Od wykorzystania starożytnego naturalnego ognia, poprzez wiercenie drewna do opału, aż po wykorzystanie węgla i ropy, rozwój cywilizacji ludzkiej polega zasadniczo na rozwoju zdolności wykorzystania energii. Jak dotąd cywilizacja człowieka i rozwój gospodarczy w dużej mierze opierają się na rozwoju i wykorzystaniu energii kopalnej. W XXI wieku, w związku z troską o zasoby nieodnawialnej energii kopalnej na Ziemi, a także coraz poważniejszym zanieczyszczeniem środowiska wynikającym z eksploatacji i wykorzystania energii kopalnej, ludzie będą eksplorować obszary zielonej, zrównoważonej energii, takie jak energia słoneczna, energia wiatru, energia wody...
„Drogą do zrównoważonego rozwoju ludzkości jest jedynie rozwiązanie naukowego problemu efektywnego wykorzystania energii słonecznej.” Profesor Chen Yongsheng z Wydziału Chemii Uniwersytetu Nankai stwierdził: „Słońce jest matką wszystkich rzeczy i «źródłem» energii. Gdyby energię słoneczną docierającą do Ziemi w dowolnym momencie można było ujarzmić w dwóch częściach na 10 000, Dzięki temu profesor Chen Yongsheng i jego zespół podsumowali swoją naukową misję badawczą w jednym zdaniu – „do słońca po energię”!
1. Oczekuje się, że organiczne ogniwa słoneczne zostaną wprowadzone na rynek
W wykorzystaniu przez człowieka technologii energii słonecznej, ogniwa słoneczne, czyli wykorzystanie „efektu fotowoltaicznego” do bezpośredniej konwersji energii świetlnej na urządzenia elektryczne, są obecnie szeroko stosowane, ale także jedną z najbardziej obiecujących technologii.
Przez długi czas przy wytwarzaniu ogniw słonecznych ludzie w większym stopniu opierali się na materiałach nieorganicznych, takich jak krzem krystaliczny. Jednakże produkcja tego rodzaju baterii ma wady, takie jak skomplikowany proces, wysokie koszty, wysokie zużycie energii i duże zanieczyszczenie. Znalezienie nowego materiału organicznego o niskim koszcie, wysokiej wydajności, dużej elastyczności i przyjazności dla środowiska w celu opracowania nowego typu ogniw słonecznych staje się obecnie celem naukowców na całym świecie.
„Wykorzystanie najobficiej występującego na Ziemi materiału węglowego jako podstawowego surowca, uzyskanie wydajnej i taniej zielonej energii za pomocą środków technicznych ma ogromne znaczenie dla rozwiązania głównych problemów energetycznych stojących obecnie przed ludzkością”. Chen Yongsheng przedstawił, że badania nad elektroniką organiczną i organicznymi (polimerowymi) materiałami funkcjonalnymi, rozpoczęte w latach 70. XX wieku, stworzyły możliwości realizacji tego celu.
W porównaniu z nieorganicznymi materiałami półprzewodnikowymi reprezentowanymi przez krzem, półprzewodnik organiczny ma wiele zalet, takich jak niski koszt, różnorodność materiałów, regulowana funkcja i elastyczny druk. Obecnie wyświetlacze oparte na organicznych diodach elektroluminescencyjnych (OLed) są produkowane na skalę przemysłową i są szeroko stosowane w wyświetlaczach telefonów komórkowych i telewizorów.
Organiczne ogniwo słoneczne oparte na organicznym materiale polimerowym jako światłoczułej warstwie aktywnej ma zalety polegające na różnorodności struktury materiału, tanim przygotowaniu do drukowania na dużych obszarach, elastyczności, półprzezroczystości, a nawet pełnej przezroczystości oraz ma wiele doskonałych właściwości, których nie ma technologia nieorganicznych ogniw słonecznych Posiadać. Oprócz tego, że jest zwykłym urządzeniem do wytwarzania energii, ma również ogromny potencjał zastosowania w innych dziedzinach, takich jak integracja budynków energooszczędnych i urządzenia do noszenia, co wzbudziło duże zainteresowanie w środowisku akademickim i przemyśle.
