От использования древнего природного огня до использования дров для разжигания огня, использования угля и нефти — развитие человеческой цивилизации, по сути, является развитием способности использования энергии. До сих пор человеческая цивилизация и экономическое развитие во многом основаны на разработке и использовании ископаемой энергии. В 21 веке из-за беспокойства по поводу невозобновляемых запасов ископаемой энергии на Земле, а также из-за все более серьезного загрязнения окружающей среды, вызванного эксплуатацией и использованием ископаемой энергии, люди будут исследовать область устойчивой зеленой энергетики, такую как солнечная энергия, энергия ветра, энергия воды...
«Только решение научной проблемы эффективного использования солнечной энергии – путь к устойчивому развитию человечества». Профессор Чэнь Юншэн из химического факультета Нанкайского университета заявил: «Солнце — мать всего сущего и «источник» энергии. вся потребность человеческого общества в энергии могла быть удовлетворена. Благодаря этому профессор Чэнь Юншэн и его команда сформулировали свою научно-исследовательскую миссию в одном предложении - «к солнцу за энергией»!
1. Ожидается, что органические солнечные элементы будут коммерциализированы.
В использовании человеком технологий солнечной энергии солнечные элементы, то есть использование «фотоэлектрического эффекта» для прямого преобразования световой энергии в устройства электрической энергии, в настоящее время широко используются, но также являются одной из наиболее многообещающих технологий.
В течение долгого времени при изготовлении солнечных элементов люди больше использовали неорганические материалы, такие как кристаллический кремний. Однако производство аккумуляторов такого типа имеет такие недостатки, как сложный процесс, высокая стоимость, высокое энергопотребление и сильное загрязнение окружающей среды. Найти новый органический материал с низкой стоимостью, высокой эффективностью, высокой гибкостью и экологичностью для разработки нового типа солнечных элементов теперь становится целью ученых всего мира.
«Использование самого распространенного на Земле углеродного материала в качестве основного сырья, получение эффективной и недорогой зеленой энергии с помощью технических средств имеет большое значение для решения основных энергетических проблем, стоящих перед человечеством в настоящее время». Чэнь Юншэн сообщил, что исследования в области органической электроники и органических (полимерных) функциональных материалов, начавшиеся в 1970-х годах, предоставили возможности для реализации этой цели.
По сравнению с неорганическими полупроводниковыми материалами, представленными кремнием, органический полупроводник имеет множество преимуществ, таких как низкая стоимость, разнообразие материалов, регулируемые функции и гибкая печать. В настоящее время дисплеи на основе органических светодиодов (OLEd) производятся серийно и широко используются в дисплеях мобильных телефонов и телевизоров.
Органический солнечный элемент на основе органического полимерного материала в качестве светочувствительного активного слоя обладает преимуществами разнообразия структуры материала, недорогой подготовки к печати на большой площади, гибкости, полупрозрачности и даже полной прозрачности, а также имеет множество превосходных характеристик, которых нет у технологии неорганических солнечных элементов. иметь. Помимо того, что это обычное устройство для выработки электроэнергии, оно также имеет большой потенциал применения в других областях, таких как интеграция энергосберегающих зданий и носимых устройств, что вызвало большой интерес в научных кругах и промышленности.
«Особенно в последние годы исследования органических солнечных элементов достигли быстрого развития, а эффективность фотоэлектрического преобразования постоянно обновляется». В настоящее время научное сообщество в целом считает, что органические солнечные элементы достигли «рассвета» коммерциализации», — сказал Чэнь Юншэн.
2. Преодолеть узкое место: стремиться повысить эффективность фотоэлектрического преобразования.
Узким местом, ограничивающим разработку органических солнечных элементов, является низкая эффективность фотоэлектрического преобразования. Повышение эффективности фотоэлектрического преобразования является основной целью исследований органических солнечных элементов и ключом к их индустриализации. Таким образом, получение обрабатываемых в растворе активных материалов с высокой эффективностью, низкой стоимостью и хорошей воспроизводимостью является основой повышения эффективности фотоэлектрического преобразования.
Чэнь Юншэн сообщил, что ранние исследования органических солнечных элементов в основном были сосредоточены на разработке и синтезе полимерных донорных материалов, а активный слой был основан на объемной гетероструктуре рецепторов производных фуллеренов. В связи с постоянным развитием соответствующих исследований и повышением требований к материалам в технологии устройств растворимые олигомолекулярные материалы с определяемой химической структурой привлекли пристальное внимание.
«Эти материалы обладают преимуществами простой структуры, легкой очистки и хорошей воспроизводимости результатов фотоэлектрических устройств». Чэнь Юншэн сказал, что на ранней стадии большинство растворов малых молекул не подходили для формирования пленок, поэтому для изготовления устройств в основном использовалось испарение, что сильно ограничивало перспективы их применения. Как разработать и синтезировать материалы фотоэлектрического активного слоя с хорошими характеристиками и определенной молекулярной структурой является ключевой проблемой, признанной учеными.
