“唯【wéi】有解决高效利用太阳能的科学【xué】问题，才是人类永续发展【zhǎn】之路。”南【nán】开大学【xué】化学学院陈永胜教授断言，“太【tài】阳是万物之母，能源之‘源【yuán】’。每时每刻抵【dǐ】达地球的太阳光能【néng】量若【ruò】能【néng】被利用万分【fèn】之二，即可满足目前人类社会的全【quán】部能源【yuán】需求。”也正因为如此，陈永胜教授和他的【de】团【tuán】队【duì】将自己的科研使【shǐ】命浓缩为【wéi】一句【jù】话【huà】——“向太阳要能源”!
1.有机太阳能电池有望商业化应用
在人类【lèi】利用【yòng】太阳能的各项技术【shù】中，太阳【yáng】能电池【chí】，即利用“光生伏打效应”将光能直接转换成电能【néng】的器件，是当前已获得广【guǎng】泛【fàn】应用，同时也是【shì】最【zuì】具发展前景的技术之【zhī】一。
长期【qī】以来，人们更多【duō】地【dì】以晶硅等无机材【cái】料为基础制备太阳能电池。但是这【zhè】种电池生【shēng】产存在工艺复杂、成【chéng】本高、能耗大、污染重等弊端。能【néng】否找到一种成【chéng】本低、效率高、柔性【xìng】强、环【huán】境【jìng】友好的【de】新型有机材料【liào】研制【zhì】出新型【xíng】太阳【yáng】能电池，眼下正成为世界各国【guó】科【kē】学家【jiā】孜【zī】孜以求的目标。
“以地球上最丰富的【de】碳材料为基本原料，通过技术【shù】手段获得高效低成本的【de】绿色能源，对于解决【jué】目【mù】前人【rén】类面【miàn】临的重大能源问【wèn】题具有极其重大【dà】的意义。”陈永胜介绍【shào】，从20世纪70年代起步的【de】有机电子学及有机(高【gāo】分子)功能【néng】材料的研究，为这一目标【biāo】的【de】实现提供【gòng】了【le】机遇。
与以硅为代表的无机半导体材料【liào】相比，有机半导【dǎo】体具有成本低、材料多样性【xìng】、功【gōng】能【néng】可调、可柔【róu】性【xìng】印刷【shuā】制备等诸多优点。目前，基于有机发光二极管(OLED)的显示屏已经实现了商业化生【shēng】产，并在手【shǒu】机和【hé】电【diàn】视显示屏【píng】中获【huò】得广泛应【yīng】用【yòng】。
而基【jī】于【yú】有机高分【fèn】子材料作为光敏活性【xìng】层的有【yǒu】机太【tài】阳能电池，具有材【cái】料结构多样性、可大面积低成本【běn】印刷制备、柔性、半【bàn】透明甚至全透【tòu】明等优【yōu】点，具有无机太阳能电池技术【shù】所不【bú】具备的许多【duō】优【yōu】良特【tè】性。除了作为正常【cháng】的【de】发【fā】电装置外，在其他领域如节能建筑一体化、可【kě】穿戴设备等方面亦具有巨大的【de】应用潜力，引起【qǐ】了学术界和工业【yè】界的【de】极大兴【xìng】趣【qù】。
“特别是近年来【lái】，有机太阳能电池的研究获得【dé】了突飞猛进的发【fā】展，光电转化效【xiào】率【lǜ】不断刷新。目【mù】前科学【xué】界普【pǔ】遍【biàn】认为有机太阳能【néng】电池已经到了商【shāng】业化的‘黎明前夕’。”陈永胜说【shuō】。
2.突破瓶颈：努力提高光电转化效率
制约有【yǒu】机【jī】太【tài】阳能电池发展【zhǎn】的瓶【píng】颈在于光电转化效率偏低【dī】。提高光电【diàn】转化效率是有机【jī】太阳【yáng】能电池研究的首要目标，也是其实【shí】现产业化的【de】关【guān】键。因此【cǐ】，制备出高效率、低成本以及重现【xiàn】性良好的可【kě】溶液【yè】加工活性【xìng】材料，则【zé】是【shì】提高光电转化效率的基础。
陈永胜介【jiè】绍，早期的【de】有机太阳能电【diàn】池的研【yán】究主要集【jí】中在聚合物的给体材【cái】料【liào】的设【shè】计合成，活性层是基于富【fù】勒烯衍生物受体的本【běn】体异质结构【gòu】。随着相关【guān】研【yán】究的不断推【tuī】进，以【yǐ】及器件工艺对【duì】材料的更高要求，具有【yǒu】确定化学结【jié】构的可溶液处理寡聚小【xiǎo】分【fèn】子材料开始引起人们的强烈关注。
“这【zhè】类材料【liào】具有结【jié】构【gòu】单一【yī】、易提纯、光【guāng】伏器件【jiàn】结果重现性好等优点。”陈永胜说【shuō】，早期，大【dà】多数小分【fèn】子溶【róng】液处理成膜性不好，因此主要采用蒸镀的方法制备器件，使【shǐ】其应用前景受【shòu】到很大限【xiàn】制。如何设计合成【chéng】性能良【liáng】好并具有确定分子结构的【de】光【guāng】伏活性层材料【liào】，是科学【xué】家们公认的关键【jiàn】难题。
凭借对该研究【jiū】领域敏锐的洞察力和审慎分析，陈【chén】永胜【shèng】果断选择了当时具【jù】有重大风【fēng】险【xiǎn】和挑战的新型可溶液【yè】加工【gōng】处理的有机小分【fèn】子【zǐ】和寡聚【jù】物活性材【cái】料作为太阳能发电研究的突破点。从【cóng】分【fèn】子材料设计，到【dào】光伏【fú】器件的制备优化【huà】，陈永【yǒng】胜带领科研【yán】团【tuán】队夜以继日展【zhǎn】开【kāi】科【kē】研攻关，经过10年的不懈【xiè】努力，终于建构【gòu】出【chū】具【jù】有鲜明特色的寡聚小分子有机太阳能材料体系。
从效率5%到超过10%，再到17.3%，他们在【zài】不断刷新有【yǒu】机太阳能电池领域光电转【zhuǎn】化效率的世界纪录【lù】。他们【men】提出【chū】的设计理【lǐ】念和方法【fǎ】被【bèi】科学【xué】界广泛应用【yòng】。十几年来，他们在国际著【zhe】名杂志发表了【le】近300篇【piān】学术【shù】论文，申请获得50多【duō】项发明专利。
3.转化效率一小步，能源界一大步
陈永胜一直在思考：有【yǒu】机太阳能电【diàn】池到【dào】底能达到多高的【de】效【xiào】率【lǜ】，能否最终媲美硅基【jī】太阳能电【diàn】池?有机太阳【yáng】能电池产业化应用的“痛点”在哪【nǎ】里，如何【hé】去【qù】破解?
