De la utilizarea focului natural străvechi, la utilizarea lemnului de foraj pentru foc, la utilizarea cărbunelui și petrolului, dezvoltarea civilizației umane este în esență dezvoltarea capacității de utilizare a energiei. Până în prezent, civilizația umană și dezvoltarea economică se bazează în mare măsură pe dezvoltarea și utilizarea energiei fosile. În secolul 21, din cauza îngrijorării cu privire la rezervele de energie fosilă neregenerabile de pe pământ, precum și a poluării din ce în ce mai severă a mediului derivată din exploatarea și utilizarea energiei fosile, oamenii vor explora domeniul energiei ecologice durabile, cum ar fi energia solara, energia eoliana, energia apei...
„Numai rezolvarea problemei științifice a utilizării eficiente a energiei solare este calea către dezvoltarea durabilă a omenirii.” Profesorul Chen Yongsheng, Școala de Chimie, Universitatea Nankai, a afirmat: „Soarele este mama tuturor lucrurilor și „sursa” de energie. Dacă energia solară care ajunge pe Pământ în orice moment ar putea fi valorificată în două părți la 10.000, Întreaga cerere de energie a societății umane a putut fi satisfăcută Din acest motiv, profesorul Chen Yongsheng și echipa sa și-au condensat misiunea de cercetare științifică într-o singură propoziție - „la soare pentru energie”!
1. Se preconizează că celulele solare organice vor fi comercializate
În utilizarea de către om a tehnologiilor de energie solară, celulele solare, adică utilizarea „efectului fotovoltaic” pentru a converti direct energia luminoasă în dispozitive de energie electrică, este în prezent utilizată pe scară largă, dar și una dintre cele mai promițătoare tehnologii.
Multă vreme, oamenii s-au bazat mai mult pe materiale anorganice, cum ar fi siliciul cristalin, pentru a pregăti celulele solare. Cu toate acestea, producția acestui tip de baterie are dezavantaje precum proces complicat, cost ridicat, consum mare de energie și poluare puternică. Dacă găsiți un nou material organic cu costuri reduse, eficiență ridicată, flexibilitate puternică și prietenos cu mediul pentru a dezvolta un nou tip de celulă solară devine acum obiectivul oamenilor de știință din întreaga lume.
„Folosirea celui mai abundent material carbon de pe pământ ca materie primă de bază, obținerea de energie verde eficientă și ieftină prin mijloace tehnice este de mare importanță pentru rezolvarea problemelor energetice majore cu care se confruntă omenirea în prezent”. Chen Yongsheng a introdus că cercetarea electronicii organice și a materialelor funcționale organice (polimer), care a început în anii 1970, a oferit oportunități pentru realizarea acestui obiectiv.
Comparativ cu materialele semiconductoare anorganice reprezentate de siliciu, semiconductorul organic are multe avantaje, cum ar fi costul redus, diversitatea materialelor, funcția reglabilă și imprimarea flexibilă. În prezent, afișajele bazate pe diode organice emițătoare de lumină (OLed-uri) au fost produse comercial și sunt utilizate pe scară largă în telefoanele mobile și afișajele TV.
Celula solară organică bazată pe material polimer organic ca strat activ fotosensibil are avantajele diversității structurii materialelor, pregătirea de imprimare cu costuri reduse pe suprafețe mari, flexibilitate, transluciditate și chiar transparență completă și are multe caracteristici excelente pe care tehnologia celulelor solare anorganice nu le are. au. Pe lângă faptul că este un dispozitiv normal de generare a energiei, are și un potențial mare de aplicare în alte domenii, cum ar fi integrarea clădirilor care economisește energie și dispozitivele portabile, ceea ce a trezit un mare interes în mediul academic și în industrie.
„În special în ultimii ani, cercetarea celulelor solare organice a atins o dezvoltare rapidă, iar eficiența conversiei fotoelectrice este reîmprospătată în mod constant.” În prezent, comunitatea științifică crede în general că celulele solare organice au ajuns în „zorii” comercializării”, a spus Chen Yongsheng.
2. Depășește blocajul: depuneți eforturi pentru a îmbunătăți eficiența conversiei fotoelectrice
Blocajul care limitează dezvoltarea celulelor solare organice este că eficiența conversiei fotoelectrice este scăzută. Îmbunătățirea eficienței conversiei fotoelectrice este scopul principal al cercetării celulelor solare organice și cheia industrializării acesteia. Prin urmare, pregătirea materialelor active prelucrabile în soluție cu eficiență ridicată, cost redus și reproductibilitate bună este baza pentru îmbunătățirea eficienței conversiei fotoelectrice.
Chen Yongsheng a introdus că cercetarea timpurie a celulelor solare organice s-a concentrat în principal pe proiectarea și sinteza materialelor donatoare de polimeri, iar stratul activ s-a bazat pe heterostructura în vrac a receptorilor derivați de fuleren. Odată cu progresul continuu al cercetării aferente și cerințele mai mari ale materialelor în tehnologia dispozitivelor, materialele oligomoleculare solubilizabile cu structură chimică determinabilă au atras o atenție intensă.
„Aceste materiale au avantajele structurii simple, purificării ușoare și reproductibilității bune a rezultatelor dispozitivelor fotovoltaice.” Chen Yongsheng a spus că, în stadiul incipient, cele mai multe soluții cu molecule mici nu erau bune la formarea peliculelor, așa că evaporarea a fost folosită în principal pentru a pregăti dispozitive, ceea ce le-a limitat foarte mult perspectivele de aplicare. Modul de proiectare și sinteză a materialelor din stratul activ fotovoltaic cu performanțe bune și structură moleculară determinată este o problemă cheie recunoscută de oamenii de știință.
