Eski doğal ateşin kullanılmasından, ateş için odun sondajına, kömür ve petrol kullanımına kadar insan uygarlığının gelişimi, esasen enerji kullanma yeteneğinin gelişmesidir. Şimdiye kadar insan medeniyeti ve ekonomik kalkınma büyük ölçüde fosil enerjinin geliştirilmesine ve kullanımına dayanmaktadır. 21. yüzyılda, yeryüzündeki yenilenemeyen fosil enerji rezervleri ile ilgili endişelerin yanı sıra, fosil enerjinin sömürülmesi ve kullanımından kaynaklanan giderek ciddileşen çevre kirliliği nedeniyle insanlar, yeşil sürdürülebilir enerji alanını keşfedecekler. güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, su enerjisi...
"İnsanlığın sürdürülebilir kalkınmasının yolu yalnızca güneş enerjisinin verimli kullanımına ilişkin bilimsel problemin çözülmesidir." Nankai Üniversitesi Kimya Fakültesi'nden Profesör Chen Yongsheng şunu ileri sürdü: "Güneş her şeyin anasıdır ve enerjinin 'kaynağı'dır. Herhangi bir zamanda dünyaya ulaşan güneş enerjisinin 10.000'de iki kısmı kullanılabilseydi, İnsan toplumunun tüm enerji talebi karşılanabildi. Bu nedenle, Profesör Chen Yongsheng ve ekibi bilimsel araştırma görevlerini tek bir cümlede yoğunlaştırdılar: "Enerji için güneşe"!
1. Organik güneş pillerinin ticarileşmesi bekleniyor
Güneş enerjisi teknolojilerinin insan kullanımında, güneş pilleri yani ışık enerjisini doğrudan elektrik enerjisi cihazlarına dönüştürmek için "fotovoltaik etkinin" kullanılması günümüzde yaygın olarak kullanılmakla birlikte, aynı zamanda en umut verici teknolojilerden biridir.
Uzun zamandır insanlar güneş pillerini hazırlamak için kristal silikon gibi inorganik malzemelere daha çok güveniyorlardı. Ancak bu tür pillerin üretiminin karmaşık süreç, yüksek maliyet, yüksek enerji tüketimi ve yoğun kirlilik gibi dezavantajları vardır. Yeni bir tür güneş pili geliştirmek için düşük maliyetli, yüksek verimli, güçlü esnekliğe ve çevre dostu yeni bir organik malzeme bulmak artık tüm dünyadaki bilim adamlarının hedefi haline geliyor.
"Yeryüzünde en çok bulunan karbon maddesinin temel hammadde olarak kullanılması, teknik yollarla verimli ve düşük maliyetli yeşil enerji elde edilmesi, günümüzde insanlığın karşı karşıya olduğu büyük enerji sorunlarının çözümü açısından büyük önem taşımaktadır." Chen Yongsheng, 1970'lerde başlayan organik elektronik ve organik (polimer) fonksiyonel malzemeler konusundaki araştırmaların bu hedefin gerçekleştirilmesi için fırsatlar sağladığını anlattı.
Silikonun temsil ettiği inorganik yarı iletken malzemelerle karşılaştırıldığında organik yarı iletken, düşük maliyet, malzeme çeşitliliği, ayarlanabilir fonksiyon ve esnek baskı gibi birçok avantaja sahiptir. Şu anda, organik ışık yayan diyotlara (OLed'ler) dayalı ekranlar ticari olarak üretilmekte ve cep telefonu ve TV ekranlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Işığa duyarlı aktif katman olarak organik polimer malzemeye dayanan organik güneş pili, malzeme yapısı çeşitliliği, geniş alanlı düşük maliyetli baskı hazırlığı, esneklik, yarı saydam ve hatta tam şeffaflık gibi avantajlara sahiptir ve inorganik güneş pili teknolojisinin sahip olmadığı birçok mükemmel özelliğe sahiptir. sahip olmak. Normal bir enerji üretim cihazı olmasının yanı sıra, akademi ve endüstride büyük ilgi uyandıran enerji tasarruflu bina entegrasyonu ve giyilebilir cihazlar gibi diğer alanlarda da büyük uygulama potansiyeline sahiptir.
