“唯有【yǒu】解决高效【xiào】利用太阳能的科学【xué】问题，才是人【rén】类永【yǒng】续发展【zhǎn】之路。”南开【kāi】大学化学学院陈永胜教【jiāo】授断言，“太阳【yáng】是万物之母，能源之‘源【yuán】’。每时每刻抵达地球的【de】太【tài】阳光能量若【ruò】能被利【lì】用万分之二，即可满足【zú】目【mù】前人类【lèi】社会的全部能源需求。”也正【zhèng】因为如此，陈永胜【shèng】教【jiāo】授和他【tā】的团队将自【zì】己的科研使【shǐ】命浓缩为一句话——“向【xiàng】太阳要能源”!
1.有机太阳能电池有望商业化应用
在【zài】人类【lèi】利用太阳能的各项技术中【zhōng】，太阳能【néng】电池，即利用“光生伏打效应”将光能直接【jiē】转【zhuǎn】换成电能的器件，是当前已获【huò】得【dé】广【guǎng】泛【fàn】应【yīng】用，同时也【yě】是最【zuì】具发展前景的技术之一。
长期以来，人们更多地以晶【jīng】硅【guī】等无机材【cái】料【liào】为【wéi】基础制备太阳能【néng】电池。但是这种电池生产存在工【gōng】艺复杂、成本高、能耗大、污染重等弊端。能否【fǒu】找到一种成【chéng】本低、效率【lǜ】高、柔性强【qiáng】、环境友【yǒu】好【hǎo】的新型【xíng】有机材【cái】料研制出新【xīn】型太阳【yáng】能【néng】电池【chí】，眼下正成为世界各国科学家【jiā】孜孜以求的【de】目标。
“以地球上最丰富的【de】碳材料为【wéi】基本原料，通过技【jì】术手段【duàn】获得高效低成本的绿色能源，对于解决目前人类【lèi】面临【lín】的重大【dà】能源问题具有极其【qí】重大的意义。”陈永胜【shèng】介【jiè】绍，从20世纪【jì】70年【nián】代起步的有机电子学及【jí】有机【jī】(高分子)功能材料的研究，为【wéi】这一目标的【de】实现提供【gòng】了【le】机遇。
与【yǔ】以硅【guī】为【wéi】代表的无机半导体材料相比，有机半导【dǎo】体【tǐ】具有【yǒu】成本低、材【cái】料【liào】多样【yàng】性、功能可调、可柔【róu】性印刷制备等诸多【duō】优点。目前，基【jī】于有机【jī】发光二极管【guǎn】(OLED)的显【xiǎn】示屏已经实现了商【shāng】业化生产，并在手【shǒu】机和电视显示屏中获得广泛应用。
而基于有机高【gāo】分子材料作为光敏活【huó】性层的有机太阳能电池，具有材料结构【gòu】多样性、可【kě】大面积低成本印刷制备、柔【róu】性、半透明甚至【zhì】全透明等优点，具有无机太【tài】阳能电池技术【shù】所【suǒ】不具备【bèi】的许多优良特性。除【chú】了作为正常的发电装置外，在其【qí】他【tā】领【lǐng】域如节能【néng】建【jiàn】筑一体化【huà】、可穿戴设备等方面亦具有【yǒu】巨大的应用潜力，引起【qǐ】了学术界和工业【yè】界的极大兴趣【qù】。
“特别是近年来，有机太阳能电池的研究获【huò】得了突飞猛进【jìn】的发展，光电转化【huà】效率不断刷【shuā】新【xīn】。目【mù】前科学界普遍认为有机【jī】太阳【yáng】能【néng】电池已经【jīng】到了商【shāng】业化的‘黎明前夕’。”陈永【yǒng】胜说。
2.突破瓶颈：努力提高光电转化效率
制约有机太阳【yáng】能电池发展【zhǎn】的瓶颈【jǐng】在于光电转化效率偏低。提【tí】高光电转化【huà】效率是【shì】有机太阳能【néng】电池研究的首要目标，也是其实现产【chǎn】业化的关键【jiàn】。因此，制备【bèi】出高效率、低【dī】成本以及【jí】重【chóng】现性【xìng】良【liáng】好的【de】可溶液加工活性材料【liào】，则是【shì】提高【gāo】光电转化效率的基础。
陈永胜介【jiè】绍，早期的有【yǒu】机太阳【yáng】能电池的研究主要集【jí】中在聚【jù】合物的给体材【cái】料【liào】的设计合成，活性层是基于富勒烯【xī】衍生【shēng】物受体的本【běn】体异质结构。随着相关【guān】研究的不断推【tuī】进【jìn】，以及【jí】器件【jiàn】工艺对材料的更高要【yào】求，具【jù】有确定化学结构的可溶液处理寡聚小分子材料【liào】开【kāi】始【shǐ】引起人【rén】们的强烈关注【zhù】。
“这类材料具有【yǒu】结构单一、易提纯、光伏器【qì】件结果重现【xiàn】性好等优点。”陈永胜说，早期，大【dà】多数小分子溶【róng】液处理【lǐ】成膜性【xìng】不好【hǎo】，因此主要采用蒸【zhēng】镀【dù】的方【fāng】法制备器件，使其应用前【qián】景受到很大限制【zhì】。如【rú】何设【shè】计合成性【xìng】能良好【hǎo】并具有确【què】定分子结构的光【guāng】伏活性层材料，是科学家们公认的关键【jiàn】难题【tí】。
凭借对该研究领【lǐng】域敏锐的洞察力和审【shěn】慎分析，陈【chén】永胜果断选择【zé】了当时具有重大风险和挑战的新【xīn】型可【kě】溶液加【jiā】工处理的有机小分子【zǐ】和【hé】寡聚物活性【xìng】材【cái】料作【zuò】为太阳能发电研究的【de】突破点【diǎn】。从分子材料【liào】设计，到光伏器件的制备优化，陈永【yǒng】胜带领【lǐng】科【kē】研【yán】团队夜以继日展开科【kē】研【yán】攻关，经过10年的不【bú】懈努力，终【zhōng】于建构出【chū】具有鲜【xiān】明特色的寡聚小分子【zǐ】有机太阳能材【cái】料体系。
从效率5%到超过10%，再到17.3%，他【tā】们在不断刷新【xīn】有机【jī】太阳【yáng】能电池领【lǐng】域光电转化效率【lǜ】的【de】世界纪【jì】录。他们【men】提出【chū】的设计理念和方法【fǎ】被科学界广泛应【yīng】用。十几年来【lái】，他们在国际著名杂志发表【biǎo】了近300篇学术论文，申请获得50多项发【fā】明专利。
3.转化效率一小步，能源界一大步
陈【chén】永胜一直在【zài】思考：有机太阳【yáng】能电池到底能达到多高【gāo】的【de】效【xiào】率，能否最终媲美硅基太阳能电池【chí】?有机太阳能电池产【chǎn】业【yè】化应用的【de】“痛点”在哪里，如何去【qù】破解【jiě】?
