Ihmisen sivilisaation kehitys on pohjimmiltaan energiankäyttökyvyn kehittämistä muinaisen luonnon tulen käytöstä polttopuun käyttöön polttopuun käyttöön, hiilen ja öljyn käyttöön. Toistaiseksi ihmisen sivilisaatio ja taloudellinen kehitys on pitkälti perustunut fossiilisen energian kehittämiseen ja hyödyntämiseen. 2000-luvulla maapallon uusiutumattomista fossiilisista energiavaroista sekä fossiilisen energian hyödyntämisestä ja käytöstä johtuvan yhä vakavamman ympäristön saastumisen vuoksi ihmiset tutkivat vihreää kestävää energiakenttää, kuten esim. aurinkoenergia, tuulienergia, vesienergia...
"Vain aurinkoenergian tehokkaan käytön tieteellisen ongelman ratkaiseminen on tie ihmiskunnan kestävään kehitykseen." Professori Chen Yongsheng, Nankain yliopiston kemian korkeakoulu, väitti: "Aurinko on kaiken äiti ja "energian lähde". Jos aurinkoenergia, joka milloin tahansa saavuttaa maan, voitaisiin valjastaa kahteen osaan 10 000:ta kohti, Tämän vuoksi professori Chen Yongsheng ja hänen tiiminsä tiivistivät tieteellisen tutkimustehtävänsä yhteen lauseeseen - " aurinko energiaa"!
1. Orgaanisten aurinkokennojen odotetaan kaupallistavan
Aurinkoenergiateknologioiden ihmiskäytössä aurinkokennoja eli "valosähkövaikutuksen" käyttöä valoenergian muuntamiseksi suoraan sähköenergialaitteiksi käytetään tällä hetkellä laajalti, mutta myös yksi lupaavimmista teknologioista.
Ihmiset ovat jo pitkään käyttäneet aurinkokennojen valmistuksessa enemmän epäorgaanisia materiaaleja, kuten kiteistä piitä. Tällaisten akkujen tuotannossa on kuitenkin haittoja, kuten monimutkainen prosessi, korkea hinta, korkea energiankulutus ja raskas saastuminen. Tiedemiesten tavoitteena kaikkialla maailmassa on nyt löytää uusi orgaaninen materiaali, jolla on edullinen, korkea hyötysuhde, vahva joustavuus ja ympäristöystävällisyys uudentyyppisten aurinkokennojen kehittämiseksi.
"Maapallon runsaimman hiilimateriaalin käyttäminen perusraaka-aineena tehokkaan ja edullisen vihreän energian saaminen teknisin keinoin on erittäin tärkeää ihmiskunnan tällä hetkellä kohtaavien suurien energiaongelmien ratkaisemisessa." Chen Yongsheng esitteli, että 1970-luvulla alkanut orgaanisen elektroniikan ja orgaanisten (polymeeri)funktionaalisten materiaalien tutkimus on tarjonnut mahdollisuuksia tämän tavoitteen toteuttamiseen.
Verrattuna piin edustamiin epäorgaanisiin puolijohteisiin, orgaanisella puolijohteella on monia etuja, kuten alhainen hinta, materiaalien monimuotoisuus, säädettävä toiminto ja joustava tulostus. Tällä hetkellä orgaanisiin valodiodeihin (OLed) perustuvia näyttöjä on valmistettu kaupallisesti ja niitä käytetään laajalti matkapuhelin- ja TV-näytöissä.
Orgaaniseen polymeerimateriaaliin perustuvalla orgaanisella aurinkokennolla valoherkänä aktiivisena kerroksena on materiaalirakenteen monimuotoisuus, laajan alueen edullinen tulostusvalmistus, joustavuus, läpikuultavuus ja jopa täydellinen läpinäkyvyys, ja sillä on monia erinomaisia ominaisuuksia, joita epäorgaaninen aurinkokennoteknologia ei pysty. on. Sen lisäksi, että se on normaali sähköntuotantolaite, sillä on suuri sovelluspotentiaali myös muilla aloilla, kuten energiaa säästävä rakennusintegraatio ja puettavat laitteet, mikä on herättänyt suurta kiinnostusta tiedemaailmassa ja teollisuudessa.