"Özellikle son yıllarda organik güneş pilleri araştırmaları hızlı bir gelişme kaydetti ve fotoelektrik dönüşüm verimliliği sürekli yenileniyor." Şu anda bilim topluluğu genel olarak organik güneş pillerinin ticarileşmenin 'şafağına' ulaştığına inanıyor." Chen Yongsheng dedi.
2. Darboğazı aşın: fotoelektrik dönüşümün verimliliğini artırmaya çalışın
Organik güneş pillerinin gelişimini kısıtlayan darboğaz, fotoelektrik dönüşüm verimliliğinin düşük olmasıdır. Fotoelektrik dönüşüm verimliliğinin arttırılması, organik güneş pili araştırmalarının temel amacı ve sanayileşmesinin anahtarıdır. Bu nedenle, yüksek verimli, düşük maliyetli ve iyi tekrarlanabilirliğe sahip çözeltide işlenebilen aktif malzemelerin hazırlanması, fotoelektrik dönüşüm verimliliğinin arttırılmasının temelini oluşturur.
Chen Yongsheng, ilk organik güneş pili araştırmalarının esas olarak polimer donör malzemelerinin tasarımı ve sentezine odaklandığını ve aktif katmanın fulleren türevi reseptörlerinin toplu heteroyapısına dayandığını açıkladı. İlgili araştırmaların sürekli ilerlemesi ve cihaz teknolojisinde malzeme gereksinimlerinin artmasıyla birlikte, belirlenebilir kimyasal yapıya sahip çözünebilir oligomoleküler malzemeler yoğun ilgi görmüştür.
"Bu malzemeler basit yapı, kolay saflaştırma ve fotovoltaik cihaz sonuçlarının iyi tekrarlanabilirliği gibi avantajlara sahiptir." Chen Yongsheng, erken aşamada çoğu küçük moleküllü çözeltinin film oluşturmada iyi olmadığını, bu nedenle buharlaştırmanın esas olarak cihazları hazırlamak için kullanıldığını ve bunun da uygulama olanaklarını büyük ölçüde sınırladığını söyledi. İyi performansa ve belirlenmiş moleküler yapıya sahip fotovoltaik aktif katman malzemelerinin nasıl tasarlanacağı ve sentezleneceği, bilim adamları tarafından kabul edilen önemli bir sorundur.
Chen Yongsheng, keskin içgörüsü ve araştırma alanına ilişkin dikkatli analiziyle, güneş enerjisi üretiminin atılım noktası olarak, o dönemde büyük riskler ve zorluklar taşıyan, çözeltiyle işlenebilen yeni organik küçük molekülleri ve oligomerleri aktif malzemeleri kararlı bir şekilde seçti. araştırma. Moleküler malzemelerin tasarımından fotovoltaik cihazların hazırlanmasının optimizasyonuna kadar Chen Yongsheng, bilimsel araştırma ekibinin gece gündüz bilimsel araştırmalar yürütmesine öncülük etti ve 10 yıllık aralıksız çabaların ardından nihayet benzersiz bir oligomer küçük moleküllü organik güneş malzemesi inşa etti. sistem.
Verimliliği %5'ten %10'un üzerine ve ardından %17,3'e kadar organik güneş pillerinin fotovoltaik dönüşüm verimliliği alanında dünya rekorunu kırmaya devam ediyorlar. Tasarım konseptleri ve yöntemleri bilim camiası tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır. Son on yılda, uluslararası tanınmış dergilerde 300'e yakın akademik makale yayınladılar ve 50'den fazla buluş patentine başvurdular.
3. Verimlilik için küçük bir adım, enerji için dev bir adım
Chen Yongsheng, organik güneş pillerinin verimliliğine ne kadar yüksek ulaşılabileceğini ve sonunda silikon bazlı güneş pilleriyle rekabet edebileceklerini düşünüyor. Organik güneş pillerinin endüstriyel uygulamasının "acı noktası" nerede ve nasıl çözülebilir?
