陳永勝和他的科研團(tuán)隊(duì) 吳軍輝攝/光明圖片
陳永勝教授團(tuán)隊(duì)制備的柔性有機(jī)太陽能電池器件。劉茜攝/光明圖片
有機(jī)太陽能電池的柔性特征和該研究工作的主要結(jié)果示意圖
從遠(yuǎn)古自然火的利用，到鉆木取火，直至煤炭、石油的利用，人類文明的發(fā)展本質(zhì)上是能源利用能力的發(fā)展。迄今為止，人類當(dāng)代文明和經(jīng)濟(jì)發(fā)展很大程度上是建立在化石能源開發(fā)利用的基礎(chǔ)之上。到了21世紀(jì)，由于對地球上不可再生的化石能源儲(chǔ)量的擔(dān)憂，以及化石能源在開采與使用過程中衍生的日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染，使得人們將探索的目光投向綠色可持續(xù)的能源領(lǐng)域，比如太陽能、風(fēng)能、水能……
“唯有解決高效利用太陽能的科學(xué)問題，才是人類永續(xù)發(fā)展之路。”南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授斷言，“太陽是萬物之母，能源之‘源’。每時(shí)每刻抵達(dá)地球的太陽光能量若能被利用萬分之二，即可滿足目前人類社會(huì)的全部能源需求。”也正因?yàn)槿绱耍愑绖俳淌诤退膱F(tuán)隊(duì)將自己的科研使命濃縮為一句話——“向太陽要能源”！
1.有機(jī)太陽能電池有望商業(yè)化應(yīng)用
在人類利用太陽能的各項(xiàng)技術(shù)中，太陽能電池，即利用“光生伏打效應(yīng)”將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的器件，是當(dāng)前已獲得廣泛應(yīng)用，同時(shí)也是最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。
長期以來，人們更多地以晶硅等無機(jī)材料為基礎(chǔ)制備太陽能電池。但是這種電池生產(chǎn)存在工藝復(fù)雜、成本高、能耗大、污染重等弊端。能否找到一種成本低、效率高、柔性強(qiáng)、環(huán)境友好的新型有機(jī)材料研制出新型太陽能電池，眼下正成為世界各國科學(xué)家孜孜以求的目標(biāo)。
“以地球上最豐富的碳材料為基本原料，通過技術(shù)手段獲得高效低成本的綠色能源，對于解決目前人類面臨的重大能源問題具有極其重大的意義。”陳永勝介紹，從20世紀(jì)70年代起步的有機(jī)電子學(xué)及有機(jī)（高分子）功能材料的研究，為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了機(jī)遇。
與以硅為代表的無機(jī)半導(dǎo)體材料相比，有機(jī)半導(dǎo)體具有成本低、材料多樣性、功能可調(diào)、可柔性印刷制備等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前，基于有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）的顯示屏已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，并在手機(jī)和電視顯示屏中獲得廣泛應(yīng)用。
而基于有機(jī)高分子材料作為光敏活性層的有機(jī)太陽能電池，具有材料結(jié)構(gòu)多樣性、可大面積低成本印刷制備、柔性、半透明甚至全透明等優(yōu)點(diǎn)，具有無機(jī)太陽能電池技術(shù)所不具備的許多優(yōu)良特性。除了作為正常的發(fā)電裝置外，在其他領(lǐng)域如節(jié)能建筑一體化、可穿戴設(shè)備等方面亦具有巨大的應(yīng)用潛力，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。
“特別是近年來，有機(jī)太陽能電池的研究獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光電轉(zhuǎn)化效率不斷刷新。目前科學(xué)界普遍認(rèn)為有機(jī)太陽能電池已經(jīng)到了商業(yè)化的‘黎明前夕’。”陳永勝說。
2.突破瓶頸：努力提高光電轉(zhuǎn)化效率
制約有機(jī)太陽能電池發(fā)展的瓶頸在于光電轉(zhuǎn)化效率偏低。提高光電轉(zhuǎn)化效率是有機(jī)太陽能電池研究的首要目標(biāo)，也是其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。因此，制備出高效率、低成本以及重現(xiàn)性良好的可溶液加工活性材料，則是提高光電轉(zhuǎn)化效率的基礎(chǔ)。
陳永勝介紹，早期的有機(jī)太陽能電池的研究主要集中在聚合物的給體材料的設(shè)計(jì)合成，活性層是基于富勒烯衍生物受體的本體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。隨著相關(guān)研究的不斷推進(jìn)，以及器件工藝對材料的更高要求，具有確定化學(xué)結(jié)構(gòu)的可溶液處理寡聚小分子材料開始引起人們的強(qiáng)烈關(guān)注。
“這類材料具有結(jié)構(gòu)單一、易提純、光伏器件結(jié)果重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。”陳永勝說，早期，大多數(shù)小分子溶液處理成膜性不好，因此主要采用蒸鍍的方法制備器件，使其應(yīng)用前景受到很大限制。如何設(shè)計(jì)合成性能良好并具有確定分子結(jié)構(gòu)的光伏活性層材料，是科學(xué)家們公認(rèn)的關(guān)鍵難題。