"Varsinkin viime vuosina orgaanisten aurinkokennojen tutkimus on saavuttanut nopeaa kehitystä, ja valosähköistä muunnostehokkuutta päivitetään jatkuvasti." Tällä hetkellä tiedeyhteisö uskoo yleisesti, että orgaaniset aurinkokennot ovat saavuttaneet kaupallistamisen "aamunkoiton", Chen Yongsheng sanoi.
2. Murtaudu pullonkaulasta: pyri parantamaan valosähköisen muuntamisen tehokkuutta
Orgaanisten aurinkokennojen kehitystä rajoittava pullonkaula on valosähköisen muunnostehokkuuden alhainen. Valosähköisen muunnostehokkuuden parantaminen on orgaanisen aurinkokennotutkimuksen ensisijainen tavoite ja avain sen teollistumiseen. Siksi liuosprosessoitavien aktiivisten materiaalien valmistus, jolla on korkea hyötysuhde, alhaiset kustannukset ja hyvä toistettavuus, on perusta valosähköisen muunnostehokkuuden parantamiselle.
Chen Yongsheng esitteli, että varhainen orgaaninen aurinkokennotutkimus keskittyi pääasiassa polymeeriluovuttajamateriaalien suunnitteluun ja synteesiin, ja aktiivinen kerros perustui fullereenijohdannaisreseptorien bulkkiheterorakenteeseen. Aiheeseen liittyvän tutkimuksen jatkuvan edistymisen ja laiteteknologian korkeampien materiaalivaatimusten myötä liukenevat oligomolekyyliset materiaalit, joilla on määritettävissä oleva kemiallinen rakenne, ovat herättäneet suurta huomiota.
"Näiden materiaalien etuna on yksinkertainen rakenne, helppo puhdistaa ja aurinkosähkölaitteiden tulosten hyvä toistettavuus." Chen Yongsheng sanoi, että alkuvaiheessa useimmat pienimolekyyliset liuokset eivät olleet hyviä kalvojen muodostamisessa, joten haihdutusta käytettiin pääasiassa laitteiden valmistukseen, mikä rajoitti suuresti niiden käyttömahdollisuuksia. Aurinkosähköisten aktiivisten kerrosten materiaalien suunnittelu ja syntetisointi, joilla on hyvä suorituskyky ja määrätty molekyylirakenne, on tutkijoiden tunnustama keskeinen ongelma.
Tarkkan näkemyksen ja tutkimusalan huolellisen analyysin avulla Chen Yongsheng valitsi päättäväisesti aurinkoenergian tuotannon läpimurtokohdaksi uudet orgaaniset pienet molekyylit ja oligomeerit aktiiviset materiaalit, joita voidaan käsitellä liuoksella, jolla oli tuolloin suuria riskejä ja haasteita. tutkimusta. Molekyylimateriaalien suunnittelusta aurinkosähkölaitteiden valmistuksen optimointiin Chen Yongsheng johti tieteellistä tutkimusryhmää suorittamaan tieteellistä tutkimusta yötä päivää, ja 10 vuoden sitkeiden ponnistelujen jälkeen rakensi lopulta ainutlaatuisen oligomeerisen, pienimolekyylisen orgaanisen aurinkomateriaalin. järjestelmä.
5 prosentin tehokkuudesta yli 10 prosenttiin ja sitten 17,3 prosenttiin ne jatkavat maailmanennätyksen rikkomista orgaanisten aurinkokennojen aurinkosähkömuunnostehokkuuden alalla. Niiden suunnittelukonseptit ja menetelmät ovat olleet tiedeyhteisön laajasti käytössä. Viimeisen vuosikymmenen aikana he ovat julkaisseet lähes 300 akateemista artikkelia kansainvälisesti tunnetuissa aikakauslehdissä ja hakeneet yli 50 keksintöpatenttia.
3. Pieni askel tehokkuudessa, jättiläinen harppaus energiassa
Chen Yongsheng on pohtinut, kuinka korkealle orgaanisten aurinkokennojen tehokkuudelle voidaan päästä ja voivatko ne lopulta kilpailla piipohjaisten aurinkokennojen kanssa? Missä on orgaanisten aurinkokennojen teollisen käytön "kipukohta" ja kuinka se murretaan?
