Od používání starověkého přírodního ohně přes používání vrtného dřeva na oheň až po používání uhlí a ropy je vývoj lidské civilizace v podstatě rozvojem schopnosti využití energie. Lidská civilizace a ekonomický rozvoj jsou zatím z velké části založeny na rozvoji a využití fosilní energie. V 21. století, kvůli obavám z neobnovitelných zásob fosilní energie na Zemi, stejně jako stále závažnějšímu znečištění životního prostředí způsobenému těžbou a využíváním fosilní energie, budou lidé prozkoumávat oblast zelené udržitelné energie, jako je např. sluneční energie, větrná energie, vodní energie...
"Pouze vyřešení vědeckého problému efektivního využívání sluneční energie je cestou k udržitelnému rozvoji lidstva." Profesor Chen Yongsheng, School of Chemistry, Nankai University, prohlásil: "Slunce je matkou všech věcí a 'zdrojem' energie. Pokud by sluneční energie, která kdykoli dosáhne Země, mohla být využita na dvě části na 10 000, Celá energetická poptávka lidské společnosti mohla být uspokojena Díky tomu profesor Chen Yongsheng a jeho tým zhustili svou vědeckou výzkumnou misi do jedné věty – „na slunce pro energii“!
1. Očekává se, že organické solární články budou komercializovány
V lidském využití technologií solární energie jsou v současnosti široce využívány solární články, tedy využití „fotovoltaického efektu“ k přímé přeměně světelné energie na elektrická energetická zařízení, ale také jedna z nejperspektivnějších technologií.
Dlouhou dobu lidé při přípravě solárních článků vycházeli spíše z anorganických materiálů, jako je krystalický křemík. Výroba tohoto typu baterie má však nevýhody, jako je komplikovaný proces, vysoké náklady, vysoká spotřeba energie a velké znečištění. Zda najít nový organický materiál s nízkou cenou, vysokou účinností, silnou flexibilitou a šetrností k životnímu prostředí pro vývoj nového typu solárního článku se nyní stává cílem vědců po celém světě.
"Použití nejhojnějšího uhlíkového materiálu na Zemi jako základní suroviny, získávání účinné a levné zelené energie technickými prostředky má velký význam pro řešení hlavních energetických problémů, kterým lidstvo v současnosti čelí." Chen Yongsheng uvedl, že výzkum organické elektroniky a organických (polymerních) funkčních materiálů, který začal v 70. letech 20. století, poskytl příležitosti k realizaci tohoto cíle.
Ve srovnání s anorganickými polovodičovými materiály reprezentovanými křemíkem má organický polovodič mnoho výhod, jako je nízká cena, rozmanitost materiálů, nastavitelná funkce a flexibilní tisk. V současné době jsou komerčně vyráběny displeje na bázi organických světelných diod (OLeds), které jsou široce používány v displejích mobilních telefonů a TV.
Organický solární článek na bázi organického polymerního materiálu jako fotocitlivá aktivní vrstva má výhody rozmanitosti materiálové struktury, velkoplošné nízkonákladové tiskové přípravy, flexibility, průsvitnosti a dokonce plné průhlednosti a má mnoho vynikajících vlastností, které technologie anorganických solárních článků nemají. mít. Kromě toho, že jde o běžné zařízení na výrobu energie, má také velký aplikační potenciál v jiných oblastech, jako je energeticky úsporná integrace budov a nositelná zařízení, což vyvolalo velký zájem v akademické sféře a průmyslu.
"Zejména v posledních letech dosáhl výzkum organických solárních článků rychlého rozvoje a účinnost fotoelektrické konverze se neustále obnovuje." V současnosti se vědecká komunita obecně domnívá, že organické solární články dosáhly ‚úsvitu‘ komercializace,“ řekl Chen Yongsheng.
2. Prolomte úzké hrdlo: usilujte o zlepšení účinnosti fotoelektrické konverze
Úzkým místem omezujícím vývoj organických solárních článků je nízká účinnost fotoelektrické přeměny. Zlepšení účinnosti fotoelektrické přeměny je primárním cílem výzkumu organických solárních článků a klíčem k jejich industrializaci. Proto je příprava aktivních materiálů zpracovatelných v roztoku s vysokou účinností, nízkou cenou a dobrou reprodukovatelností základem pro zlepšení účinnosti fotoelektrické konverze.
Chen Yongsheng představil, že raný výzkum organických solárních článků se zaměřoval hlavně na návrh a syntézu polymerních donorových materiálů a aktivní vrstva byla založena na hromadné heterostruktuře receptorů derivátů fullerenu. S neustálým pokrokem souvisejícího výzkumu a vyššími požadavky na materiály v technologii zařízení přitahují rozpustné oligomolekulární materiály s určitelnou chemickou strukturou intenzivní pozornost.
"Tyto materiály mají výhody jednoduché struktury, snadného čištění a dobré reprodukovatelnosti výsledků fotovoltaických zařízení." Chen Yongsheng řekl, že v rané fázi většina roztoků s malými molekulami nebyla dobrá při vytváření filmů, takže odpařování se používalo hlavně k přípravě zařízení, což značně omezovalo jejich aplikační vyhlídky. Jak navrhnout a syntetizovat materiály fotovoltaické aktivní vrstvy s dobrým výkonem a určenou molekulární strukturou je klíčovým problémem, který vědci uznávají.
