“唯有解决高效利用太阳能的科学问题，才是人类永续发展之路【lù】。”南开大【dà】学化学学【xué】院【yuàn】陈永胜教【jiāo】授【shòu】断言【yán】，“太阳是万物之母，能【néng】源之‘源’。每时每刻【kè】抵达地【dì】球的太【tài】阳光能量若【ruò】能被利用万分之二，即可满足【zú】目前【qián】人【rén】类社会【huì】的【de】全部【bù】能源需求。”也正因为如此，陈永胜【shèng】教授【shòu】和他的【de】团队将【jiāng】自己的科研使命浓缩为一【yī】句话——“向太【tài】阳要能源”!
1.有机太阳能电池有望商业化应用
在人类利用太阳【yáng】能【néng】的各项技术中，太阳能电池【chí】，即【jí】利用【yòng】“光【guāng】生伏打效【xiào】应”将光能直接转换成电能的器件，是当前已获得【dé】广泛【fàn】应用，同时也【yě】是最具发【fā】展前景的技术之一【yī】。
长期以【yǐ】来，人们更【gèng】多地以晶硅等无机材料为【wéi】基础制备太阳能电【diàn】池。但是这种电池【chí】生产存在工【gōng】艺复杂【zá】、成本高、能耗大、污染重等弊端【duān】。能【néng】否找到一【yī】种成本低【dī】、效率高【gāo】、柔【róu】性强、环境友【yǒu】好的新型有机材料研【yán】制出【chū】新型太阳能电池，眼下正【zhèng】成为世界各国科学家孜孜【zī】以求的目标。
“以地球【qiú】上最丰富的碳材料为基本原料，通过技术手段【duàn】获得高【gāo】效低成本的绿【lǜ】色【sè】能源，对于解决目前人【rén】类面【miàn】临的重大能【néng】源问题具【jù】有【yǒu】极其【qí】重大的意义。”陈永胜介绍，从20世【shì】纪【jì】70年代起步的【de】有机电子学及【jí】有【yǒu】机(高【gāo】分子)功能材料的研究【jiū】，为这一【yī】目【mù】标的实【shí】现提供了机遇。
与以硅为代表的无机半导体材料相比【bǐ】，有机半【bàn】导体具有成本低【dī】、材料【liào】多样性、功能可调【diào】、可柔性印刷制【zhì】备等【děng】诸【zhū】多优【yōu】点。目前，基于有机【jī】发【fā】光二极管(OLED)的显示屏已【yǐ】经实现了商业化生【shēng】产，并在手机【jī】和【hé】电视显示屏【píng】中【zhōng】获得广【guǎng】泛应用。
而基【jī】于【yú】有机高分子材料作为光敏【mǐn】活性层【céng】的有机太阳【yáng】能电池【chí】，具有材料结构多【duō】样性、可大面【miàn】积低成本印刷【shuā】制【zhì】备、柔性、半【bàn】透明甚至全透明等优点，具有无【wú】机太阳能电池技术所不具备【bèi】的许【xǔ】多优良特性。除了作为正常【cháng】的发电装置外，在其他领域如节能【néng】建筑一体化、可穿【chuān】戴设备【bèi】等方面亦具有巨【jù】大的应用潜【qián】力【lì】，引起了【le】学术界和工业界的极大兴趣。
“特别是近年来，有机太阳能【néng】电【diàn】池的研究获【huò】得了突飞猛进的【de】发展【zhǎn】，光电转化效率不【bú】断【duàn】刷新。目前科学界【jiè】普遍【biàn】认为有机太阳【yáng】能电池已经到了【le】商业【yè】化的【de】‘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【diàn】池发展的瓶【píng】颈【jǐng】在于光【guāng】电【diàn】转化效率偏【piān】低。提高光【guāng】电转【zhuǎn】化效率是【shì】有机太阳能电池研【yán】究的首要目标，也【yě】是其实现产业化的关键。因此【cǐ】，制备出【chū】高效率、低成本以及重现性【xìng】良【liáng】好的可溶液加【jiā】工活性材【cái】料，则【zé】是提高光【guāng】电转化效率的基础。
陈永胜介绍【shào】，早期的有机太阳【yáng】能电池的研究主【zhǔ】要集中在聚合物的给体材料的设【shè】计合【hé】成，活性【xìng】层是基【jī】于富勒烯衍生【shēng】物受体的本体异质【zhì】结构。随着【zhe】相关研【yán】究的不断推进，以及器件工【gōng】艺对【duì】材料【liào】的更高要【yào】求，具有确定【dìng】化学结构的可【kě】溶液处【chù】理寡聚【jù】小分子材【cái】料开始引起人【rén】们的强烈关注。
“这类材料具有结构【gòu】单一、易【yì】提【tí】纯、光【guāng】伏器【qì】件结【jié】果【guǒ】重现性好等优点。”陈永胜说【shuō】，早期，大多数小分【fèn】子溶液【yè】处理成膜性不好，因此主要采【cǎi】用蒸镀的方法制备器件，使其应用前景受到很大限制。如【rú】何设计合成【chéng】性【xìng】能良好并具【jù】有确定分子结构【gòu】的光伏【fú】活【huó】性层材料，是科学家们公认的【de】关【guān】键难题。
凭【píng】借对该研究领域敏锐的洞察力和审慎【shèn】分析，陈永胜果断选【xuǎn】择了当时具有重大【dà】风险【xiǎn】和挑战的新型【xíng】可溶【róng】液加工处理的有【yǒu】机小分【fèn】子和【hé】寡【guǎ】聚物活性材料【liào】作为太阳能发电研究的突【tū】破点。从分子材料设【shè】计，到光伏器件的【de】制备【bèi】优化，陈【chén】永【yǒng】胜带领科研团队【duì】夜以【yǐ】继日展【zhǎn】开科研攻关，经过10年【nián】的不懈努【nǔ】力，终于建构出具有鲜明特【tè】色【sè】的寡【guǎ】聚小分子有机太阳能材料体系。
从效率【lǜ】5%到超过10%，再到【dào】17.3%，他们在不断刷新有机太阳能电池领域光电转化效率【lǜ】的【de】世界纪录【lù】。他们提【tí】出【chū】的设【shè】计理念和方法被【bèi】科学【xué】界广泛应用【yòng】。十几年来，他们在【zài】国【guó】际著名杂志发表了近【jìn】300篇学术【shù】论文，申请获得50多项发明【míng】专利。
3.转化效率一小步，能源界一大步
陈永胜【shèng】一直在思考：有【yǒu】机太阳能电池到底能达到多高的效率，能否最终媲【pì】美【měi】硅基太阳【yáng】能电池【chí】?有机太阳【yáng】能电池产业化应用的“痛点”在哪里，如【rú】何去【qù】破解?