憑借對該研究領(lǐng)域敏銳的洞察力和審慎分析，陳永勝果斷選擇了當(dāng)時(shí)具有重大風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)的新型可溶液加工處理的有機(jī)小分子和寡聚物活性材料作為太陽能發(fā)電研究的突破點(diǎn)。從分子材料設(shè)計(jì)，到光伏器件的制備優(yōu)化，陳永勝帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)夜以繼日展開科研攻關(guān)，經(jīng)過10年的不懈努力，終于建構(gòu)出具有鮮明特色的寡聚小分子有機(jī)太陽能材料體系。
從效率5%到超過10%，再到17.3%，他們在不斷刷新有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域光電轉(zhuǎn)化效率的世界紀(jì)錄。他們提出的設(shè)計(jì)理念和方法被科學(xué)界廣泛應(yīng)用。十幾年來，他們在國際著名雜志發(fā)表了近300篇學(xué)術(shù)論文，申請獲得50多項(xiàng)發(fā)明專利。
3.轉(zhuǎn)化效率一小步，能源界一大步
陳永勝一直在思考：有機(jī)太陽能電池到底能達(dá)到多高的效率，能否最終媲美硅基太陽能電池？有機(jī)太陽能電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的“痛點(diǎn)”在哪里，如何去破解？
在過去幾年中，雖然有機(jī)太陽能電池技術(shù)發(fā)展迅速，光電轉(zhuǎn)化效率已突破14%，但是與無機(jī)和鈣鈦礦等材料制備的太陽能電池相比，效率仍然偏低。雖然光伏技術(shù)應(yīng)用要考慮效率、成本和壽命等多項(xiàng)指標(biāo)，但效率始終是第一位的。如何發(fā)揮有機(jī)材料的優(yōu)勢，通過優(yōu)化材料設(shè)計(jì)和改進(jìn)電池結(jié)構(gòu)及制備工藝，從而獲得更高的光電轉(zhuǎn)化效率？
從2015年開始，陳永勝團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)行有機(jī)疊層太陽能電池方面研究。他認(rèn)為，要達(dá)到甚至超過以無機(jī)材料為基礎(chǔ)的太陽能電池技術(shù)性能的目標(biāo)，設(shè)計(jì)疊層太陽能電池是一個(gè)極具潛力的方案——有機(jī)疊層太陽能電池可以充分利用和發(fā)揮有機(jī)/高分子材料具有的結(jié)構(gòu)多樣性、太陽光吸收和能級可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，獲得具有良好太陽光吸收互補(bǔ)的子電池活性層材料，從而實(shí)現(xiàn)更高的光伏效率。
基于上述思路，他們利用團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成的系列寡聚小分子制備獲得12.7%的有機(jī)疊層太陽能電池，刷新了當(dāng)時(shí)有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域的效率，研究結(jié)果發(fā)表在領(lǐng)域頂級期刊《自然·光子學(xué)》，該項(xiàng)研究入選“2017年中國光學(xué)十大進(jìn)展”。
有機(jī)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率究竟有多少提升空間？陳永勝和他的團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)梳理分析了目前有機(jī)太陽能領(lǐng)域材料和器件方面數(shù)以千計(jì)的文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合自身的研究積累和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，預(yù)測出有機(jī)太陽能電池包括多層器件實(shí)際可達(dá)到的最高光電轉(zhuǎn)化效率，以及對理想活性層材料的參數(shù)要求。基于此模型，他們選用在可見和近紅外區(qū)域具有良好互補(bǔ)吸收能力的前電池和后電池的活性層材料，獲得了驗(yàn)證效率為17.3%的光電轉(zhuǎn)化效率，這是目前文獻(xiàn)報(bào)道的有機(jī)/高分子太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的世界最高紀(jì)錄，把有機(jī)太陽能電池的研究推向了一個(gè)新的高度。
“按照我國2016年43.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量的能源需求計(jì)算，如果有機(jī)太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率提高一個(gè)百分點(diǎn)，相應(yīng)的能源需求由太陽能電池來產(chǎn)生，就意味著每年可減少二氧化碳排放約1.6億噸。”陳永勝說。
有人說，硅是信息時(shí)代最重要的基礎(chǔ)性材料，其重要性不言而喻。但在陳永勝看來，硅材料也有其缺點(diǎn)：“且不說硅材料在制備過程中需要付出巨大的能源和環(huán)境代價(jià)，它的硬、脆特性也難以滿足未來人類對于‘可穿戴’器件的柔性要求。因此，以具有良好的可折疊的柔性碳材料為基礎(chǔ)的技術(shù)產(chǎn)品將是新材料學(xué)科可預(yù)見的發(fā)展方向。”（記者 陳建強(qiáng) 劉茜 通訊員 吳軍輝）