Díky svému bystrému vhledu a pečlivé analýze výzkumného pole, Chen Yongsheng rozhodně vybral nové organické malé molekuly a oligomerní aktivní materiály, které by mohly být zpracovány řešením, které mělo v té době velká rizika a výzvy, jako průlomový bod ve výrobě solární energie. výzkum. Od návrhu molekulárních materiálů až po optimalizaci přípravy fotovoltaických zařízení vedl Chen Yongsheng vědecký výzkumný tým k provádění vědeckého výzkumu dnem i nocí a po 10 letech neutuchajícího úsilí nakonec zkonstruoval unikátní oligomerní organický solární materiál s malou molekulou. systém.
Z účinnosti 5 % na více než 10 % a následně na 17,3 % nadále překonávají světový rekord v oblasti účinnosti fotovoltaické přeměny organických solárních článků. Jejich designové koncepty a metody byly široce používány vědeckou komunitou. Za posledních deset let publikovali téměř 300 akademických prací v mezinárodně renomovaných časopisech a požádali o více než 50 patentů na vynálezy.
3. Jeden malý krok pro efektivitu, jeden obrovský skok pro energii
Chen Yongsheng přemýšlel o tom, jak vysoké účinnosti organických solárních článků lze dosáhnout a zda mohou konečně konkurovat solárním článkům na bázi křemíku? Kde je „bod bolesti“ průmyslové aplikace organických solárních článků a jak jej rozlousknout?
V posledních několika letech, ačkoli se technologie organických solárních článků rychle vyvíjela, účinnost fotoelektrické přeměny přesáhla 14 %, ale ve srovnání s anorganickými a perovskitovými materiály vyrobenými ze solárních článků je účinnost stále nízká. Přestože aplikace fotovoltaické technologie by měla brát v úvahu řadu ukazatelů, jako je účinnost, náklady a životnost, účinnost je vždy na prvním místě. Jak využít výhod organických materiálů, optimalizovat materiálový design a zlepšit strukturu baterie a proces přípravy tak, abyste získali vyšší účinnost fotoelektrické konverze?
Od roku 2015 tým Chen Yongsheng začal provádět výzkum organických laminovaných solárních článků. Domnívá se, že pro dosažení nebo dokonce překročení cíle technického výkonu solárních článků na bázi anorganických materiálů je design vrstvených solárních článků velmi potenciálním řešením - organické vrstvené solární články mohou plně využít a hrát výhody organických/polymerních materiálů, jako je strukturální rozmanitost, absorpce slunečního záření a úprava úrovně energie. Získá se materiál aktivní vrstvy sub-buněk s dobrou komplementární absorpcí slunečního záření, čímž se dosáhne vyšší fotovoltaické účinnosti.
Na základě výše uvedených myšlenek použili řadu oligomerních malých molekul navržených a syntetizovaných týmem k přípravě 12,7% organických laminovaných solárních článků, osvěžujících účinnost pole organických solárních článků v té době, výsledky výzkumu byly publikovány v oboru z nejlepšího časopisu „Nature Photonics“ a studie byla vybrána jako „Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017“.
Jak velký prostor pro zlepšení účinnosti fotoelektrické přeměny organických solárních článků? Chen Yongsheng a jeho tým systematicky analyzovali tisíce literatury a experimentálních dat o materiálech a zařízeních v oblasti organické solární energie a v kombinaci s akumulací vlastního výzkumu a experimentálními výsledky předpověděli skutečnou maximální účinnost fotoelektrické přeměny organických solárních článků včetně multi- zařízení vrstev, stejně jako požadavky na parametry pro ideální materiály aktivní vrstvy. Na základě tohoto modelu vybrali materiály aktivní vrstvy předního článku a zadního článku s dobrou komplementární absorpční kapacitou ve viditelné a blízké infračervené oblasti a získali ověřenou účinnost fotoelektrické konverze 17,3 %, což je nejvyšší fotoelektrická konverze na světě. účinnost uváděná v současné literatuře o organických/polymerních solárních článcích, posouvá výzkum organických solárních článků na novou úroveň.
„Podle energetické poptávky Číny ve výši 4,36 miliardy tun standardního uhelného ekvivalentu v roce 2016, pokud se účinnost fotoelektrické přeměny organických solárních článků zvýší o jeden procentní bod, odpovídající poptávku po energii generují solární články, což znamená, že emise oxidu uhličitého mohou snížit o 160 milionů tun ročně." řekl Chen Yongsheng.
Někteří lidé říkají, že křemík je nejdůležitějším základním materiálem v informačním věku a jeho důležitost je samozřejmá. Podle Chen Yongshengova názoru však mají křemíkové materiály také své nevýhody: „Nemluvě o obrovských nákladech na energii a životní prostředí, které musí křemíkové materiály platit v procesu přípravy, jejich tvrdé a křehké vlastnosti je obtížné splnit flexibilní požadavky budoucích lidí. "nositelná" zařízení." Technické produkty založené na pružných karbonových materiálech s dobrým skládáním proto budou předvídatelným směrem vývoje nové disciplíny materiálů.“