Son birkaç yılda organik güneş pili teknolojisi hızla gelişmesine rağmen fotoelektrik dönüşüm verimliliği %14'ü aştı ancak güneş pillerinden yapılan inorganik ve perovskit malzemelerle karşılaştırıldığında verimlilik hala düşük. Fotovoltaik teknolojisinin uygulanmasında verimlilik, maliyet, ömür gibi bir takım göstergelerin dikkate alınması gerekse de verimlilik her zaman ilk sırada yer almaktadır. Daha yüksek fotoelektrik dönüşüm verimliliği elde etmek için organik malzemelerin avantajlarından nasıl yararlanılır, malzeme tasarımı nasıl optimize edilir ve pil yapısı ve hazırlama süreci nasıl geliştirilir?
Chen Yongsheng'in ekibi 2015 yılından bu yana organik lamine güneş pilleri üzerine araştırmalar yürütmeye başladı. İnorganik malzemelere dayanan güneş pillerinin teknik performansı hedefine ulaşmak ve hatta bu hedefi aşmak için, lamine güneş pillerinin tasarımının çok potansiyel bir çözüm olduğuna inanıyor; organik lamine güneş pilleri, avantajlardan tam olarak yararlanabilir ve yararlanabilir. yapısal çeşitlilik, güneş ışığı emilimi ve enerji seviyesinin ayarlanması gibi organik/polimer malzemelerin kullanımı. İyi tamamlayıcı güneş ışığı emilimine sahip bir alt hücre aktif katman malzemesi elde edilir, böylece daha yüksek fotovoltaik verim elde edilir.
Yukarıdaki fikirlere dayanarak, %12,7 organik lamine güneş pilleri hazırlamak için ekip tarafından tasarlanan ve sentezlenen bir dizi oligomerik küçük molekül kullandılar ve o dönemde organik güneş pili alanının verimliliğini artırdılar. Araştırma sonuçları bu alanda yayınlandı. En iyi dergi "Nature Photonics" arasında yer aldı ve çalışma "2017'de Çin Optiğinde En İyi On Gelişme" seçildi.
Organik güneş pillerinin fotoelektrik dönüşüm verimliliğini artırmak için ne kadar yer var? Chen Yongsheng ve ekibi, organik güneş enerjisi alanındaki malzeme ve cihazlar hakkındaki binlerce literatürü ve deneysel verileri sistematik olarak analiz etti ve kendi araştırma birikimleri ve deneysel sonuçlarıyla birleştirerek, çoklu güneş pilleri de dahil olmak üzere organik güneş pillerinin gerçek maksimum fotoelektrik dönüşüm verimliliğini tahmin etti. katman cihazlarının yanı sıra ideal aktif katman malzemeleri için parametre gereksinimleri. Bu modele dayanarak, görünür ve yakın kızılötesi bölgelerde iyi tamamlayıcı soğurma kapasitesine sahip ön hücre ve arka hücrenin aktif katman malzemelerini seçtiler ve dünyanın en yüksek fotoelektrik dönüşümü olan %17,3'lük doğrulanmış bir fotoelektrik dönüşüm verimliliği elde ettiler. Mevcut organik/polimer güneş pilleri literatüründe bildirilen verimlilik, organik güneş pilleri araştırmalarını yeni bir boyuta taşıyor.
"Çin'in 2016 yılındaki 4,36 milyar ton standart kömür eşdeğeri enerji talebine göre, organik güneş pillerinin fotoelektrik dönüşüm verimliliği yüzde bir puan artırılırsa, buna karşılık gelen enerji talebi güneş pilleri tarafından üretiliyor, bu da karbondioksit emisyonlarının artabileceği anlamına geliyor." yılda yaklaşık 160 milyon ton azaltılacak." Chen Yongsheng dedi.
Bazıları silikonun bilgi çağındaki en önemli temel malzeme olduğunu ve öneminin ortada olduğunu söylüyor. Ancak Chen Yongsheng'e göre silikon malzemelerin dezavantajları da var: "Silikon malzemelerin hazırlık sürecinde ödemesi gereken büyük enerji ve çevresel maliyetlerden bahsetmiyorum bile, sert ve kırılgan özelliklerinin gelecekteki insanlığın esnek gereksinimlerini karşılaması zor. 'giyilebilir' cihazlar." Bu nedenle, iyi katlanabilen esnek karbon malzemelere dayanan teknik ürünler, yeni malzeme disiplininin öngörülebilir gelişim yönü olacaktır."