Cu o perspectivă ascuțită și o analiză atentă a domeniului de cercetare, Chen Yongsheng a selectat în mod decisiv noile molecule organice mici și materiale active din oligomeri care puteau fi procesate cu soluție, care aveau riscuri și provocări majore la acea vreme, ca punct de descoperire al producerii de energie solară. cercetare. De la proiectarea materialelor moleculare până la optimizarea pregătirii dispozitivelor fotovoltaice, Chen Yongsheng a condus echipa de cercetare științifică să efectueze cercetări științifice zi și noapte și, după 10 ani de eforturi neîntrerupte, a construit în cele din urmă un material solar organic cu moleculă mică de oligomer unic. sistem.
De la o eficiență de 5% la mai mult de 10% și apoi la 17,3%, acestea continuă să doboare recordul mondial în domeniul eficienței conversiei fotovoltaice a celulelor solare organice. Conceptele și metodele lor de design au fost utilizate pe scară largă de comunitatea științifică. În ultimul deceniu, au publicat aproape 300 de lucrări academice în reviste de renume internațional și au solicitat peste 50 de brevete de invenție.
3. Un pas mic pentru eficiență, un salt uriaș pentru energie
Chen Yongsheng s-a gândit cât de mare poate fi atinsă eficiența celulelor solare organice și dacă acestea pot concura în sfârșit cu celulele solare pe bază de siliciu? Unde este „punctul dureros” al aplicării industriale a celulelor solare organice și cum să-l spargi?
În ultimii câțiva ani, deși tehnologia celulelor solare organice s-a dezvoltat rapid, eficiența conversiei fotoelectrice a depășit 14%, dar în comparație cu materialele anorganice și perovskite din celule solare, eficiența este încă scăzută. Deși aplicarea tehnologiei fotovoltaice ar trebui să ia în considerare o serie de indicatori precum eficiența, costul și durata de viață, eficiența este întotdeauna primul. Cum să folosiți avantajele materialelor organice, să optimizați designul materialului și să îmbunătățiți structura bateriei și procesul de pregătire, astfel încât să obțineți o eficiență mai mare a conversiei fotoelectrice?
Din 2015, echipa lui Chen Yongsheng a început să efectueze cercetări asupra celulelor solare laminate organice. El consideră că, pentru a atinge sau chiar depăși obiectivul de performanță tehnică a celulelor solare bazate pe materiale anorganice, proiectarea celulelor solare laminate este o soluție foarte potențială - celulele solare laminate organice pot folosi pe deplin și pot juca avantajele. de materiale organice/polimerice, cum ar fi diversitatea structurală, absorbția luminii solare și ajustarea nivelului de energie. Se obține un material de strat activ subcelular cu o bună absorbție complementară a luminii solare, obținându-se astfel o eficiență fotovoltaică mai mare.
Pe baza ideilor de mai sus, au folosit o serie de molecule mici oligomerice concepute și sintetizate de echipă pentru a pregăti 12,7% celule solare laminate organice, reîmprospătând eficiența domeniului celulelor solare organice la acel moment, rezultatele cercetării au fost publicate în domeniu. al revistei de top „Nature Photonics”, iar studiul a fost selectat drept „Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017”.
Cât de mult spațiu pentru a îmbunătăți eficiența conversiei fotoelectrice a celulelor solare organice? Chen Yongsheng și echipa sa au analizat sistematic mii de literaturi și date experimentale privind materialele și dispozitivele din domeniul energiei solare organice și, combinate cu acumularea propriei cercetări și rezultatele experimentale, au prezis eficiența maximă reală de conversie fotoelectrică a celulelor solare organice, inclusiv multi- dispozitive de strat, precum și cerințele parametrilor pentru materialele de strat activ ideale. Pe baza acestui model, au selectat materialele de strat activ ale celulei frontale și celei din spate cu o bună capacitate de absorbție complementară în regiunile vizibile și în infraroșu apropiat și au obținut o eficiență de conversie fotoelectrică verificată de 17,3%, ceea ce reprezintă cea mai mare conversie fotoelectrică din lume. eficiența raportată în literatura actuală a celulelor solare organice/polimer, împingând cercetarea celulelor solare organice la o nouă înălțime.
„Conform cererii de energie a Chinei de 4,36 miliarde de tone de echivalent standard de cărbune în 2016, dacă eficiența conversiei fotoelectrice a celulelor solare organice este crescută cu un punct procentual, cererea de energie corespunzătoare este generată de celulele solare, ceea ce înseamnă că emisiile de dioxid de carbon pot să fie redusă cu aproximativ 160 de milioane de tone pe an”. a spus Chen Yongsheng.
Unii oameni spun că siliciul este cel mai important material de bază în era informației, iar importanța lui este de la sine înțeles. Cu toate acestea, în opinia lui Chen Yongsheng, materialele de siliciu au și dezavantajele lor: „Ca să nu mai vorbim de costurile uriașe de energie și de mediu pe care materialele de siliciu trebuie să le plătească în procesul de preparare, caracteristicile sale dure și fragile sunt dificil de îndeplinit cerințele flexibile ale viitorului uman. dispozitive „purtabile””. Prin urmare, produsele tehnice bazate pe materiale flexibile din carbon cu pliere bună vor fi direcția previzibilă de dezvoltare a disciplinei noi materiale.”