Благодаря своей проницательности и тщательному анализу области исследований Чэнь Юншэн решительно выбрал новые органические малые молекулы и активные материалы олигомеров, которые можно было обрабатывать раствором, что в то время имело серьезные риски и проблемы, в качестве прорывной точки в производстве солнечной энергии. исследовать. От разработки молекулярных материалов до оптимизации подготовки фотоэлектрических устройств, Чэнь Юншэн возглавил научно-исследовательскую группу, которая проводила научные исследования днем и ночью, и после 10 лет неустанных усилий, наконец, создал уникальный олигомерный низкомолекулярный органический солнечный материал. система.
С КПД 5% до более 10%, а затем и до 17,3% они продолжают бить мировой рекорд в области эффективности фотоэлектрического преобразования органических солнечных элементов. Их концепции и методы проектирования широко используются научным сообществом. За последнее десятилетие они опубликовали около 300 научных статей в всемирно известных журналах и подали заявки на более чем 50 патентов на изобретения.
3. Один маленький шаг к эффективности, но гигантский скачок к энергетике
Чэнь Юншэн размышлял о том, насколько высокой эффективности могут быть достигнуты органические солнечные элементы, и смогут ли они, наконец, конкурировать с солнечными элементами на основе кремния? Где находится «болевая точка» промышленного применения органических солнечных батарей и как ее преодолеть?
За последние несколько лет, хотя технология органических солнечных элементов быстро развивалась, эффективность фотоэлектрического преобразования превысила 14%, но по сравнению с неорганическими и перовскитными материалами, изготовленными из солнечных элементов, эффективность все еще низка. Хотя при применении фотоэлектрических технологий необходимо учитывать ряд показателей, таких как эффективность, стоимость и срок службы, эффективность всегда стоит на первом месте. Как использовать преимущества органических материалов, оптимизировать конструкцию материала и улучшить структуру батареи и процесс подготовки, чтобы получить более высокую эффективность фотоэлектрического преобразования?
С 2015 года команда Чэнь Юншэна начала проводить исследования органических ламинированных солнечных элементов. Он считает, что для того, чтобы достичь или даже превзойти цель технических характеристик солнечных элементов на основе неорганических материалов, конструкция ламинированных солнечных элементов является очень потенциальным решением - органические ламинированные солнечные элементы могут в полной мере использовать преимущества. органических/полимерных материалов, таких как структурное разнообразие, поглощение солнечного света и регулировка уровня энергии. Получается материал активного слоя субэлемента с хорошим дополнительным поглощением солнечного света, что обеспечивает более высокую фотоэлектрическую эффективность.
Основываясь на вышеизложенных идеях, они использовали серию олигомерных малых молекул, разработанных и синтезированных командой, для изготовления 12,7% органических ламинированных солнечных элементов, что повысило эффективность области органических солнечных элементов на тот момент. Результаты исследований были опубликованы в этой области. ведущего журнала Nature Photonics, а исследование было включено в «Десять лучших достижений китайской оптики в 2017 году».
Насколько можно улучшить эффективность фотоэлектрического преобразования органических солнечных элементов? Чэнь Юншэн и его команда систематически проанализировали тысячи литературных источников и экспериментальных данных о материалах и устройствах в области органической солнечной энергии и в сочетании с накоплением собственных исследований и экспериментальными результатами предсказали фактическую максимальную эффективность фотоэлектрического преобразования органических солнечных элементов, включая мульти- устройства слоев, а также требования к параметрам идеальных материалов активного слоя. На основе этой модели они выбрали материалы активного слоя передней и задней ячеек с хорошей дополнительной поглощающей способностью в видимой и ближней инфракрасной областях и получили подтвержденную эффективность фотоэлектрического преобразования 17,3%, что является самым высоким в мире фотоэлектрическим преобразованием. В современной литературе об органических/полимерных солнечных элементах сообщается об эффективности, что поднимает исследования органических солнечных элементов на новую высоту.
«Согласно энергетической потребности Китая в 4,36 миллиарда тонн стандартного угольного эквивалента в 2016 году, если эффективность фотоэлектрического преобразования органических солнечных элементов увеличится на один процентный пункт, соответствующий спрос на энергию будет генерироваться солнечными батареями, а это означает, что выбросы углекислого газа могут сократиться примерно на 160 миллионов тонн в год». Сказал Чэнь Юншэн.
Некоторые люди говорят, что кремний является самым важным основным материалом в век информации, и его важность очевидна. Однако, по мнению Чэнь Юншэна, кремниевые материалы также имеют свои недостатки: «Не говоря уже об огромных энергетических и экологических затратах, которые кремниевые материалы должны нести в процессе подготовки, их твердые и хрупкие характеристики трудно удовлетворить гибким требованиям будущего человека. «носимые» устройства». Поэтому обозримым направлением развития новой дисциплины материалов станут технические изделия на основе гибких углеродных материалов с хорошей сгибаемостью».
