Az ősi természeti tűz hasznosításától a fúró fa tűzre való felhasználásáig, a szén és olaj felhasználásáig az emberi civilizáció fejlődése lényegében az energiafelhasználó képesség fejlesztése. Eddig az emberi civilizáció és a gazdasági fejlődés nagyrészt a fosszilis energia fejlesztésén és hasznosításán alapul. A 21. században a Föld nem megújuló fosszilis energiakészleteivel kapcsolatos aggodalmak, valamint a fosszilis energia kiaknázásából és felhasználásából eredő egyre súlyosabb környezetszennyezés miatt az emberek a zöld fenntartható energiamezőt, mint pl. napenergia, szélenergia, vízenergia...
"Csak a napenergia hatékony felhasználásának tudományos problémájának megoldása vezet az emberiség fenntartható fejlődéséhez." Chen Yongsheng professzor, a Nankai Egyetem Kémiai Iskolája kijelentette: "A nap minden dolog anyja és az energia "forrása". Ha a Földet bármikor elérő napenergiát 10 000-enként két részre lehetne hasznosítani, Emiatt Chen Yongsheng professzor és csapata egy mondatba sűrítette tudományos kutatási küldetését – „az emberi társadalom teljes energiaigényét. nap az energiáért"!
1. A szerves napelemek várhatóan kereskedelmi forgalomba kerülnek
A napenergia-technológiák humán felhasználásában jelenleg széles körben alkalmazzák a napelemeket, vagyis a „fotovoltaikus hatás” alkalmazását a fényenergia közvetlen villamosenergia-eszközzé alakítására, de egyben az egyik legígéretesebb technológia is.
Az emberek hosszú ideig inkább szervetlen anyagokra, például kristályos szilíciumra támaszkodnak a napelemek elkészítéséhez. Az ilyen típusú akkumulátorok gyártásának azonban vannak hátrányai, mint például a bonyolult folyamat, a magas költségek, a magas energiafogyasztás és a súlyos környezetszennyezés. Világszerte a tudósok célja, hogy új, alacsony költségű, nagy hatékonyságú, erős rugalmasságú és környezetbarát szerves anyagot találjanak-e egy új típusú napelem kifejlesztéséhez.
"A Föld legnagyobb mennyiségben előforduló szén-anyagának alapanyagként való felhasználása, a hatékony és olcsó zöldenergia technikai eszközökkel történő előállítása nagy jelentőséggel bír az emberiség jelenlegi fő energiaproblémáinak megoldásában." Chen Yongsheng bemutatta, hogy az 1970-es években indult szerves elektronika és szerves (polimer) funkcionális anyagok kutatása adott lehetőséget ennek a célnak a megvalósítására.
A szilícium által képviselt szervetlen félvezető anyagokkal összehasonlítva a szerves félvezetőnek számos előnye van, mint például az alacsony költség, az anyagok sokfélesége, az állítható funkció és a rugalmas nyomtatás. Jelenleg az organikus fénykibocsátó diódákon (OLeds) alapuló kijelzőket kereskedelmi forgalomban gyártják, és széles körben használják mobiltelefon- és TV-kijelzőkben.
A szerves polimer anyagon alapuló szerves napelem, mint fényérzékeny aktív réteg előnye az anyagszerkezet sokfélesége, a nagy felületű, olcsó nyomtatási előkészítés, a rugalmasság, az áttetsző, sőt a teljes átlátszóság, valamint számos olyan kiváló tulajdonsággal rendelkezik, amelyet a szervetlen napelem technológia nem. van. Amellett, hogy egy normál energiatermelő eszköz, más területeken is nagy alkalmazási potenciállal rendelkezik, mint például az energiatakarékos épületintegráció és a hordható eszközök, ami nagy érdeklődést váltott ki a tudományos körökben és az iparban.
"Különösen az elmúlt években a szerves napelemek kutatása gyors fejlődést ért el, a fotoelektromos konverziós hatékonyság pedig folyamatosan frissül." Jelenleg a tudományos közösség általában úgy véli, hogy a szerves napelemek elérték a kereskedelmi forgalomba hozatal „hajnalát”” – mondta Chen Yongsheng.
2. Áttörni a szűk keresztmetszetet: törekedni kell a fotoelektromos átalakítás hatékonyságának javítására
A szerves napelemek fejlesztését korlátozó szűk keresztmetszet az, hogy a fotoelektromos konverziós hatásfok alacsony. A fotoelektromos átalakítás hatékonyságának javítása a szerves napelem-kutatás elsődleges célja és iparosításának kulcsa. Ezért a nagy hatékonyságú, alacsony költségű és jó reprodukálhatóságú, oldatban feldolgozható aktív anyagok előállítása az alapja a fotoelektromos konverziós hatékonyság javításának.
Chen Yongsheng bemutatta, hogy a korai szerves napelem-kutatás főként polimer donor anyagok tervezésére és szintézisére összpontosított, az aktív réteg pedig a fullerén származék receptorok ömlesztett heterostruktúráján alapult. A kapcsolódó kutatások folyamatos fejlődésével és az eszköztechnológia anyagszükségletének növekedésével a meghatározható kémiai szerkezetű, szolubilizálható oligomolekuláris anyagok felkeltették a figyelmet.
"Ezek az anyagok előnye az egyszerű szerkezet, a könnyű tisztítás és a fotovoltaikus eszközök eredményeinek jó reprodukálhatósága." Chen Yongsheng elmondta, hogy a korai szakaszban a legtöbb kis molekulájú oldat nem volt jó a filmek kialakításában, ezért a párologtatást főként eszközök előkészítésére használták, ami nagymértékben korlátozta alkalmazási kilátásaikat. A tudósok által felismert kulcsfontosságú probléma, hogyan tervezzünk és szintetizáljunk jó teljesítményű és meghatározott molekulaszerkezetű fotovoltaikus aktív réteganyagokat.
