即使解決了不少問題,卻也存在生產工藝復雜、成本高、能耗大、污染嚴重等弊端。能否找到一種更先進的替代品?世界各國科學家都孜孜以求、渴望有所突破。

  “如果能利用地球上最豐富的元素——碳及其材料作為基本原料,實現高效低成本的綠色能源技術,對于解決目前人類面臨的重大能源問題意義重大。”陳永勝介紹,起步于20世紀70年代的有機電子學及有機(高分子)功能材料研究,為實現上述目標提供了重大機遇。

  與以晶硅為代表的無機半導體材料相比,有機半導體具有成本低、材料結構多樣性、可柔性印刷制備等諸多優點。同時,基于有機高分子材料作為光敏活性層的有機太陽能電池,也因此具有無機太陽能電池技術所不具備的許多優良特性。除作為正常的發電裝置外,在其他領域,比如節能建筑一體化、可穿戴設備等方面同樣有巨大的應用潛力,引起了學術界和工業界的極大興趣。

  據了解,有機太陽能領域最初里程碑式的發展,屬于原美國柯達公司的鄧青云博士于1986年報告的雙層結構染料光伏器件,光電轉換效率約為1%。在此基礎上,經過多年努力,各國科學家在有機太陽能電池活性層的設計合成、器件優化工藝及器件機理等多方面作了大量探索。

  “特別是近年來,有機太陽能電池研究獲得了突飛猛進的發展,光電轉化效率不斷刷新。目前,科學界普遍認為有機太陽能電池已經到了商業化的‘黎明前夕’。”陳永勝說,開發具有獨立自主知識產權的有機太陽能電池材料和技術,為我國贏得先機,一直是該領域中國科學家的努力方向。

   瞄準瓶頸求突破的勇毅最可貴

  2018年夏天,努力終于有了收獲。陳永勝團隊設計和制備的具有高效、寬光譜吸收特性的疊層有機太陽能電池材料和器件,實現了17.3%的光電轉化效率,再次刷新世界紀錄。這一成果讓有機太陽能電池向產業化邁進了一大步。

  2007年,他們開始相關研究的時候,整個領域都處于低谷,光電轉化效率只有5%左右,最重要的碳納米材料石墨烯的研究國內當時甚至還是空白。從5%到17.3%,成就這個跨越故事的,是那份“向太陽要能源”的堅定和那份瞄準瓶頸求突破的勇毅。

  陳永勝說,早期有機太陽能電池研究主要集中在聚合物的給體材料設計合成,活性層是基于富勒烯衍生物受體的本體異質結構。隨著相關研究飛速發展,以及器件工藝對材料要求的不斷攀升,具有確定化學結構可溶液處理寡聚小分子材料開始引起人們的關注。

  “這類材料具有結構單一、易提純、光伏器件結果重現性好的優點。”陳永勝說,早期,大多數小分子溶液處理成膜性不好,因此主要采用蒸鍍的方法制備器件,使其應用前景受到限制。如何設計合成性能良好并具有確定分子結構的光伏活性層材料,是各國科學家面臨的挑戰。

  那時候,雖然有困難,且有些人對有機太陽能電池的未來缺乏信心而選擇退出,但憑借敏銳的洞察力和審慎的分析力,陳永勝和他的團隊堅持了下來,果斷選擇了具有重大風險和挑戰的新型可溶液加工處理有機小分子和寡聚物活性材料作為太陽能發電研究突破點。目標既定,雷厲風行。從分子材料設計到光伏器件制備優化,陳永勝帶領團隊夜以繼日展開科研攻關,經過10多年的不懈努力,終于建構出具有鮮明特色的寡聚小分子有機太陽能材料體系。

  接下來,才有了一次又一次的突破。十幾年來,他們在國際著名雜志發表了近300篇學術論文,申請獲得超過50項發明專利,在世界范圍內打出了中國科學家的名號,使中國真正引領有機太陽能電池領域的研究。

  每一次突破都意味著一個新的開始

  每一次突破都意味著一個新的開始。陳永勝總在思考:有機太陽能電池能達到多高的效率,能否最終媲美硅基太陽能電池?有機太陽能電池應用的下一個“痛點”是什么,怎樣去破解?

  其實,在17.3%之前,轉化效率已有一系列重要提升。但轉化效率每前進一小步,人們會發現,與無機和鈣鈦礦等材料制備的太陽能電池相比,還是太低。雖然除了效率,光伏技術應用還有多項參考指標,但效率始終是第一位的。如何發揮有機材料優勢,通過優化材料設計、改進電池結構及制備工藝獲得更高的光電轉化效率,就成了一道必答題。

  從2015年開始,陳永勝帶領團隊開始有機疊層太陽能電池的研究。在他看來,要達到甚至超過以無機材料為基礎的太陽能電池現有目標,設計疊層太陽能電池是一個極具潛力的方案。因為有機疊層太陽能電池可以充分利用和發揮有機/高分子材料的優點,獲得具有良好太陽光吸收互補的子電池活性層材料,從而實現更高的光伏效率。

  基于上述思路,他們利用團隊設計合成的系列寡聚小分子制備獲得12.7%的有機疊層太陽能電池,刷新了當時有機太陽能電池領域的效率,研究結果發表在領域頂級期刊《自然·光子學》上,該項研究還入選了“2017年中國光學十大進展”。

  “這一研究結果大大提升了人們對有機太陽能電池的信心,同時表明我們還有更多可以做、必須做的事情。”陳永勝說。正是這句必須做,人們最終等來了中國科學家實現17.3%的有機太陽能電池光電轉化效率。

  “按照我國2016年43.6億噸標準煤當量能源需求計算,如果有機太陽能電池光電轉化效率提高一個百分點,相應的能源需求由太陽能電池來產生,就意味著每年可減少使用4億噸標準煤,與之相應的可減少二氧化碳排放約1.6億噸。”陳永勝說。

  所以,在17.3%之后,陳永勝和他的團隊已經開始布局并實施下一步研究規劃。“中國是名副其實的大國,必須加強自主創新,把發展的主動權牢牢掌握在自己手中。在新能源和核心材料等核心戰略領域,更不能依靠別人。作為科研人員,我們要有副‘寬肩膀’,肩負起應該有的責任。”陳永勝告訴記者,他也希望研究團隊與國內企業緊密合作,為中國在這一綠色能源領域的競爭中占據先機。

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