Daripada penggunaan api semula jadi purba, kepada penggunaan kayu penggerudian untuk api, kepada penggunaan arang batu dan minyak, pembangunan tamadun manusia pada asasnya adalah pembangunan keupayaan penggunaan tenaga. Setakat ini, tamadun manusia dan pembangunan ekonomi sebahagian besarnya berasaskan pembangunan dan penggunaan tenaga fosil. Pada abad ke-21, disebabkan kebimbangan mengenai rizab tenaga fosil yang tidak boleh diperbaharui di bumi, serta pencemaran alam sekitar yang semakin teruk akibat daripada eksploitasi dan penggunaan tenaga fosil, orang ramai akan meneroka medan tenaga lestari hijau, seperti tenaga suria, tenaga angin, tenaga air...
"Hanya menyelesaikan masalah saintifik penggunaan tenaga solar yang cekap adalah cara untuk pembangunan manusia yang mampan." Profesor Chen Yongsheng, Sekolah Kimia, Universiti Nankai, menegaskan, "Matahari adalah ibu kepada semua benda dan 'sumber' tenaga. Jika tenaga suria yang sampai ke bumi pada bila-bila masa boleh dimanfaatkan kepada dua bahagian setiap 10,000, seluruh permintaan tenaga masyarakat manusia dapat dipenuhi Oleh kerana itu, Profesor Chen Yongsheng dan pasukannya memadatkan misi penyelidikan saintifik mereka menjadi satu ayat - "kepada matahari untuk tenaga"!
1. Sel solar organik dijangka dikomersialkan
Dalam penggunaan manusia teknologi tenaga suria, sel solar, iaitu, penggunaan "kesan fotovoltaik" untuk terus menukar tenaga cahaya ke dalam peranti tenaga elektrik, kini digunakan secara meluas, tetapi juga salah satu teknologi yang paling menjanjikan.
Untuk masa yang lama, orang ramai lebih berasaskan bahan bukan organik seperti silikon kristal untuk menyediakan sel solar. Walau bagaimanapun, pengeluaran bateri jenis ini mempunyai kelemahan seperti proses yang rumit, kos yang tinggi, penggunaan tenaga yang tinggi dan pencemaran yang teruk. Sama ada untuk mencari bahan organik baharu dengan kos rendah, kecekapan tinggi, fleksibiliti yang kuat dan mesra alam untuk membangunkan jenis sel suria baharu kini menjadi matlamat saintis di seluruh dunia.
"Menggunakan bahan karbon yang paling banyak di bumi sebagai bahan mentah asas, mendapatkan tenaga hijau yang cekap dan kos rendah melalui cara teknikal adalah sangat penting untuk menyelesaikan masalah tenaga utama yang dihadapi manusia pada masa ini." Chen Yongsheng memperkenalkan bahawa penyelidikan elektronik organik dan bahan berfungsi organik (polimer), yang bermula pada 1970-an, telah menyediakan peluang untuk merealisasikan matlamat ini.
Berbanding dengan bahan semikonduktor bukan organik yang diwakili oleh silikon, semikonduktor organik mempunyai banyak kelebihan seperti kos rendah, kepelbagaian bahan, fungsi boleh laras dan percetakan fleksibel. Pada masa ini, paparan berasaskan diod pemancar cahaya organik (OLeds) telah dihasilkan secara komersial dan digunakan secara meluas dalam paparan telefon mudah alih dan TV.
Sel suria organik berasaskan bahan polimer organik sebagai lapisan aktif fotosensitif mempunyai kelebihan kepelbagaian struktur bahan, penyediaan percetakan kos rendah kawasan besar, fleksibiliti, lut sinar dan juga ketelusan penuh, dan mempunyai banyak ciri cemerlang yang tidak dimiliki oleh teknologi sel suria bukan organik. mempunyai. Selain sebagai peranti penjanaan kuasa biasa, ia juga mempunyai potensi aplikasi yang hebat dalam bidang lain seperti penyepaduan bangunan penjimatan tenaga dan peranti boleh pakai, yang telah menimbulkan minat yang besar dalam bidang akademik dan industri.