Chen Yongsheng éles betekintésével és a kutatási terület alapos elemzésével határozottan választotta ki a napelemes energiatermelés kitörési pontjaként az új szerves kis molekulák és oligomer hatóanyagokat, amelyek oldattal feldolgozhatók, amelyek akkoriban komoly kockázatokkal és kihívásokkal jártak. kutatás. A molekuláris anyagok tervezésétől a fotovoltaikus eszközök előállításának optimalizálásáig Chen Yongsheng vezette a tudományos kutatócsoportot, hogy éjjel-nappal tudományos kutatásokat végezzenek, majd 10 év lankadatlan erőfeszítése után végül megalkotott egy egyedülálló oligomer kis molekulájú szerves napelemet. rendszer.
5%-os hatékonyságról 10%-ot meghaladóra, majd 17,3%-ra továbbra is megdöntik a világrekordot a szerves napelemek fotovoltaikus konverziós hatékonysága terén. Tervezési koncepcióikat és módszereiket széles körben alkalmazta a tudományos közösség. Az elmúlt évtizedben közel 300 tudományos dolgozatot publikáltak nemzetközi hírű folyóiratokban, és több mint 50 találmányi szabadalmat kértek.
3. Egy kis lépés a hatékonyságért, egy óriási ugrás az energiaért
Chen Yongsheng azon gondolkodott, hogy milyen magas hatásfok érhető el a szerves napelemekkel, és vajon végre felvehetik-e a versenyt a szilícium alapú napelemekkel? Hol van a szerves napelemek ipari alkalmazásának "fájdalompontja", és hogyan lehet feltörni?
Az elmúlt néhány évben, bár a szerves napelem technológia gyorsan fejlődött, a fotoelektromos konverziós hatásfok meghaladta a 14%-ot, de a napelemekből készült szervetlen és perovszkit anyagokhoz képest a hatásfoka még mindig alacsony. Bár a fotovoltaikus technológia alkalmazása során számos mutatót figyelembe kell venni, például a hatékonyságot, a költségeket és az élettartamot, a hatékonyság mindig az első. Hogyan lehet kihasználni a szerves anyagok előnyeit, optimalizálni az anyagtervezést és javítani az akkumulátor szerkezetét és az előkészítési folyamatot, hogy nagyobb fotoelektromos átalakítási hatékonyságot érjünk el?
2015 óta Chen Yongsheng csapata megkezdte a szerves laminált napelemek kutatását. Úgy véli, hogy a szervetlen anyagokra épülő napelemek műszaki teljesítményének céljának eléréséhez vagy akár túlteljesítéséhez a laminált napelemek tervezése nagyon potenciális megoldás – a szerves laminált napelemek teljes mértékben kihasználhatják és kihasználhatják az előnyöket. szerves/polimer anyagok, mint például a szerkezeti sokféleség, a napfény elnyelése és az energiaszint beállítása. Jó komplementer napfényelnyeléssel rendelkező alcellás aktív réteganyagot kapunk, így nagyobb fotovoltaikus hatásfok érhető el.
A fenti elképzelések alapján a csapat által tervezett és szintetizált oligomer kismolekulák sorozatával 12,7%-os szerves rétegelt napelemet állítottak elő, felfrissítve a szerves napelem mező akkori hatékonyságát, a kutatási eredményeket a terepen publikálták. a "Nature Photonics" című folyóiratban, és a tanulmányt a "Kínai optika 2017-ben elért tíz legjobbja" kategóriába választották.
Mennyi hely a szerves napelemek fotoelektromos átalakítási hatékonyságának javítására? Chen Yongsheng és csapata szisztematikusan elemezték a szerves napenergia területén felhasznált anyagokra és eszközökre vonatkozó irodalmak és kísérleti adatok ezreit, és saját kutatási felhalmozódásukkal és kísérleti eredményeikkel kombinálva megjósolták a szerves napelemek tényleges maximális fotoelektromos konverziós hatékonyságát, beleértve a több elemet is. rétegeszközök, valamint az ideális aktív réteg anyagok paraméterkövetelményei. E modell alapján választották ki az elülső cella és a hátsó cella aktív réteganyagait, amelyek jól komplementer abszorpciós képességgel rendelkeznek a látható és közeli infravörös tartományban, és igazolt, 17,3%-os fotoelektromos konverziós hatásfokot kaptak, ami a világ legmagasabb fotoelektromos konverziója. a szerves/polimer napelemek jelenlegi szakirodalmában közölt hatékonyság, új magasságba emelve a szerves napelemek kutatását.
„A 2016-os 4,36 milliárd tonna szabványos szénegyenérték kínai energiaigénye szerint, ha a szerves napelemek fotoelektromos konverziós hatékonyságát egy százalékponttal növeljük, akkor a megfelelő energiaigényt a napelemek generálják, ami azt jelenti, hogy a szén-dioxid-kibocsátás évi 160 millió tonnával kell csökkenteni." Chen Yongsheng mondta.
Egyesek szerint a szilícium az információs kor legfontosabb alapanyaga, és ennek jelentősége magától értetődő. Chen Yongsheng véleménye szerint azonban a szilícium anyagoknak is megvannak a maguk hátrányai: "Nem beszélve a hatalmas energia- és környezeti költségekről, amelyeket a szilícium anyagoknak kell fizetniük az előkészítési folyamat során, kemény és rideg jellemzői miatt nehéz megfelelni a jövő emberisége rugalmas követelményeinek. "hordható" eszközök." Ezért az új anyagágazat előrelátható fejlesztési irányát a rugalmas szén-anyagokon alapuló, jó hajtogatással rendelkező műszaki termékek jelentik majd."
