Od využívania prastarého prírodného ohňa, cez vŕtanie dreva na oheň až po používanie uhlia a ropy, rozvoj ľudskej civilizácie je v podstate rozvoj schopnosti využitia energie. Ľudská civilizácia a ekonomický rozvoj sú zatiaľ z veľkej časti založené na rozvoji a využívaní fosílnej energie. V 21. storočí, kvôli obavám z neobnoviteľných zásob fosílnej energie na Zemi, ako aj čoraz vážnejšieho znečistenia životného prostredia pochádzajúceho z využívania a využívania fosílnej energie, budú ľudia skúmať oblasť zelenej udržateľnej energie, ako napr. slnečná energia, veterná energia, vodná energia...
"Len vyriešenie vedeckého problému efektívneho využívania slnečnej energie je cestou k trvalo udržateľnému rozvoju ľudstva." Profesor Chen Yongsheng, School of Chemistry, Nankai University, tvrdil: "Slnko je matkou všetkých vecí a "zdrojom" energie. Ak by sa slnečná energia, ktorá kedykoľvek dostane na Zem, mohla využiť dve časti na 10 000, Vďaka tomu profesor Chen Yongsheng a jeho tím zhrnuli svoju vedeckovýskumnú misiu do jednej vety – „na slnko pre energiu“!
1. Očakáva sa komercializácia organických solárnych článkov
V ľudskom využívaní technológií solárnej energie sú v súčasnosti veľmi využívané solárne články, teda využitie „fotovoltaického efektu“ na priamu premenu svetelnej energie na elektrické energetické zariadenia, no zároveň jedna z najperspektívnejších technológií.
Pri príprave solárnych článkov ľudia dlho vychádzali skôr z anorganických materiálov, ako je kryštalický kremík. Avšak výroba tohto druhu batérie má nevýhody, ako je komplikovaný proces, vysoké náklady, vysoká spotreba energie a silné znečistenie. Či nájsť nový organický materiál s nízkymi nákladmi, vysokou účinnosťou, silnou flexibilitou a šetrnosťou k životnému prostrediu na vývoj nového typu solárneho článku sa teraz stáva cieľom vedcov na celom svete.
"Používanie najhojnejšieho uhlíkového materiálu na Zemi ako základnej suroviny, získavanie efektívnej a lacnej zelenej energie technickými prostriedkami má veľký význam pre riešenie hlavných energetických problémov, ktorým ľudstvo v súčasnosti čelí." Chen Yongsheng uviedol, že výskum organickej elektroniky a organických (polymérových) funkčných materiálov, ktorý sa začal v 70. rokoch 20. storočia, poskytol príležitosti na realizáciu tohto cieľa.
V porovnaní s anorganickými polovodičovými materiálmi reprezentovanými kremíkom má organický polovodič mnoho výhod, ako je nízka cena, rôznorodosť materiálov, nastaviteľná funkcia a flexibilná tlač. V súčasnosti sa komerčne vyrábajú displeje založené na organických diódach vyžarujúcich svetlo (OLeds) a sú široko používané v displejoch mobilných telefónov a TV.
Organický solárny článok založený na organickom polymérnom materiáli ako fotosenzitívna aktívna vrstva má výhody rozmanitosti materiálovej štruktúry, veľkoplošnej nízkonákladovej tlačovej prípravy, flexibility, priesvitnosti a dokonca úplnej priehľadnosti a má mnoho vynikajúcich vlastností, ktoré technológia anorganických solárnych článkov nemá. mať. Okrem toho, že ide o bežné zariadenie na výrobu energie, má tiež veľký aplikačný potenciál v iných oblastiach, ako je napríklad energeticky úsporná integrácia budov a nositeľné zariadenia, čo vzbudilo veľký záujem v akademickej obci a priemysle.
"Najmä v posledných rokoch dosiahol výskum organických solárnych článkov rýchly rozvoj a účinnosť fotoelektrickej konverzie sa neustále obnovuje." V súčasnosti sa vedecká komunita vo všeobecnosti domnieva, že organické solárne články dosiahli „úsvit“ komercializácie,“ povedal Chen Yongsheng.
2. Prelomte úzke miesto: snažte sa zlepšiť účinnosť fotoelektrickej konverzie
Prekážkou obmedzujúcou vývoj organických solárnych článkov je nízka účinnosť fotoelektrickej konverzie. Zlepšenie účinnosti fotoelektrickej konverzie je primárnym cieľom výskumu organických solárnych článkov a kľúčom k ich industrializácii. Preto príprava aktívnych materiálov spracovateľných v roztoku s vysokou účinnosťou, nízkou cenou a dobrou reprodukovateľnosťou je základom pre zlepšenie účinnosti fotoelektrickej konverzie.
Chen Yongsheng predstavil, že skorý výskum organických solárnych článkov sa zameral hlavne na dizajn a syntézu polymérnych donorových materiálov a aktívna vrstva bola založená na hromadnej heteroštruktúre receptorov derivátov fullerénu. S neustálym pokrokom súvisiaceho výskumu a vyššími požiadavkami na materiály v technológii zariadení priťahujú rozpustné oligomolekulové materiály s určiteľnou chemickou štruktúrou intenzívnu pozornosť.
"Tieto materiály majú výhody jednoduchej štruktúry, ľahkého čistenia a dobrej reprodukovateľnosti výsledkov fotovoltaických zariadení." Chen Yongsheng povedal, že v počiatočnom štádiu väčšina roztokov s malými molekulami nebola dobrá pri vytváraní filmov, takže odparovanie sa používalo hlavne na prípravu zariadení, čo značne obmedzovalo ich aplikačné vyhliadky. Ako navrhnúť a syntetizovať materiály fotovoltaickej aktívnej vrstvy s dobrým výkonom a určenou molekulárnou štruktúrou je kľúčovým problémom, ktorý vedci uznávajú.