"Terutama dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penyelidikan sel solar organik telah mencapai pembangunan pesat, dan kecekapan penukaran fotoelektrik sentiasa disegarkan." Pada masa ini, komuniti saintifik secara amnya percaya bahawa sel solar organik telah mencapai 'fajar' pengkomersilan." Chen Yongsheng berkata.
2. Menembusi kesesakan: berusaha untuk meningkatkan kecekapan penukaran fotoelektrik
Halangan yang menyekat pembangunan sel solar organik ialah kecekapan penukaran fotoelektrik adalah rendah. Meningkatkan kecekapan penukaran fotoelektrik adalah matlamat utama penyelidikan sel solar organik dan kunci kepada perindustriannya. Oleh itu, penyediaan bahan aktif boleh diproses penyelesaian dengan kecekapan tinggi, kos rendah dan kebolehulangan yang baik adalah asas untuk meningkatkan kecekapan penukaran fotoelektrik.
Chen Yongsheng memperkenalkan bahawa penyelidikan awal sel solar organik tertumpu terutamanya pada reka bentuk dan sintesis bahan penderma polimer, dan lapisan aktif adalah berdasarkan heterostruktur pukal reseptor terbitan fullerene. Dengan kemajuan berterusan penyelidikan berkaitan dan keperluan bahan yang lebih tinggi dalam teknologi peranti, bahan oligomolekul boleh larut dengan struktur kimia yang boleh ditentukan telah menarik perhatian yang mendalam.
"Bahan-bahan ini mempunyai kelebihan struktur ringkas, penulenan mudah, dan kebolehulangan yang baik hasil peranti fotovoltaik." Chen Yongsheng berkata bahawa pada peringkat awal, kebanyakan penyelesaian molekul kecil tidak pandai membentuk filem, jadi penyejatan digunakan terutamanya untuk menyediakan peranti, yang sangat mengehadkan prospek aplikasinya. Cara mereka bentuk dan mensintesis bahan lapisan aktif fotovoltaik dengan prestasi yang baik dan struktur molekul yang ditentukan adalah masalah utama yang diiktiraf oleh saintis.
Dengan pandangan yang mendalam dan analisis yang teliti dalam bidang penyelidikan, Chen Yongsheng dengan tegas memilih molekul kecil organik baharu dan bahan aktif oligomer yang boleh diproses dengan penyelesaian, yang mempunyai risiko dan cabaran besar pada masa itu, sebagai titik terobosan penjanaan tenaga suria. penyelidikan. Daripada reka bentuk bahan molekul kepada pengoptimuman penyediaan peranti fotovoltaik, Chen Yongsheng mengetuai pasukan penyelidik saintifik untuk menjalankan penyelidikan saintifik siang dan malam, dan selepas 10 tahun usaha tanpa henti, akhirnya membina bahan solar organik molekul kecil oligomer yang unik. sistem.
Daripada kecekapan 5% kepada lebih daripada 10%, dan kemudian kepada 17.3%, mereka terus memecahkan rekod dunia dalam bidang kecekapan penukaran fotovoltaik sel solar organik. Konsep dan kaedah reka bentuk mereka telah digunakan secara meluas oleh komuniti saintifik. Sepanjang dekad yang lalu, mereka telah menerbitkan hampir 300 kertas akademik dalam majalah terkenal di peringkat antarabangsa dan memohon lebih daripada 50 paten ciptaan.
3. Satu langkah kecil untuk kecekapan, satu lompatan besar untuk tenaga
Chen Yongsheng telah memikirkan sejauh mana kecekapan sel solar organik boleh dicapai, dan sama ada mereka akhirnya boleh bersaing dengan sel solar berasaskan silikon? Di manakah "titik kesakitan" aplikasi perindustrian sel solar organik dan bagaimana untuk memecahkannya?