在过去几年【nián】中，虽然有机太阳能电池技【jì】术发展迅速，光电【diàn】转【zhuǎn】化效率【lǜ】已【yǐ】突破【pò】14%，但是与无机和钙钛矿等【děng】材料制备的太【tài】阳【yáng】能电池【chí】相比【bǐ】，效率仍然偏低。虽然光伏技【jì】术应用要考虑效率、成【chéng】本和寿【shòu】命等多项指标，但效率始终是【shì】第一位【wèi】的。如何发挥有机材料的优势，通过优化材料设计和改进【jìn】电池【chí】结【jié】构【gòu】及【jí】制备工艺，从而获得更高的【de】光【guāng】电转【zhuǎn】化效率?
从2015年开始，陈永胜团队开始进行有机叠【dié】层太阳能电池方面研究。他认为【wéi】，要达【dá】到甚至【zhì】超【chāo】过【guò】以【yǐ】无机材料为基【jī】础的太阳能【néng】电池技术性能的目标，设计叠层太【tài】阳能【néng】电池是一个极具潜【qián】力的【de】方案——有机叠层太【tài】阳【yáng】能电池【chí】可【kě】以充分利【lì】用和【hé】发挥有机/高【gāo】分子【zǐ】材料具有的结构【gòu】多【duō】样性、太阳光【guāng】吸收和能级可调节等优点，获【huò】得具有良好【hǎo】太阳光吸收互补的子电【diàn】池活性层材料【liào】，从而实现更高的光【guāng】伏效率。
基【jī】于上述思【sī】路，他【tā】们利用团【tuán】队设计合成的【de】系列寡聚小【xiǎo】分子【zǐ】制备获得12.7%的有机叠层【céng】太阳能电【diàn】池【chí】，刷新了当时有机太阳能电池领域的效率，研究结果【guǒ】发【fā】表在领域顶级期刊【kān】《自然*光【guāng】子学》，该项【xiàng】研究入选【xuǎn】“2017年中国光学十大进【jìn】展【zhǎn】”。
有机【jī】太【tài】阳能【néng】电池的光电转化效率【lǜ】究竟有多少提升空间?陈永胜和他【tā】的团队系统梳理分析了目【mù】前有机太【tài】阳能领域材料和器件方面数【shù】以【yǐ】千【qiān】计【jì】的文【wén】献和实验数【shù】据，结合自身的研究积累和实验结【jié】果，预测出有机太阳能电池包括多层器件实【shí】际可达到的最【zuì】高光电转化效【xiào】率，以及对理想活性【xìng】层材【cái】料的参【cān】数要求。基【jī】于【yú】此模型，他们选用在可见和近红外区域具有【yǒu】良好【hǎo】互补吸【xī】收能力的前电【diàn】池和后电池的活【huó】性层材料，获得了验证【zhèng】效率为17.3%的光电转化效率，这是目前文献报道的【de】有机【jī】/高分子太【tài】阳能【néng】电池光电转化【huà】效率【lǜ】的世界最高【gāo】纪录，把【bǎ】有机太阳能电池的研究推向【xiàng】了一【yī】个【gè】新【xīn】的高度。
“按照【zhào】我国2016年43.6亿吨标准煤当量的【de】能【néng】源需求计算，如果有机太阳能电池光电【diàn】转【zhuǎn】化效率提高一【yī】个百分点，相应【yīng】的能源需求由太阳【yáng】能电【diàn】池来产生，就意味着每年可减【jiǎn】少二【èr】氧化碳排【pái】放约【yuē】1.6亿吨。”陈【chén】永胜【shèng】说。
有【yǒu】人说，硅是信【xìn】息时代最重要【yào】的基础【chǔ】性材料，其重要性不言而喻。但在陈【chén】永胜看来【lái】，硅材料也有其缺点：“且不说硅材【cái】料在制【zhì】备过程中【zhōng】需【xū】要付出巨大【dà】的能源和环境代价，它的【de】硬、脆特性【xìng】也难以【yǐ】满足【zú】未来人类【lèi】对于【yú】‘可穿戴’器件【jiàn】的【de】柔性要【yào】求。因此【cǐ】，以具有良好的可折叠的柔【róu】性碳材料为基础的技术产品【pǐn】将是新【xīn】材料学科可预见【jiàn】的发展方向。”