Chen Yongsheng vďaka svojmu horlivému prehľadu a dôkladnej analýze oblasti výskumu rozhodne vybral nové organické malé molekuly a oligomérne aktívne materiály, ktoré bolo možné spracovať pomocou roztoku, ktorý mal v tom čase veľké riziká a výzvy, ako prelomový bod výroby solárnej energie. výskumu. Od návrhu molekulárnych materiálov až po optimalizáciu prípravy fotovoltaických zariadení viedol Chen Yongsheng vedecký výskumný tím k vedeckému výskumu vo dne iv noci a po 10 rokoch neutíchajúceho úsilia nakoniec skonštruoval jedinečný oligomérny organický solárny materiál s malou molekulou. systém.
Z účinnosti 5 % na viac ako 10 % a následne na 17,3 % naďalej prekonávajú svetový rekord v oblasti účinnosti fotovoltaickej premeny organických solárnych článkov. Ich dizajnové koncepty a metódy boli široko používané vedeckou komunitou. Za posledné desaťročie publikovali takmer 300 akademických prác v medzinárodne uznávaných časopisoch a požiadali o viac ako 50 patentov na vynálezy.
3. Jeden malý krok pre efektivitu, jeden obrovský skok pre energiu
Chen Yongsheng premýšľal o tom, akú vysokú účinnosť možno dosiahnuť pomocou organických solárnych článkov a či môžu konečne konkurovať solárnym článkom na báze kremíka? Kde je „bod bolesti“ priemyselnej aplikácie organických solárnych článkov a ako ho rozbiť?
V posledných rokoch, hoci sa technológia organických solárnych článkov rýchlo rozvíjala, účinnosť fotoelektrickej konverzie presiahla 14 %, ale v porovnaní s anorganickými a perovskitovými materiálmi vyrobenými zo solárnych článkov je účinnosť stále nízka. Hoci pri aplikácii fotovoltaickej technológie by sa malo brať do úvahy množstvo ukazovateľov, ako je účinnosť, náklady a životnosť, účinnosť je vždy na prvom mieste. Ako využiť výhody organických materiálov, optimalizovať materiálový dizajn a zlepšiť štruktúru batérie a proces prípravy, aby sa dosiahla vyššia účinnosť fotoelektrickej konverzie?
Od roku 2015 tím Chen Yongsheng začal vykonávať výskum organických laminovaných solárnych článkov. Domnieva sa, že na dosiahnutie alebo dokonca prekročenie cieľa technického výkonu solárnych článkov na báze anorganických materiálov je dizajn laminovaných solárnych článkov veľmi potenciálnym riešením - organické laminované solárne články dokážu naplno využiť a využiť výhody organických/polymérnych materiálov, ako je štrukturálna diverzita, absorpcia slnečného žiarenia a úprava úrovne energie. Získa sa podbunkový materiál aktívnej vrstvy s dobrou doplnkovou absorpciou slnečného žiarenia, čím sa dosiahne vyššia fotovoltaická účinnosť.
Na základe vyššie uvedených myšlienok použili sériu oligomérnych malých molekúl navrhnutých a syntetizovaných tímom na prípravu 12,7% organických laminovaných solárnych článkov, čím sa obnovila účinnosť poľa organických solárnych článkov v tom čase, výsledky výskumu boli publikované v tejto oblasti z najlepšieho časopisu "Nature Photonics" a štúdia bola vybraná ako "Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017".
Aký priestor na zlepšenie účinnosti fotoelektrickej premeny organických solárnych článkov? Chen Yongsheng a jeho tím systematicky analyzovali tisíce literatúry a experimentálnych údajov o materiáloch a zariadeniach v oblasti organickej slnečnej energie a v kombinácii s akumuláciou vlastného výskumu a experimentálnymi výsledkami predpovedali skutočnú maximálnu účinnosť fotoelektrickej konverzie organických solárnych článkov vrátane multi- vrstvové zariadenia, ako aj požiadavky na parametre pre ideálne materiály aktívnej vrstvy. Na základe tohto modelu vybrali materiály aktívnej vrstvy predného článku a zadného článku s dobrou komplementárnou absorpčnou kapacitou vo viditeľnej a blízkej infračervenej oblasti a získali overenú účinnosť fotoelektrickej konverzie 17,3 %, čo je najvyššia fotoelektrická konverzia na svete. účinnosť uvádzaná v súčasnej literatúre organických/polymérových solárnych článkov, čo posúva výskum organických solárnych článkov do novej výšky.
„Podľa dopytu Číny po energii 4,36 miliardy ton štandardného ekvivalentu uhlia v roku 2016, ak sa účinnosť fotoelektrickej konverzie organických solárnych článkov zvýši o jeden percentuálny bod, zodpovedajúcu spotrebu energie generujú solárne články, čo znamená, že emisie oxidu uhličitého môžu sa zníži o približne 160 miliónov ton ročne. Povedal Chen Yongsheng.
Niektorí ľudia hovoria, že kremík je najdôležitejším základným materiálom v informačnom veku a jeho dôležitosť je samozrejmá. Podľa Chen Yongshengovho názoru však majú kremíkové materiály aj svoje nevýhody: „Nehovoriac o obrovských nákladoch na energiu a životné prostredie, ktoré musia kremíkové materiály zaplatiť v procese prípravy, ich tvrdé a krehké vlastnosti je ťažké splniť flexibilné požiadavky budúcich ľudí. „nositeľné“ zariadenia“. Technické produkty založené na flexibilných uhlíkových materiáloch s dobrým skladaním budú preto predvídateľným smerom vývoja novej disciplíny materiálov.“
