Mula sa paggamit ng sinaunang natural na apoy, sa paggamit ng pagbabarena ng kahoy para sa apoy, sa paggamit ng karbon at langis, ang pag-unlad ng sibilisasyon ng tao ay mahalagang pag-unlad ng kakayahan sa paggamit ng enerhiya. Sa ngayon, ang sibilisasyon ng tao at pag-unlad ng ekonomiya ay higit na nakabatay sa pag-unlad at paggamit ng fossil energy. Sa ika-21 siglo, dahil sa pag-aalala tungkol sa hindi nababagong mga reserbang enerhiya ng fossil sa mundo, gayundin ang lalong matinding polusyon sa kapaligiran na nagmula sa pagsasamantala at paggamit ng fossil energy, ang mga tao ay tuklasin ang berdeng napapanatiling larangan ng enerhiya, tulad ng solar energy, wind energy, water energy...
"Ang paglutas lamang ng siyentipikong problema ng mahusay na paggamit ng solar energy ang paraan sa napapanatiling pag-unlad ng sangkatauhan." Iginiit ni Propesor Chen Yongsheng, School of Chemistry, Nankai University, "Ang araw ay ang ina ng lahat ng bagay at ang 'pinagmulan' ng enerhiya. Kung ang solar energy na umaabot sa mundo anumang oras ay maaaring gamitin sa dalawang bahagi bawat 10,000, ang buong pangangailangan ng enerhiya ng lipunan ng tao ay maaaring matugunan Dahil dito, si Propesor Chen Yongsheng at ang kanyang pangkat ay pinag-isa ang kanilang misyon sa siyentipikong pananaliksik sa isang pangungusap - "sa araw para sa enerhiya"!
1. Ang mga organikong solar cell ay inaasahang magiging komersyalisado
Sa paggamit ng mga tao ng mga teknolohiya ng solar energy, ang mga solar cell, iyon ay, ang paggamit ng "photovoltaic effect" upang direktang i-convert ang liwanag na enerhiya sa mga de-koryenteng aparato ng enerhiya, ay kasalukuyang malawak na ginagamit, ngunit isa rin sa mga pinaka-promising na teknolohiya.
Sa loob ng mahabang panahon, ang mga tao ay higit na nakabatay sa mga inorganikong materyales tulad ng crystalline na silicon upang maghanda ng mga solar cell. Gayunpaman, ang paggawa ng ganitong uri ng baterya ay may mga kakulangan tulad ng kumplikadong proseso, mataas na gastos, mataas na pagkonsumo ng enerhiya at mabigat na polusyon. Kung makahanap ng bagong organikong materyal na may mababang halaga, mataas na kahusayan, malakas na flexibility at pagiging magiliw sa kapaligiran upang bumuo ng isang bagong uri ng solar cell ay nagiging layunin na ngayon ng mga siyentipiko sa buong mundo.
"Ang paggamit ng pinakamaraming carbon material sa mundo bilang pangunahing hilaw na materyal, ang pagkuha ng mahusay at murang berdeng enerhiya sa pamamagitan ng teknikal na paraan ay may malaking kahalagahan para sa paglutas ng mga pangunahing problema sa enerhiya na kinakaharap ng sangkatauhan sa kasalukuyan." Ipinakilala ni Chen Yongsheng na ang pananaliksik ng mga organikong elektroniko at organikong (polymer) na mga functional na materyales, na nagsimula noong 1970s, ay nagbigay ng mga pagkakataon para sa pagsasakatuparan ng layuning ito.
Kung ikukumpara sa mga inorganic na semiconductor na materyales na kinakatawan ng silikon, ang organic semiconductor ay may maraming pakinabang tulad ng mababang gastos, pagkakaiba-iba ng materyal, adjustable function at flexible printing. Sa kasalukuyan, ang mga display batay sa mga organic na light-emitting diodes (OLeds) ay ginawa nang komersyal at malawakang ginagamit sa mga mobile phone at TV display.
Ang organic solar cell batay sa organic polymer material bilang photosensitive active layer ay may mga pakinabang ng material structure diversity, malaking lugar na murang paghahanda sa pag-print, flexibility, translucent at kahit buong transparency, at may maraming mahuhusay na katangian na hindi ginagawa ng inorganic solar cell technology. mayroon. Bilang karagdagan sa pagiging isang normal na power generation device, mayroon din itong mahusay na potensyal na magamit sa iba pang larangan tulad ng pagsasama ng gusaling nakakatipid sa enerhiya at mga naisusuot na device, na pumukaw ng malaking interes sa akademya at industriya.
