Van het gebruik van oud natuurlijk vuur, tot het gebruik van het boren van hout voor vuur, tot het gebruik van steenkool en olie: de ontwikkeling van de menselijke beschaving is in wezen de ontwikkeling van het vermogen om energie te gebruiken. Tot nu toe zijn de menselijke beschaving en economische ontwikkeling grotendeels gebaseerd op de ontwikkeling en het gebruik van fossiele energie. In de 21e eeuw zullen mensen, als gevolg van de bezorgdheid over de niet-hernieuwbare fossiele energiereserves op aarde, evenals de steeds ernstiger wordende milieuvervuiling die voortkomt uit de exploitatie en het gebruik van fossiele energie, het groene duurzame energieveld verkennen, zoals zonne-energie, windenergie, waterenergie...
"Alleen het oplossen van het wetenschappelijke probleem van efficiënt gebruik van zonne-energie is de weg naar duurzame ontwikkeling van de mensheid." Professor Chen Yongsheng, School of Chemistry, Nankai University, beweerde: “De zon is de moeder van alle dingen en de ‘bron’ van energie. Als de zonne-energie die op enig moment de aarde bereikt, zou kunnen worden benut tot twee delen per 10.000, Aan de volledige energiebehoefte van de menselijke samenleving kon worden voldaan. Hierdoor konden professor Chen Yongsheng en zijn team hun wetenschappelijke onderzoeksmissie in één zin samenvatten: "naar de zon voor energie"!
1. Er wordt verwacht dat organische zonnecellen op de markt zullen worden gebracht
Bij het menselijk gebruik van zonne-energietechnologieën worden zonnecellen, dat wil zeggen het gebruik van "fotovoltaïsch effect" om lichtenergie direct om te zetten in elektrische energieapparaten, momenteel veel gebruikt, maar ook een van de meest veelbelovende technologieën.
Lange tijd zijn mensen meer gebaseerd op anorganische materialen zoals kristallijn silicium om zonnecellen te vervaardigen. De productie van dit soort batterijen heeft echter nadelen, zoals een ingewikkeld proces, hoge kosten, hoog energieverbruik en zware vervuiling. Of het nu gaat om het vinden van een nieuw organisch materiaal met lage kosten, hoge efficiëntie, sterke flexibiliteit en milieuvriendelijkheid om een nieuw type zonnecel te ontwikkelen, wordt nu het doel van wetenschappers over de hele wereld.
"Het gebruik van het meest voorkomende koolstofmateriaal op aarde als basisgrondstof en het verkrijgen van efficiënte en goedkope groene energie met behulp van technische middelen is van groot belang voor het oplossen van de grote energieproblemen waarmee de mensheid momenteel wordt geconfronteerd." Chen Yongsheng introduceerde dat het onderzoek naar organische elektronica en organische (polymeer) functionele materialen, dat begon in de jaren zeventig, mogelijkheden heeft geboden voor de realisatie van dit doel.
Vergeleken met anorganische halfgeleidermaterialen, vertegenwoordigd door silicium, heeft organische halfgeleider veel voordelen, zoals lage kosten, materiaaldiversiteit, aanpasbare functie en flexibel printen. Momenteel zijn beeldschermen op basis van organische lichtemitterende diodes (OLeds) commercieel geproduceerd en worden ze veel gebruikt in beeldschermen voor mobiele telefoons en tv.
De organische zonnecel op basis van organisch polymeermateriaal als de lichtgevoelige actieve laag heeft de voordelen van diversiteit in de materiaalstructuur, goedkope printvoorbereiding op grote oppervlakken, flexibiliteit, doorschijnend en zelfs volledige transparantie, en heeft vele uitstekende eigenschappen die anorganische zonneceltechnologie niet heeft. hebben. Het is niet alleen een normaal apparaat voor energieopwekking, maar heeft ook een groot toepassingspotentieel op andere gebieden, zoals energiebesparende gebouwintegratie en draagbare apparaten, wat grote belangstelling heeft gewekt in de academische wereld en de industrie.
