Od upotrebe drevne prirodne vatre, do upotrebe drva za bušenje za vatru, do upotrebe ugljena i nafte, razvoj ljudske civilizacije u biti je razvoj sposobnosti iskorištavanja energije. Dosadašnja ljudska civilizacija i gospodarski razvoj uvelike se temelje na razvoju i korištenju fosilne energije. U 21. stoljeću, zbog zabrinutosti za neobnovljive rezerve fosilne energije na zemlji, kao i zbog sve većeg zagađenja okoliša koje proizlazi iz iskorištavanja i korištenja fosilne energije, ljudi će istraživati zeleno održivo energetsko polje, kao što su solarna energija, energija vjetra, energija vode...
„Samo rješavanje znanstvenog problema učinkovitog korištenja sunčeve energije put je održivog razvoja čovječanstva.“ Profesor Chen Yongsheng, Fakultet kemije, Sveučilište Nankai, ustvrdio je: "Sunce je majka svih stvari i 'izvor' energije. Kad bi se sunčeva energija koja dospije do Zemlje u bilo kojem trenutku mogla iskoristiti na dva dijela na 10 000, cjelokupna potreba ljudskog društva za energijom mogla bi se zadovoljiti. Zbog toga su profesor Chen Yongsheng i njegov tim saželi svoju misiju znanstvenog istraživanja u jednu rečenicu - "na. sunce za energiju"!
1. Očekuje se komercijalizacija organskih solarnih ćelija
U ljudskom korištenju solarnih energetskih tehnologija, solarne ćelije, odnosno korištenje "fotonaponskog efekta" za izravnu pretvorbu svjetlosne energije u električne uređaje, trenutno je široko korištena, ali i jedna od najperspektivnijih tehnologija.
Dugo su se ljudi za pripremu solarnih ćelija više temeljili na anorganskim materijalima kao što je kristalni silicij. Međutim, proizvodnja ove vrste baterija ima nedostatke kao što su kompliciran proces, visoka cijena, velika potrošnja energije i veliko zagađenje. Hoće li pronaći novi organski materijal s niskom cijenom, visokom učinkovitošću, jakom fleksibilnošću i prihvatljivošću za okoliš za razvoj nove vrste solarne ćelije sada postaje cilj znanstvenika diljem svijeta.
"Upotrebom najzastupljenijeg ugljičnog materijala na zemlji kao osnovne sirovine, dobivanje učinkovite i jeftine zelene energije tehničkim sredstvima od velike je važnosti za rješavanje velikih energetskih problema s kojima se čovječanstvo trenutačno suočava." Chen Yongsheng je istaknuo da su istraživanja organske elektronike i organskih (polimernih) funkcionalnih materijala, koja su započela 70-ih godina prošlog stoljeća, pružila mogućnosti za realizaciju ovog cilja.
U usporedbi s anorganskim poluvodičkim materijalima koje predstavlja silicij, organski poluvodič ima mnoge prednosti poput niske cijene, raznolikosti materijala, prilagodljive funkcije i fleksibilnog ispisa. Trenutačno se komercijalno proizvode zasloni koji se temelje na organskim diodama koje emitiraju svjetlo (OLeds) i naširoko se koriste u zaslonima mobilnih telefona i TV-a.
Organska solarna ćelija temeljena na organskom polimernom materijalu kao fotoosjetljivom aktivnom sloju ima prednosti raznolikosti strukture materijala, velike površine, jeftine pripreme za tisak, fleksibilnosti, prozirnosti, pa čak i pune prozirnosti, te ima mnoge izvrsne karakteristike koje tehnologija anorganskih solarnih ćelija nema imati. Osim što je uobičajeni uređaj za proizvodnju električne energije, također ima veliki potencijal primjene u drugim poljima kao što su integracija zgrada koje štede energiju i nosivi uređaji, što je izazvalo veliki interes u akademskoj zajednici i industriji.
"Posebno posljednjih godina, istraživanje organskih solarnih ćelija postiglo je brz razvoj, a učinkovitost fotoelektrične pretvorbe stalno se osvježava." Trenutačno znanstvena zajednica općenito vjeruje da su organske solarne ćelije dosegle 'zoru' komercijalizacije", rekao je Chen Yongsheng.
2. Probijte se kroz usko grlo: nastojte poboljšati učinkovitost fotoelektrične pretvorbe
Usko grlo koje ograničava razvoj organskih solarnih ćelija je niska učinkovitost fotoelektrične pretvorbe. Poboljšanje učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe primarni je cilj istraživanja organskih solarnih ćelija i ključ njihove industrijalizacije. Stoga je priprema aktivnih materijala koji se mogu obraditi u otopini visoke učinkovitosti, niske cijene i dobre ponovljivosti osnova za poboljšanje učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe.
Chen Yongsheng je predstavio da su se rana istraživanja organskih solarnih ćelija uglavnom fokusirala na dizajn i sintezu polimernih donorskih materijala, a aktivni sloj se temeljio na masovnoj heterostrukturi receptora derivata fulerena. Sa stalnim napretkom povezanih istraživanja i višim zahtjevima materijala u tehnologiji uređaja, topljivi oligomolekularni materijali s odredivom kemijskom strukturom privukli su intenzivnu pozornost.
"Ovi materijali imaju prednosti jednostavne strukture, lakog pročišćavanja i dobre ponovljivosti rezultata fotonaponskih uređaja." Chen Yongsheng je rekao da u ranoj fazi većina otopina malih molekula nije bila dobra za stvaranje filmova, pa se isparavanje uglavnom koristilo za pripremu uređaja, što je uvelike ograničavalo njihove izglede za primjenu. Kako dizajnirati i sintetizirati fotonaponske materijale aktivnog sloja s dobrim performansama i određenom molekularnom strukturom ključni je problem koji prepoznaju znanstvenici.