„Zwłaszcza w ostatnich latach badania nad organicznymi ogniwami słonecznymi osiągnęły szybki rozwój, a wydajność konwersji fotoelektrycznej jest stale odświeżana”. Obecnie społeczność naukowa ogólnie uważa, że organiczne ogniwa słoneczne osiągnęły „świt” komercjalizacji.” powiedział Chen Yongsheng.
2. Przełamać wąskie gardło: dążyć do poprawy wydajności konwersji fotoelektrycznej
Wąskim gardłem ograniczającym rozwój organicznych ogniw słonecznych jest niska wydajność konwersji fotoelektrycznej. Poprawa wydajności konwersji fotoelektrycznej jest głównym celem badań nad organicznymi ogniwami słonecznymi i kluczem do ich industrializacji. Dlatego przygotowanie przetwarzalnych w roztworze materiałów aktywnych o wysokiej wydajności, niskim koszcie i dobrej powtarzalności jest podstawą poprawy efektywności konwersji fotoelektrycznej.
Chen Yongsheng wprowadził, że wczesne badania nad organicznymi ogniwami słonecznymi skupiały się głównie na projektowaniu i syntezie materiałów będących donorami polimerów, a warstwa aktywna opierała się na heterostrukturze objętościowej receptorów pochodnych fulerenu. Wraz z ciągłym rozwojem badań w tym zakresie i coraz większymi wymaganiami stawianymi materiałom w technologii urządzeń, dużą uwagę zwracają rozpuszczalne materiały oligomolekularne o możliwej do określenia strukturze chemicznej.
„Materiały te mają zalety prostej struktury, łatwego oczyszczania i dobrej powtarzalności wyników urządzeń fotowoltaicznych”. Chen Yongsheng powiedział, że na wczesnym etapie większość roztworów małocząsteczkowych nie nadawała się dobrze do tworzenia błon, dlatego do przygotowania urządzeń stosowano głównie odparowanie, co znacznie ograniczało perspektywy ich zastosowania. Kluczowym problemem dostrzeganym przez naukowców jest projektowanie i synteza fotowoltaicznych materiałów z warstwą aktywną o dobrych parametrach i określonej strukturze molekularnej.
Dzięki swojemu wnikliwemu wglądowi i dokładnej analizie pola badawczego Chen Yongsheng zdecydowanie wybrał nowe organiczne materiały aktywne o małych cząsteczkach i oligomerach, które można przetwarzać za pomocą roztworów, co wiązało się wówczas z poważnymi zagrożeniami i wyzwaniami, jako przełomowy punkt w wytwarzaniu energii słonecznej badania. Od projektowania materiałów molekularnych po optymalizację przygotowania urządzeń fotowoltaicznych, Chen Yongsheng kierował zespołem badawczym, który dzień i noc przeprowadzał badania naukowe, a po 10 latach nieustannych wysiłków w końcu skonstruował unikalny oligomerowy, drobnocząsteczkowy organiczny materiał słoneczny system.
Od sprawności od 5% do ponad 10%, a następnie do 17,3%, w dalszym ciągu biją rekord świata w zakresie efektywności konwersji fotowoltaicznej organicznych ogniw słonecznych. Ich koncepcje projektowe i metody były szeroko stosowane przez społeczność naukową. W ciągu ostatniej dekady opublikowali prawie 300 artykułów naukowych w czasopismach o międzynarodowej renomie i zgłosili ponad 50 patentów na wynalazki.
3. Jeden mały krok w stronę wydajności, jeden wielki krok w stronę energii
Chen Yongsheng zastanawiał się, jak wysoką wydajność można osiągnąć organicznymi ogniwami słonecznymi i czy mogą one w końcu konkurować z ogniwami słonecznymi na bazie krzemu? Gdzie leży „ból” przemysłowego zastosowania organicznych ogniw słonecznych i jak go złamać?