"Vooral de laatste jaren heeft het onderzoek naar organische zonnecellen een snelle ontwikkeling doorgemaakt en wordt de efficiëntie van de foto-elektrische conversie voortdurend vernieuwd." Op dit moment gelooft de wetenschappelijke gemeenschap over het algemeen dat organische zonnecellen de ‘dageraad’ van commercialisering hebben bereikt”, aldus Chen Yongsheng.
2. Doorbreek het knelpunt: streef ernaar de efficiëntie van foto-elektrische conversie te verbeteren
Het knelpunt dat de ontwikkeling van organische zonnecellen beperkt, is dat de foto-elektrische conversie-efficiëntie laag is. Het verbeteren van de foto-elektrische conversie-efficiëntie is het primaire doel van onderzoek naar organische zonnecellen en de sleutel tot de industrialisatie ervan. Daarom is de bereiding van in oplossing verwerkbare actieve materialen met hoge efficiëntie, lage kosten en goede reproduceerbaarheid de basis voor het verbeteren van de foto-elektrische conversie-efficiëntie.
Chen Yongsheng introduceerde dat het vroege onderzoek naar organische zonnecellen zich voornamelijk richtte op het ontwerp en de synthese van polymeerdonormaterialen, en dat de actieve laag gebaseerd was op de bulk-heterostructuur van fullereenderivaatreceptoren. Met de voortdurende vooruitgang van gerelateerd onderzoek en de hogere eisen aan materialen in de apparaattechnologie, hebben oplosbaar te maken oligomoleculaire materialen met een bepaalbare chemische structuur intense aandacht getrokken.
"Deze materialen hebben de voordelen van een eenvoudige structuur, gemakkelijke zuivering en goede reproduceerbaarheid van de resultaten van fotovoltaïsche apparaten." Chen Yongsheng zei dat de meeste kleine molecuuloplossingen in het vroege stadium niet goed waren in het vormen van films, dus werd verdamping voornamelijk gebruikt om apparaten te bereiden, wat de toepassingsmogelijkheden ervan enorm beperkte. Het ontwerpen en synthetiseren van fotovoltaïsche actieve laagmaterialen met goede prestaties en een bepaalde moleculaire structuur is een belangrijk probleem dat door wetenschappers wordt erkend.
Met zijn scherpe inzicht en zorgvuldige analyse van het onderzoeksveld selecteerde Chen Yongsheng resoluut de nieuwe organische kleine moleculen en actieve oligomeren die met een oplossing konden worden verwerkt, wat op dat moment grote risico's en uitdagingen met zich meebracht, als het doorbraakpunt van de opwekking van zonne-energie. onderzoek. Van het ontwerp van moleculaire materialen tot de optimalisatie van de voorbereiding van fotovoltaïsche apparaten, Chen Yongsheng leidde het wetenschappelijke onderzoeksteam om dag en nacht wetenschappelijk onderzoek uit te voeren, en na 10 jaar van niet-aflatende inspanningen, heeft hij uiteindelijk een uniek oligomeer klein molecuul organisch zonnemateriaal geconstrueerd. systeem.
Van een rendement van 5% naar ruim 10% en vervolgens naar 17,3% blijven ze het wereldrecord breken op het gebied van de fotovoltaïsche conversie-efficiëntie van organische zonnecellen. Hun ontwerpconcepten en -methoden worden op grote schaal gebruikt door de wetenschappelijke gemeenschap. De afgelopen tien jaar hebben ze bijna 300 academische artikelen gepubliceerd in internationaal gerenommeerde tijdschriften en meer dan 50 patenten aangevraagd.
3. Eén kleine stap voor efficiëntie, één grote sprong voor energie
Chen Yongsheng heeft nagedacht over hoe hoog de efficiëntie van organische zonnecellen kan worden bereikt, en of ze eindelijk kunnen concurreren met op silicium gebaseerde zonnecellen? Waar ligt het ‘pijnpunt’ van de industriële toepassing van organische zonnecellen en hoe kunnen we dit kraken?