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, walaupun teknologi sel solar organik telah berkembang pesat, kecekapan penukaran fotoelektrik telah melebihi 14%, tetapi berbanding dengan bahan bukan organik dan perovskit yang diperbuat daripada sel solar, kecekapan masih rendah. Walaupun penggunaan teknologi fotovoltaik harus mempertimbangkan beberapa petunjuk seperti kecekapan, kos dan hayat, kecekapan sentiasa yang pertama. Bagaimana untuk menggunakan kelebihan bahan organik, mengoptimumkan reka bentuk bahan dan memperbaiki struktur bateri dan proses penyediaan, untuk mendapatkan kecekapan penukaran fotoelektrik yang lebih tinggi?
Sejak 2015, pasukan Chen Yongsheng telah mula menjalankan penyelidikan mengenai sel solar berlamina organik. Beliau percaya bahawa untuk mencapai atau bahkan melebihi matlamat prestasi teknikal sel solar berdasarkan bahan bukan organik, reka bentuk sel solar berlamina adalah penyelesaian yang sangat berpotensi - sel solar berlamina organik boleh menggunakan sepenuhnya dan bermain untuk kelebihan. bahan organik/polimer, seperti kepelbagaian struktur, penyerapan cahaya matahari dan pelarasan tahap tenaga. Bahan lapisan aktif sub-sel dengan penyerapan cahaya matahari pelengkap yang baik diperolehi, sekali gus mencapai kecekapan fotovoltaik yang lebih tinggi.
Berdasarkan idea di atas, mereka menggunakan satu siri molekul kecil oligomerik yang direka dan disintesis oleh pasukan untuk menyediakan 12.7% sel solar berlamina organik, menyegarkan kecekapan medan sel solar organik pada masa itu, hasil penyelidikan telah diterbitkan dalam bidang daripada jurnal teratas "Nature Photonics", dan kajian itu dipilih sebagai "Sepuluh Kemajuan Teratas dalam Optik Cina pada 2017".
Berapa banyak ruang untuk meningkatkan kecekapan penukaran fotoelektrik sel solar organik? Chen Yongsheng dan pasukannya secara sistematik menganalisis beribu-ribu literatur dan data eksperimen mengenai bahan dan peranti dalam bidang tenaga solar organik, dan digabungkan dengan pengumpulan penyelidikan dan hasil eksperimen mereka sendiri, meramalkan kecekapan penukaran fotoelektrik maksimum sebenar sel solar organik termasuk pelbagai- peranti lapisan, serta keperluan parameter untuk bahan lapisan aktif yang ideal. Berdasarkan model ini, mereka memilih bahan lapisan aktif sel hadapan dan sel belakang dengan kapasiti penyerapan pelengkap yang baik di kawasan inframerah yang boleh dilihat dan berhampiran, dan memperoleh kecekapan penukaran fotoelektrik yang disahkan sebanyak 17.3%, yang merupakan penukaran fotoelektrik tertinggi di dunia. kecekapan yang dilaporkan dalam literatur semasa sel solar organik/polimer, mendorong penyelidikan sel solar organik ke tahap yang baharu.
"Menurut permintaan tenaga China sebanyak 4.36 bilion tan setara arang batu standard pada 2016, jika kecekapan penukaran fotoelektrik sel solar organik meningkat sebanyak satu mata peratusan, permintaan tenaga yang sepadan dihasilkan oleh sel solar, yang bermaksud bahawa pelepasan karbon dioksida boleh dikurangkan kira-kira 160 juta tan setahun." Chen Yongsheng berkata.
Sesetengah orang mengatakan bahawa silikon adalah bahan asas yang paling penting dalam era maklumat, dan kepentingannya adalah jelas. Walau bagaimanapun, pada pandangan Chen Yongsheng, bahan silikon juga mempunyai kelemahannya: "Belum lagi kos tenaga dan alam sekitar yang besar yang perlu dibayar oleh bahan silikon dalam proses penyediaan, ciri-cirinya yang keras dan rapuh sukar untuk memenuhi keperluan fleksibel manusia masa depan. peranti 'boleh pakai'." Oleh itu, produk teknikal berasaskan bahan karbon fleksibel dengan lipatan yang baik akan menjadi hala tuju pembangunan yang boleh dijangka bagi disiplin bahan baharu."