W ciągu ostatnich kilku lat, mimo szybkiego rozwoju technologii organicznych ogniw słonecznych, sprawność konwersji fotoelektrycznej przekroczyła 14%, ale w porównaniu z materiałami nieorganicznymi i perowskitowymi wykonanymi z ogniw słonecznych, wydajność jest nadal niska. Chociaż zastosowanie technologii fotowoltaicznej powinno uwzględniać szereg wskaźników, takich jak wydajność, koszt i żywotność, wydajność jest zawsze na pierwszym miejscu. Jak wykorzystać zalety materiałów organicznych, zoptymalizować konstrukcję materiału oraz ulepszyć konstrukcję i proces przygotowania baterii, aby uzyskać wyższą efektywność konwersji fotoelektrycznej?
Od 2015 roku zespół Chen Yongshenga rozpoczął badania nad organicznymi laminowanymi ogniwami słonecznymi. Uważa on, że aby osiągnąć lub nawet przekroczyć cel, jakim są parametry techniczne ogniw słonecznych opartych na materiałach nieorganicznych, konstrukcja laminowanych ogniw słonecznych jest bardzo potencjalnym rozwiązaniem – organiczne laminowane ogniwa słoneczne mogą w pełni wykorzystać i wykorzystać zalety materiałów organicznych/polimerowych, takich jak różnorodność strukturalna, pochłanianie światła słonecznego i dostosowanie poziomu energii. Otrzymuje się materiał warstwy aktywnej subkomórkowej o dobrej komplementarnej absorpcji światła słonecznego, osiągając w ten sposób wyższą wydajność fotowoltaiczną.
W oparciu o powyższe pomysły wykorzystali serię oligomerycznych małych cząsteczek zaprojektowanych i zsyntetyzowanych przez zespół w celu przygotowania 12,7% organicznych laminowanych ogniw słonecznych, odświeżając wydajność ówczesnego pola organicznych ogniw słonecznych. Wyniki badań opublikowano w terenie czołowego czasopisma „Nature Photonics”, a badanie zostało uznane za „Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017”.
Ile miejsca na poprawę efektywności konwersji fotoelektrycznej organicznych ogniw słonecznych? Chen Yongsheng i jego zespół systematycznie analizowali tysiące literatury i danych eksperymentalnych na temat materiałów i urządzeń w dziedzinie organicznej energii słonecznej, a w połączeniu z wynikami własnych badań i eksperymentami przewidzieli rzeczywistą maksymalną wydajność konwersji fotoelektrycznej organicznych ogniw słonecznych, w tym wielo- urządzeń warstwowych, a także wymagania dotyczące parametrów idealnych materiałów warstwy aktywnej. Na podstawie tego modelu wyselekcjonowano materiały warstwy aktywnej ogniwa przedniego i ogniwa tylnego o dobrej uzupełniającej zdolności absorpcyjnej w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni, uzyskując zweryfikowaną skuteczność konwersji fotoelektrycznej wynoszącą 17,3%, co stanowi najwyższą na świecie konwersję fotoelektryczną wydajnością opisaną w aktualnej literaturze na temat organicznych/polimerowych ogniw słonecznych, co wypycha badania nad organicznymi ogniwami słonecznymi na nowy poziom.
„Zgodnie z zapotrzebowaniem Chin na energię wynoszącym 4,36 miliarda ton standardowego ekwiwalentu węgla w 2016 r., jeśli wydajność konwersji fotoelektrycznej w organicznych ogniwach słonecznych wzrośnie o jeden punkt procentowy, odpowiednie zapotrzebowanie na energię będzie generowane przez ogniwa słoneczne, co oznacza, że emisje dwutlenku węgla mogą zostać zmniejszona o około 160 milionów ton rocznie.” – powiedział Chen Yongsheng.
Niektórzy twierdzą, że krzem jest najważniejszym podstawowym materiałem w erze informacji, a jego znaczenie jest oczywiste. Jednak zdaniem Chen Yongshenga materiały krzemowe mają również swoje wady: „Nie wspominając o ogromnych kosztach energii i ochrony środowiska, jakie materiały krzemowe muszą ponieść w procesie przygotowania, ich twardość i kruchość są trudne do spełnienia elastycznych wymagań przyszłego człowieka urządzeń „noszonych””. Dlatego przewidywalnym kierunkiem rozwoju nowej dyscypliny materiałowej będą produkty techniczne oparte na elastycznych materiałach węglowych o dobrym fałdowaniu.”