Hoewel de organische zonneceltechnologie zich de afgelopen jaren snel heeft ontwikkeld, is de foto-elektrische conversie-efficiëntie hoger dan 14%, maar vergeleken met anorganische en perovskietmaterialen gemaakt van zonnecellen is de efficiëntie nog steeds laag. Hoewel bij de toepassing van fotovoltaïsche technologie rekening moet worden gehouden met een aantal indicatoren zoals efficiëntie, kosten en levensduur, komt efficiëntie altijd op de eerste plaats. Hoe kunnen we gebruik maken van de voordelen van organische materialen, het materiaalontwerp optimaliseren en de batterijstructuur en het voorbereidingsproces verbeteren, om een hogere foto-elektrische conversie-efficiëntie te verkrijgen?
Sinds 2015 is het team van Chen Yongsheng begonnen met onderzoek naar organisch gelamineerde zonnecellen. Hij is van mening dat om het doel van de technische prestaties van zonnecellen op basis van anorganische materialen te bereiken of zelfs te overtreffen, het ontwerp van gelamineerde zonnecellen een zeer potentiële oplossing is; organische gelamineerde zonnecellen kunnen de voordelen ten volle benutten en benutten. van organische/polymeermaterialen, zoals structurele diversiteit, zonlichtabsorptie en aanpassing van het energieniveau. Er wordt een subcelactief laagmateriaal met goede complementaire zonlichtabsorptie verkregen, waardoor een hogere fotovoltaïsche efficiëntie wordt bereikt.
Op basis van de bovenstaande ideeën gebruikten ze een reeks oligomere kleine moleculen die door het team waren ontworpen en gesynthetiseerd om 12,7% organische gelamineerde zonnecellen te bereiden, waardoor de efficiëntie van het organische zonnecelveld op dat moment werd vernieuwd. De onderzoeksresultaten werden in het veld gepubliceerd. van het toptijdschrift "Nature Photonics", en de studie werd geselecteerd als "Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017".
Hoeveel ruimte is er om de foto-elektrische conversie-efficiëntie van organische zonnecellen te verbeteren? Chen Yongsheng en zijn team analyseerden systematisch duizenden literatuur en experimentele gegevens over materialen en apparaten op het gebied van organische zonne-energie, en voorspelden, gecombineerd met hun eigen onderzoeksaccumulatie en experimentele resultaten, de werkelijke maximale foto-elektrische conversie-efficiëntie van organische zonnecellen, waaronder multi- laagapparaten, evenals de parametervereisten voor ideale actieve laagmaterialen. Op basis van dit model selecteerden ze de actieve laagmaterialen van de voorste cel en de achterste cel met een goed complementair absorptievermogen in de zichtbare en nabij-infrarode gebieden, en verkregen een geverifieerde foto-elektrische conversie-efficiëntie van 17,3%, wat 's werelds hoogste foto-elektrische conversie is. efficiëntie gerapporteerd in de huidige literatuur over organische/polymeer zonnecellen, waardoor het onderzoek naar organische zonnecellen naar een nieuw hoogtepunt wordt getild.
“Volgens de Chinese energievraag van 4,36 miljard ton standaard steenkoolequivalent in 2016, wordt de overeenkomstige energievraag gegenereerd door zonnecellen, als de foto-elektrische conversie-efficiëntie van organische zonnecellen met één procentpunt wordt verhoogd, wat betekent dat de uitstoot van kooldioxide kan toenemen. met ongeveer 160 miljoen ton per jaar worden verminderd." zei Chen Yongsheng.
Sommige mensen zeggen dat silicium het belangrijkste basismateriaal in het informatietijdperk is, en het belang ervan is vanzelfsprekend. Volgens Chen Yongsheng hebben siliciummaterialen echter ook hun nadelen: “Om nog maar te zwijgen van de enorme energie- en milieukosten die siliciummaterialen moeten betalen tijdens het bereidingsproces; de harde en broze eigenschappen ervan zijn moeilijk te voldoen aan de flexibele eisen van toekomstige menselijke ‘draagbare’ apparaten.” Daarom zullen technische producten op basis van flexibele koolstofmaterialen met goede vouwbaarheid de te verwachten ontwikkelingsrichting zijn van de nieuwe materiaaldiscipline."