Svojim oštrim uvidom i pažljivom analizom područja istraživanja, Chen Yongsheng je odlučno odabrao nove organske male molekule i oligomere aktivne materijale koji se mogu obraditi otopinom, što je u to vrijeme predstavljalo velike rizike i izazove, kao prijelomnu točku u proizvodnji solarne energije. istraživanje. Od dizajna molekularnih materijala do optimizacije pripreme fotonaponskih uređaja, Chen Yongsheng vodio je znanstveni istraživački tim da provodi znanstvena istraživanja danonoćno, i nakon 10 godina neprekidnih napora, konačno je konstruirao jedinstveni oligomerni organski solarni materijal malih molekula sustav.
Od učinkovitosti od 5% do više od 10%, a potom i do 17,3%, nastavljaju s obaranjem svjetskog rekorda u području učinkovitosti fotonaponske pretvorbe organskih solarnih ćelija. Znanstvena zajednica naširoko je koristila njihove koncepte dizajna i metode. Tijekom proteklog desetljeća objavili su gotovo 300 akademskih radova u međunarodno poznatim časopisima i prijavili više od 50 patenata za izume.
3. Jedan mali korak za učinkovitost, jedan veliki skok za energiju
Chen Yongsheng je razmišljao o tome koliko se može postići visoka učinkovitost organskih solarnih ćelija i mogu li se one konačno natjecati sa solarnim ćelijama na bazi silicija? Gdje je "bolna točka" industrijske primjene organskih solarnih ćelija i kako je razbiti?
U posljednjih nekoliko godina, iako se tehnologija organskih solarnih ćelija brzo razvila, učinkovitost fotoelektrične pretvorbe premašila je 14%, ali u usporedbi s anorganskim i perovskitnim materijalima izrađenim od solarnih ćelija, učinkovitost je još uvijek niska. Iako pri primjeni fotonaponske tehnologije treba uzeti u obzir niz pokazatelja poput učinkovitosti, cijene i životnog vijeka, učinkovitost je uvijek na prvom mjestu. Kako iskoristiti prednosti organskih materijala, optimizirati dizajn materijala i poboljšati strukturu baterije i proces pripreme, kako bi se postigla veća učinkovitost fotoelektrične pretvorbe?
Od 2015. tim Chena Yongshenga počeo je provoditi istraživanje organskih laminiranih solarnih ćelija. On vjeruje da je dizajn laminiranih solarnih ćelija vrlo potencijalno rješenje za dostizanje ili čak premašivanje cilja tehničke izvedbe solarnih ćelija temeljenih na anorganskim materijalima - organske laminirane solarne ćelije mogu u potpunosti iskoristiti i iskoristiti prednosti organskih/polimernih materijala, kao što je strukturna raznolikost, apsorpcija sunčeve svjetlosti i prilagodba razine energije. Dobiva se subćelijski aktivni sloj materijala s dobrom komplementarnom apsorpcijom sunčeve svjetlosti, čime se postiže veća fotonaponska učinkovitost.
Na temelju gornjih ideja, upotrijebili su niz oligomernih malih molekula koje je dizajnirao i sintetizirao tim za pripremu 12,7% organskih laminiranih solarnih ćelija, osvježavajući učinkovitost polja organskih solarnih ćelija u to vrijeme, rezultati istraživanja objavljeni su na terenu vrhunskog časopisa "Nature Photonics", a studija je odabrana kao "Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017".
Koliko prostora za poboljšanje učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe organskih solarnih ćelija? Chen Yongsheng i njegov tim sustavno su analizirali tisuće literature i eksperimentalnih podataka o materijalima i uređajima u području organske solarne energije, te u kombinaciji s vlastitim istraživanjem i eksperimentalnim rezultatima, predvidjeli stvarnu maksimalnu fotoelektričnu učinkovitost pretvorbe organskih solarnih ćelija uključujući multi- slojnih uređaja, kao i zahtjeve parametara za idealne materijale aktivnog sloja. Na temelju ovog modela odabrali su materijale aktivnog sloja prednje ćelije i stražnje ćelije s dobrim komplementarnim kapacitetom apsorpcije u vidljivom i bliskom infracrvenom području i dobili potvrđenu učinkovitost fotoelektrične pretvorbe od 17,3%, što je najveća svjetska fotoelektrična pretvorba učinkovitost opisana u trenutnoj literaturi o organskim/polimernim solarnim ćelijama, gurajući istraživanje organskih solarnih ćelija na novu visinu.
„Prema kineskoj energetskoj potražnji od 4,36 milijardi tona standardnog ekvivalenta ugljena u 2016., ako se učinkovitost fotoelektrične pretvorbe organskih solarnih ćelija poveća za jedan postotni bod, odgovarajuću energetsku potražnju generiraju solarne ćelije, što znači da emisije ugljičnog dioksida mogu smanjiti za oko 160 milijuna tona godišnje." rekao je Chen Yongsheng.
Neki ljudi kažu da je silicij najvažniji osnovni materijal u informacijskom dobu, a njegova važnost je očigledna. Međutim, prema mišljenju Chen Yongsheng-a, silikonski materijali također imaju svoje nedostatke: "Da ne spominjemo ogromne troškove energije i okoliša koje silikonski materijali moraju platiti u procesu pripreme, njegove tvrde i lomljive karakteristike teško je zadovoljiti fleksibilne zahtjeve budućeg čovjeka 'nosivih' uređaja." Stoga će tehnički proizvodi temeljeni na fleksibilnim karbonskim materijalima s dobrim savijanjem biti predvidljivi smjer razvoja discipline novih materijala."
