有机太阳能电池的柔性特征和研究主要结果
-本报记者张晶晶通讯员吴军辉
人类文明的进步一直以能源为重要驱动力，而太阳能是近些年来全球最为关注的绿色清洁能源。2018年8月，由南开大学化学学院教授陈永胜领衔的团队在有机太阳能电池领域研究中获突破性进展。他们设计和制备的具有高效、宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池材料和器件，实现了17.3%的光电转化效率，刷新了文献报道的有机/高分子太阳能电池光电转化效率的世界最高纪录。这一最新成果让有机太阳能电池距离产业化更近一步。相关研究论文在线发表于《科学》。
1月8日，2018年度国家科学技术奖励大会在北京人民大会堂隆重举行。南开大学教授陈永胜团队“面向能源转化与存储的有机和碳纳米材料研究”项目荣获国家自然科学奖二等奖。
刚刚在北京人民大会堂参加国家科技奖励大会的陈永胜对《中国科学报》表示，得知获奖，自己的心情十分激动。
“这体现出国家对于科技创新的高度重视，未来国际竞争的核心是科技竞争，我感受到从事能源材料研究工作对于国家民族发展、人类社会进步的重要使命感和责任感。”他表示，作为一名科技工作者，应当将荣誉和奖励化为不断前进的动力，更加务实地做好本职工作。
有机太阳能电池：绿色能源的未来选择
目前已商业化应用的太阳能电池，主要是以晶硅等无机原料制备的，其原材料及电池构筑生产工艺复杂，存在生产成本高、能耗大、污染严重等问题，很大程度上限制了其应用和发展。因此，发展成本低、环境友好、高效的新型太阳能技术成为新能源领域的重要课题之一。
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，具备其他太阳能电池技术所不具有的许多优良特性。除了作为正常的发电装置，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大量研究。
“如果能利用地球及未来最丰富的元素之一——碳及其材料为基本原料实现高效低成本的绿色能源技术，将对解决目前人类面临的能源问题具有重大的意义。”陈永胜介绍说，有机电子学及有机(高分子)功能材料的研究从上世纪70年代开始，发展中里程碑式的事件是原美国柯达公司的邓青云(Ching W. Tang)博士于1986年报道的双层结构染料光伏器件，光电转换效率约为1%。
突破瓶颈：努力提高光电转化效率
低光电转化效率成为限制有机太阳能电池发展的最大瓶颈。提高光电转化效率是发展有机太阳能电池研究首要解决的问题，也是其实现产业化的关键之一。
2004年，陈永胜回母校南开大学任教，建立了以碳材料为基础的绿色能源材料和应用研究团队，并在2007年开始进行有机太阳能发电和以碳纳米材料为基础的储电方面的研究。当时整个领域研究正处于低谷。
“光电转化效率在5%左右。许多研究者对有机太阳能电池的未来发展不抱信心，甚至纷纷退出。而作为最重要的碳纳米材料石墨烯的研究国内当时还是空白。”
发展高效率、低成本以及重现性良好的可溶液加工活性材料，即有机太阳能电池吸光层材料，是提高光电转化效率的基础。当时世界上从事有机太阳能电池领域研究的团队几乎全部集中在传统聚合物活性材料上，如果进行这方面的研究风险会很小，但难以形成特色和实现重大突破。
凭借对该领域敏锐的洞察力和审慎分析，陈永胜果断选择了在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其团队的太阳能发电的主要突破点。
从分子材料设计到光伏器件的制备优化，陈永胜团队经过十多年的不懈努力，终于发展出了具有鲜明特色的寡聚小分子有机太阳能材料体系。他们提出了具有“给体—受体—给体”(A-D-A)构架及确定分子结构的溶液可处理高效寡聚小分子光伏材料设计理念。通过A-D-A分子中各单元结构的调节，实现了对材料太阳光吸收、电荷分离传输和成膜性等的有效调控，并克服了聚合物分子量多分散性带来的器件性能重现性问题及传统小分子难于溶液加工的缺点。
根据上述理念，陈永胜团队设计合成了具有确定分子结构和精确分子量的一系列高效有机光伏寡聚物材料，开创了以绕丹宁、茚满二酮等单元为端基，双键桥连的A-D-A结构的新型高效可溶液加工的光伏活性层材料体系。
通过对比无机材料和有机材料的特点，陈永胜认为，要充分发挥有机高分子材料的优势，并实现以无机材料为基础的太阳能技术性能的目标，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。
2015年，研究团队开始进行有机叠层太阳能电池研究。他们利用设计合成的系列寡聚小分子制备获得12.7%的有机叠层太阳能电池，刷新了当时有机太阳电池领域的效率；2018年，团队验证了效率为17.3%的光电转化效率，将有机太阳电池的研究推向了一个新的高度。
十几年来，陈永胜带领团队多次刷新了有机太阳能电池领域光电转换效率的世界纪录。他们不仅成为有机太阳能电池领域的佼佼者，其研究成果也大大提升了人们对于有机太阳能电池的信心。由该团队提出的设计理念和方法、发展的结构单元等被广泛应用。
在路上：继续坚持自主创新
对于未来的研究方向，陈永胜介绍说，将在进一步提高有机太阳能效率的同时，研究柔性可穿戴的包括透明的有机太阳能电池，并和储能设备结合，发展发电储电一体化材料和技术。
目前，团队已经着手开始研究更高效率的有机太阳能电池材料设计与器件构筑，并且已经在有机太阳能电池应用的关键部分——柔性透明电极取得了进展。发展的可适用于有机太阳能电池的柔性透明电极有望进入大面积生产制备，从而在有机太阳能电池柔性印刷制备这一关键技术问题上获得突破，并取得独立的知识产权。
陈永胜希望能和中国企业紧密合作，实现这一领域中国全产业链的独立自主的太阳能电池制备技术。
“在有机太阳能电池这一领域，是为数不多我们中国人处于比较领先位置的领域，同时我们有自己最核心的材料和完全自主的制备技术，虽然还有很多事要做，但我们完全有信心在这一绿色能源领域的竞争中为国家提供独立自主和具有国际领先的完全的技术方案。”
相关论文信息：DOI: 10.1126/science.aat2612
http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/1/342868.shtm?id=342868
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