"Lalo na sa mga nakaraang taon, ang pananaliksik ng mga organic na solar cell ay nakamit ang mabilis na pag-unlad, at ang photoelectric conversion na kahusayan ay patuloy na nire-refresh." Sa kasalukuyan, ang pang-agham na komunidad sa pangkalahatan ay naniniwala na ang mga organikong solar cell ay umabot na sa 'bukang-liwayway' ng komersyalisasyon." Sinabi ni Chen Yongsheng.
2. Lumampas sa bottleneck: magsikap na mapabuti ang kahusayan ng photoelectric conversion
Ang bottleneck na naghihigpit sa pagbuo ng mga organikong solar cell ay ang pagiging epektibo ng photoelectric conversion ay mababa. Ang pagpapabuti ng kahusayan sa conversion ng photoelectric ay ang pangunahing layunin ng pananaliksik ng organic solar cell at ang susi sa industriyalisasyon nito. Samakatuwid, ang paghahanda ng mga aktibong materyales na naproseso ng solusyon na may mataas na kahusayan, mababang gastos at mahusay na muling paggawa ay ang batayan para sa pagpapabuti ng kahusayan ng conversion ng photoelectric.
Ipinakilala ni Chen Yongsheng na ang maagang pananaliksik ng organic solar cell ay pangunahing nakatuon sa disenyo at synthesis ng mga polymer donor na materyales, at ang aktibong layer ay batay sa bulk heterostructure ng fullerene derivative receptors. Sa patuloy na pagsulong ng kaugnay na pananaliksik at mas mataas na pangangailangan ng mga materyales sa teknolohiya ng aparato, ang mga natutunaw na oligomolecular na materyales na may tiyak na istrukturang kemikal ay nakakuha ng matinding atensyon.
"Ang mga materyales na ito ay may mga pakinabang ng simpleng istraktura, madaling pagdalisay, at mahusay na reproducibility ng mga resulta ng photovoltaic device." Sinabi ni Chen Yongsheng na sa unang bahagi ng yugto, ang karamihan sa mga maliliit na solusyon sa molekula ay hindi mahusay sa pagbuo ng mga pelikula, kaya ang pagsingaw ay pangunahing ginagamit upang maghanda ng mga aparato, na lubhang limitado ang kanilang mga prospect ng aplikasyon. Kung paano magdisenyo at mag-synthesize ng photovoltaic active layer na materyales na may mahusay na pagganap at determinadong molekular na istraktura ay isang pangunahing problema na kinikilala ng mga siyentipiko.
Sa kanyang matalas na pananaw at maingat na pagsusuri sa larangan ng pagsasaliksik, pinili ni Chen Yongsheng ang mga bagong organikong maliliit na molekula at oligomer na mga aktibong materyales na maaaring iproseso gamit ang solusyon, na may malalaking panganib at hamon sa panahong iyon, bilang ang breakthrough point ng pagbuo ng solar power. pananaliksik. Mula sa disenyo ng mga molekular na materyales hanggang sa pag-optimize ng paghahanda ng mga photovoltaic device, pinangunahan ni Chen Yongsheng ang pangkat ng siyentipikong pananaliksik na magsagawa ng siyentipikong pananaliksik araw at gabi, at pagkatapos ng 10 taon ng walang humpay na pagsisikap, sa wakas ay nakagawa ng isang natatanging oligomer na maliit na molekula na organikong solar na materyal. sistema.
Mula sa kahusayan ng 5% hanggang sa higit sa 10%, at pagkatapos ay sa 17.3%, patuloy nilang sinisira ang world record sa larangan ng photovoltaic conversion na kahusayan ng mga organikong solar cell. Ang kanilang mga konsepto at pamamaraan sa disenyo ay malawakang ginagamit ng pamayanang siyentipiko. Sa nakalipas na dekada, naglathala sila ng halos 300 akademikong papel sa mga kilalang magasin sa buong mundo at nag-aplay para sa higit sa 50 mga patent ng imbensyon.
3. Isang maliit na hakbang para sa kahusayan, isang higanteng paglukso para sa enerhiya
Si Chen Yongsheng ay nag-iisip tungkol sa kung gaano kataas ang kahusayan ng mga organikong solar cell ay maaaring makamit, at kung sila sa wakas ay maaaring makipagkumpitensya sa mga solar cell na nakabatay sa silikon? Nasaan ang "pain point" ng pang-industriyang aplikasyon ng mga organikong solar cell at kung paano ito i-crack?