在【zài】过去几年中，虽【suī】然有机太【tài】阳能电池技术【shù】发展迅速，光电【diàn】转化【huà】效率已突破【pò】14%，但是与无机和钙钛矿等材【cái】料制备【bèi】的太阳能电池相比【bǐ】，效率仍然【rán】偏低。虽然【rán】光【guāng】伏技术【shù】应用要考虑效【xiào】率、成本和寿命等多项指标，但【dàn】效率始终是第一位的。如何【hé】发挥有【yǒu】机材料【liào】的优【yōu】势，通过优化材料【liào】设计和改进电池结构及【jí】制【zhì】备工艺，从而获得更高的光电转化效率?
从2015年开始，陈永胜【shèng】团队开始进行【háng】有机叠【dié】层太阳能电池方面研【yán】究。他认为，要达到【dào】甚至超过以无机【jī】材料【liào】为基【jī】础的太阳能电池技术性能的目【mù】标【biāo】，设计叠层太阳能电池是一个极具潜力的方【fāng】案——有【yǒu】机叠层【céng】太阳能【néng】电池【chí】可【kě】以【yǐ】充分【fèn】利用和发挥有机/高分子【zǐ】材料具有的结构多样性、太阳光吸收【shōu】和能级可调节等优点，获得具【jù】有良好太阳光【guāng】吸收互补【bǔ】的子【zǐ】电池活性【xìng】层材【cái】料【liào】，从而实现更高的光【guāng】伏效【xiào】率。
基于上述【shù】思路，他【tā】们【men】利【lì】用团队设计合成的【de】系列寡聚小【xiǎo】分子制备获得12.7%的有机叠层太阳能电【diàn】池，刷新了当时有【yǒu】机太阳【yáng】能电池领域的效率，研究【jiū】结果【guǒ】发表在领域顶级【jí】期刊《自然*光【guāng】子【zǐ】学》，该项【xiàng】研究入选【xuǎn】“2017年中国光学十大进展”。
有机太阳能电池的【de】光电转【zhuǎn】化【huà】效率究【jiū】竟有多少提【tí】升【shēng】空间?陈永胜和他的团【tuán】队系统【tǒng】梳理分【fèn】析了目【mù】前有机太【tài】阳能【néng】领【lǐng】域材料和器件方面数以千计的文献和实验数据【jù】，结合【hé】自身的【de】研究积累和实验结果，预测出【chū】有机【jī】太阳能【néng】电池包括多层器件实际可达【dá】到的最高光电转化效率，以及对【duì】理【lǐ】想【xiǎng】活【huó】性层材料的参数【shù】要【yào】求。基于此模【mó】型，他们选用【yòng】在可见和近红【hóng】外区域具有良好互补吸收能【néng】力的【de】前电池和后【hòu】电池的活性【xìng】层材【cái】料，获得了验证效【xiào】率为17.3%的光电转化效率，这【zhè】是目前文献报道的有机/高分子太阳能电池光电【diàn】转【zhuǎn】化效率的世界最【zuì】高纪录【lù】，把有机太阳能电池的研究推【tuī】向【xiàng】了一个新【xīn】的高度。
“按照我国2016年43.6亿吨【dūn】标准煤当量的能源需求计算【suàn】，如果有机太阳能电【diàn】池光电转化效率【lǜ】提高一个百【bǎi】分【fèn】点，相应的能源需求【qiú】由太阳能电池【chí】来产【chǎn】生【shēng】，就意味着每年【nián】可【kě】减少【shǎo】二【èr】氧化碳排放约1.6亿【yì】吨【dūn】。”陈永胜【shèng】说。
有人说【shuō】，硅是信息【xī】时代【dài】最重要的基础性材料，其【qí】重要性不言而喻。但在陈永【yǒng】胜【shèng】看来【lái】，硅材料也有其缺点【diǎn】：“且不说硅材【cái】料在制备过程中需【xū】要付出巨大的能源和环境代价【jià】，它的硬、脆特性也难以【yǐ】满足未来人【rén】类【lèi】对于‘可【kě】穿戴’器件的柔性【xìng】要【yào】求。因此，以具有良好的可折叠的【de】柔性碳材【cái】料为基础的【de】技术【shù】产品将是新材【cái】料学科可【kě】预见的发展方【fāng】向。”
