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有机太阳能电池:绿色能源未来的新选择(5)

中国低碳经济网来源:光明日报发表时间:2019-01-03 10:07责任编辑:刘伟

  与以硅为代表的无机半导体材料相比,有机半导体具有成本低、材料多样性、功能可调、可柔性印刷制备等诸多优点。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产,并在手机和电视显示屏中获得广泛应用。

  而基于有机高分子材料作为光敏活性层的有机太阳能电池,具有材料结构多样性、可大面积低成本印刷制备、柔性、半透明甚至全透明等优点,具有无机太阳能电池技术所不具备的许多优良特性。除了作为正常的发电装置外,在其他领域如节能建筑一体化、可穿戴设备等方面亦具有巨大的应用潜力,引起了学术界和工业界的极大兴趣。

  “特别是近年来,有机太阳能电池的研究获得了突飞猛进的发展,光电转化效率不断刷新。目前科学界普遍认为有机太阳能电池已经到了商业化的‘黎明前夕’。”陈永胜说。 2.突破瓶颈:努力提高光电转化效率

  制约有机太阳能电池发展的瓶颈在于光电转化效率偏低。提高光电转化效率是有机太阳能电池研究的首要目标,也是其实现产业化的关键。因此,制备出高效率、低成本以及重现性良好的可溶液加工活性材料,则是提高光电转化效率的基础。

  陈永胜介绍,早期的有机太阳能电池的研究主要集中在聚合物的给体材料的设计合成,活性层是基于富勒烯衍生物受体的本体异质结构。随着相关研究的不断推进,以及器件工艺对材料的更高要求,具有确定化学结构的可溶液处理寡聚小分子材料开始引起人们的强烈关注。

  “这类材料具有结构单一、易提纯、光伏器件结果重现性好等优点。”陈永胜说,早期,大多数小分子溶液处理成膜性不好,因此主要采用蒸镀的方法制备器件,使其应用前景受到很大限制。如何设计合成性能良好并具有确定分子结构的光伏活性层材料,是科学家们公认的关键难题。

  凭借对该研究领域敏锐的洞察力和审慎分析,陈永胜果断选择了当时具有重大风险和挑战的新型可溶液加工处理的有机小分子和寡聚物活性材料作为太阳能发电研究的突破点。从分子材料设计,到光伏器件的制备优化,陈永胜带领科研团队夜以继日展开科研攻关,经过10年的不懈努力,终于建构出具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%,他们在不断刷新有机太阳能电池领域光电转化效率的世界纪录。他们提出的设计理念和方法被科学界广泛应用。十几年来,他们在国际著名杂志发表了近300篇学术论文,申请获得50多项发明专利。 3.转化效率一小步,能源界一大步

  陈永胜一直在思考:有机太阳能电池到底能达到多高的效率,能否最终媲美硅基太阳能电池?有机太阳能电池产业化应用的“痛点”在哪里,如何去破解?

  在过去几年中,虽然有机太阳能电池技术发展迅速,光电转化效率已突破14%,但是与无机和钙钛矿等材料制备的太阳能电池相比,效率仍然偏低。虽然光伏技术应用要考虑效率、成本和寿命等多项指标,但效率始终是第一位的。如何发挥有机材料的优势,通过优化材料设计和改进电池结构及制备工艺,从而获得更高的光电转化效率?

  从2015年开始,陈永胜团队开始进行有机叠层太阳能电池方面研究。他认为,要达到甚至超过以无机材料为基础的太阳能电池技术性能的目标,设计叠层太阳能电池是一个极具潜力的方案——有机叠层太阳能电池可以充分利用和发挥有机/高分子材料具有的结构多样性、太阳光吸收和能级可调节等优点,获得具有良好太阳光吸收互补的子电池活性层材料,从而实现更高的光伏效率。

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