Sa nakalipas na ilang taon, bagama't mabilis na umunlad ang teknolohiya ng organikong solar cell, lumampas sa 14% ang kahusayan ng conversion ng photoelectric, ngunit kumpara sa mga inorganic at perovskite na materyales na gawa sa solar cell, mababa pa rin ang kahusayan. Kahit na ang aplikasyon ng teknolohiyang photovoltaic ay dapat isaalang-alang ang isang bilang ng mga tagapagpahiwatig tulad ng kahusayan, gastos at buhay, ang kahusayan ay palaging ang una. Paano gamitin ang mga pakinabang ng mga organikong materyales, i-optimize ang disenyo ng materyal at pagbutihin ang istraktura ng baterya at proseso ng paghahanda, upang makakuha ng mas mataas na kahusayan sa conversion ng photoelectric?
Mula noong 2015, nagsimula ang pangkat ni Chen Yongsheng na magsagawa ng pananaliksik sa mga organic laminated solar cell. Naniniwala siya na upang maabot o malampasan pa ang layunin ng teknikal na pagganap ng mga solar cell batay sa mga inorganic na materyales, ang disenyo ng laminated solar cells ay isang napaka-potensyal na solusyon - ang mga organic laminated solar cells ay maaaring gumamit at maglaro nang lubos sa mga benepisyo. ng mga organikong/polymer na materyales, tulad ng pagkakaiba-iba ng istruktura, pagsipsip ng sikat ng araw at pagsasaayos ng antas ng enerhiya. Ang isang sub-cell na aktibong layer na materyal na may mahusay na komplementaryong pagsipsip ng sikat ng araw ay nakuha, kaya nakakamit ang mas mataas na photovoltaic na kahusayan.
Batay sa mga ideya sa itaas, gumamit sila ng isang serye ng mga oligomeric na maliliit na molekula na idinisenyo at na-synthesize ng koponan upang maghanda ng 12.7% organic laminated solar cells, na nagre-refresh sa kahusayan ng organic solar cell field noong panahong iyon, ang mga resulta ng pananaliksik ay nai-publish sa field. ng nangungunang journal na "Nature Photonics", at ang pag-aaral ay pinili bilang "Nangungunang Sampung Pag-unlad sa Chinese Optics noong 2017".
Gaano karaming silid upang mapabuti ang kahusayan ng conversion ng photoelectric ng mga organikong solar cell? Si Chen Yongsheng at ang kanyang koponan ay sistematikong nag-analisa ng libu-libong literatura at pang-eksperimentong data sa mga materyales at device sa larangan ng organic solar energy, at pinagsama sa kanilang sariling akumulasyon ng pananaliksik at mga resulta ng eksperimentong, hinulaang ang aktwal na maximum na photoelectric conversion na kahusayan ng mga organic na solar cell kabilang ang multi- layer device, pati na rin ang mga kinakailangan sa parameter para sa perpektong aktibong layer na materyales. Batay sa modelong ito, pinili nila ang mga aktibong layer na materyales ng front cell at ang rear cell na may mahusay na complementary absorption capacity sa nakikita at malapit na infrared na mga rehiyon, at nakakuha ng napatunayang photoelectric conversion efficiency na 17.3%, na siyang pinakamataas na photoelectric conversion sa mundo. kahusayan na iniulat sa kasalukuyang literatura ng mga organic/polymer solar cell, na nagtutulak sa pananaliksik ng mga organic na solar cell sa isang bagong taas.
"Ayon sa pangangailangan ng enerhiya ng China na 4.36 bilyong tonelada ng karaniwang katumbas ng karbon noong 2016, kung ang photoelectric conversion na kahusayan ng mga organic solar cell ay nadagdagan ng isang porsyentong punto, ang kaukulang pangangailangan ng enerhiya ay nabuo ng mga solar cell, na nangangahulugan na ang carbon dioxide emissions ay maaaring mababawasan ng humigit-kumulang 160 milyong tonelada bawat taon." sabi ni Chen Yongsheng.
Ang ilang mga tao ay nagsasabi na ang silikon ay ang pinakamahalagang pangunahing materyal sa panahon ng impormasyon, at ang kahalagahan nito ay maliwanag. Gayunpaman, sa pananaw ni Chen Yongsheng, ang mga materyales ng silikon ay mayroon ding kanilang mga kawalan: "Hindi pa banggitin ang malaking enerhiya at mga gastos sa kapaligiran na kailangang bayaran ng mga materyales ng silikon sa proseso ng paghahanda, ang matigas at malutong na mga katangian nito ay mahirap matugunan ang mga nababaluktot na pangangailangan ng hinaharap na tao. 'naisusuot' na mga device." Samakatuwid, ang mga teknikal na produkto batay sa nababaluktot na mga materyales ng carbon na may mahusay na pagtitiklop ay ang nakikinitaang direksyon ng pag-unlad ng bagong disiplina ng mga materyales."