在过去几年中，虽【suī】然【rán】有机太阳【yáng】能电池技术发展迅速，光【guāng】电转【zhuǎn】化效率已突【tū】破14%，但是【shì】与无机和钙钛矿等材料【liào】制备的【de】太【tài】阳能电池相比，效率仍然偏低【dī】。虽然光伏【fú】技术应用要考【kǎo】虑效率、成【chéng】本和寿命等多项指标，但效率始终是第一【yī】位的。如何【hé】发挥有机材料的优势，通【tōng】过【guò】优化材料设计和【hé】改进电池结构【gòu】及制备工艺，从【cóng】而获【huò】得更高的光电转化效率?
从2015年开始，陈【chén】永胜【shèng】团队开始进行有【yǒu】机叠层太阳能电池方面研【yán】究【jiū】。他认为【wéi】，要【yào】达到甚至超过以无【wú】机【jī】材料为基础的太阳能电【diàn】池技术性能的目标【biāo】，设计叠层太阳能电池是一个极【jí】具潜力的方【fāng】案——有【yǒu】机叠层【céng】太阳能电【diàn】池可以充分利【lì】用和发挥有【yǒu】机/高分子材【cái】料具【jù】有的结构多样性、太【tài】阳【yáng】光【guāng】吸收和【hé】能级可调【diào】节等优点，获得【dé】具【jù】有良好太阳光吸收【shōu】互补【bǔ】的【de】子电【diàn】池活性层材料，从而实现更高的光伏效率。
基于【yú】上述思路，他们利用团队【duì】设计【jì】合成【chéng】的系列寡【guǎ】聚小分子制备【bèi】获得【dé】12.7%的有机叠层太阳能电池【chí】，刷新了当【dāng】时有机太阳能【néng】电池领【lǐng】域的效【xiào】率，研究【jiū】结果发【fā】表【biǎo】在领域顶级期刊《自然【rán】*光子学》，该项研究【jiū】入选“2017年中【zhōng】国光学十大进展”。
有机【jī】太阳【yáng】能电池的光【guāng】电转化效率究竟有多【duō】少提升空间?陈永胜和他的团队【duì】系统梳理分析了目前有机太阳【yáng】能领域【yù】材【cái】料和器件【jiàn】方【fāng】面数以千【qiān】计的文献和【hé】实验数据，结合【hé】自身【shēn】的研【yán】究积【jī】累【lèi】和实验结果，预测出有机【jī】太阳能电【diàn】池包括多层【céng】器【qì】件实际可达到的最高光电【diàn】转化效率，以及对理想活性层材【cái】料的【de】参数要求。基于此模型，他【tā】们选用【yòng】在可见和近红外区域【yù】具有良好互补【bǔ】吸【xī】收能力的前电池和后电池的活性层材【cái】料，获得【dé】了验证效率为17.3%的光电【diàn】转【zhuǎn】化效【xiào】率，这【zhè】是目前【qián】文献报【bào】道的【de】有机/高分子太阳能电池光【guāng】电转化效率【lǜ】的世界最高纪【jì】录，把有机太阳【yáng】能电池的研究【jiū】推向了一个新的高度。
“按照【zhào】我国【guó】2016年43.6亿吨标准煤当量的能源需求【qiú】计算【suàn】，如【rú】果有机太阳能电池光电转化效【xiào】率【lǜ】提【tí】高一【yī】个【gè】百分点，相【xiàng】应的能源需【xū】求由太阳能电池来产生，就意味着每年【nián】可减少二氧化碳【tàn】排放约【yuē】1.6亿吨。”陈【chén】永胜说。
有人说【shuō】，硅是信息【xī】时代最重要的基础性材料，其重要性不言而喻。但在陈【chén】永胜【shèng】看【kàn】来【lái】，硅材料也有其缺点：“且不说【shuō】硅材料在制备过程中需要付出巨大的【de】能【néng】源【yuán】和【hé】环境【jìng】代价，它的硬、脆特【tè】性也难以满足未来人类对于【yú】‘可【kě】穿戴’器件的柔性要求。因此，以具有良好的【de】可折叠的柔性碳材料【liào】为【wéi】基础的技术产品【pǐn】将是新材【cái】料【liào】学科可预见的发展【zhǎn】方【fāng】向。”