Vaikka orgaaninen aurinkokennoteknologia on kehittynyt nopeasti, valosähköinen muunnostehokkuus on viime vuosina ylittänyt 14 %, mutta verrattuna aurinkokennoista valmistettuihin epäorgaanisiin ja perovskiittisiin materiaaleihin tehokkuus on edelleen alhainen. Vaikka aurinkosähköteknologian soveltamisessa tulisi ottaa huomioon useita indikaattoreita, kuten tehokkuus, kustannukset ja käyttöikä, tehokkuus on aina ensimmäinen. Kuinka hyödyntää orgaanisten materiaalien etuja, optimoida materiaalisuunnittelua ja parantaa akun rakennetta ja valmistusprosessia, jotta saadaan parempi valosähköinen muunnostehokkuus?
Vuodesta 2015 lähtien Chen Yongshengin tiimi on alkanut tutkia orgaanisia laminoituja aurinkokennoja. Hän uskoo, että epäorgaanisiin materiaaleihin perustuvien aurinkokennojen teknisen suorituskyvyn tavoitteen saavuttamiseksi tai jopa ylittämiseksi laminoitujen aurinkokennojen suunnittelu on erittäin potentiaalinen ratkaisu - orgaaniset laminoidut aurinkokennot voivat hyödyntää ja hyödyntää kaikkia etuja. orgaanisten/polymeerimateriaalien, kuten rakenteellisen monimuotoisuuden, auringonvalon absorptio ja energiatason säätö. Saadaan osakennoaktiivinen kerrosmateriaali, jolla on hyvä täydentävä auringonvaloabsorptio, jolloin saavutetaan korkeampi aurinkosähkötehokkuus.
Yllä olevien ajatusten perusteella he käyttivät ryhmän suunnittelemia ja syntetisoimia oligomeeristen pienten molekyylien sarjaa 12,7 % orgaanisten laminoitujen aurinkokennojen valmistukseen, mikä virkistää orgaanisen aurinkokennokentän tehokkuutta tuolloin, tutkimustulokset julkaistiin kentällä. Nature Photonics -lehden huippujulkaisussa, ja tutkimus valittiin "Kiinan optiikan kymmenen parasta edistystä vuonna 2017".
Kuinka paljon tilaa parantaa orgaanisten aurinkokennojen valosähköistä muunnostehokkuutta? Chen Yongsheng ja hänen tiiminsä analysoivat järjestelmällisesti tuhansia kirjallisuutta ja kokeellista tietoa materiaaleista ja laitteista orgaanisen aurinkoenergian alalla, ja yhdistettynä omiin tutkimuskertymiinsä ja kokeellisiin tuloksiinsa ennustivat orgaanisten aurinkokennojen todellisen maksimaalisen valosähköisen muunnostehokkuuden, mukaan lukien useat kerroslaitteet sekä ihanteellisten aktiivisten kerrosten materiaalien parametrivaatimukset. Tämän mallin perusteella he valitsivat etukennon ja takakennon aktiivisten kerrosten materiaalit, joilla on hyvä täydentävä absorptiokyky näkyvällä ja lähi-infrapuna-alueella, ja saivat todetun valosähköisen muunnostehokkuuden 17,3 %, mikä on maailman korkein valosähköinen muunnos. orgaanisten/polymeeristen aurinkokennojen nykyisessä kirjallisuudessa raportoitu tehokkuus nostaa orgaanisten aurinkokennojen tutkimuksen uudelle tasolle.
"Kiinan energiantarpeen 4,36 miljardia tonnia standardihiiliekvivalenttia vuonna 2016, jos orgaanisten aurinkokennojen valosähköistä muunnostehokkuutta nostetaan yhdellä prosenttiyksiköllä, vastaava energiantarve syntyy aurinkokennoista, mikä tarkoittaa, että hiilidioksidipäästöt voivat vähennetään noin 160 miljoonalla tonnilla vuodessa." Chen Yongsheng sanoi.
Jotkut sanovat, että pii on informaatioajan tärkein perusmateriaali ja sen merkitys on itsestään selvä. Chen Yongshengin mukaan piimateriaaleissa on kuitenkin myös haittapuolensa: "Puhumattakaan valtavista energia- ja ympäristökustannuksista, jotka piimateriaalien on maksettava valmistusprosessissa, sen kovia ja hauraita ominaisuuksia on vaikea täyttää tulevaisuuden ihmisen joustavia vaatimuksia. "puettavat" laitteet." Siksi joustaviin hiilimateriaaleihin perustuvat tekniset tuotteet, joissa on hyvä taitto, ovat uuden materiaalialan ennakoitavissa oleva kehityssuunta."
