南開大學陳永勝教授團隊:有機太陽能電池,綠色能源未來的新選擇

2021-03-01 高分子科技

陳永勝教授一直在思考:有機太陽能電池到底能達到多高的效率,能否最終媲美矽基太陽能電池?有機太陽能電池產業化應用的「痛點」在哪裡,如何去破解?

在過去幾年中,雖然有機太陽能電池技術發展迅速,光電轉化效率已突破14%,但是與無機和鈣鈦礦等材料製備的太陽能電池相比,效率仍然偏低。雖然光伏技術應用要考慮效率、成本和壽命等多項指標,但效率始終是第一位的。如何發揮有機材料的優勢,通過優化材料設計和改進電池結構及製備工藝,從而獲得更高的光電轉化效率?

從2015年開始,陳永勝教授團隊開始進行有機疊層太陽能電池方面研究。他認為,要達到甚至超過以無機材料為基礎的太陽能電池技術性能的目標,設計疊層太陽能電池是一個極具潛力的方案——有機疊層太陽能電池可以充分利用和發揮有機/高分子材料具有的結構多樣性、太陽光吸收和能級可調節等優點,獲得具有良好太陽光吸收互補的子電池活性層材料,從而實現更高的光伏效率。

基於上述思路,他們利用團隊設計合成的系列寡聚小分子製備獲得12.7%的有機疊層太陽能電池,刷新了當時有機太陽能電池領域的效率,研究結果發表在領域頂級期刊《自然·光子學》,該項研究入選「2017年中國光學十大進展」。

有機太陽能電池的光電轉化效率究竟有多少提升空間?陳永勝教授和他的團隊系統梳理分析了目前有機太陽能領域材料和器件方面數以千計的文獻和實驗數據,結合自身的研究積累和實驗結果,預測出有機太陽能電池包括多層器件實際可達到的最高光電轉化效率,以及對理想活性層材料的參數要求。基於此模型,他們選用在可見和近紅外區域具有良好互補吸收能力的前電池和後電池的活性層材料,獲得了驗證效率為17.3%的光電轉化效率,這是目前文獻報導的有機/高分子太陽能電池光電轉化效率的世界最高紀錄,把有機太陽能電池的研究推向了一個新的高度。

「按照我國2016年43.6億噸標準煤當量的能源需求計算,如果有機太陽能電池光電轉化效率提高一個百分點,相應的能源需求由太陽能電池來產生,就意味著每年可減少二氧化碳排放約1.6億噸。」陳永勝教授說。

有人說,矽是資訊時代最重要的基礎性材料,其重要性不言而喻。但在陳永勝教授看來,矽材料也有其缺點:「且不說矽材料在製備過程中需要付出巨大的能源和環境代價,它的硬、脆特性也難以滿足未來人類對於『可穿戴』器件的柔性要求。因此,以具有良好的可摺疊的柔性碳材料為基礎的技術產品將是新材料學科可預見的發展方向。」

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