开拓绿色能源自主创新之路

面向能源转化与存储的有机和碳纳米材料研究

  南开大学化学学院陈永胜教授团队完成的“面向能源转化与存储的有机和碳纳米材料研究”项目,获得了国家自然科学二等奖。

  陈永胜教授团队开发的有机太阳能电池器件光电转化效率多次刷新世界纪录。2018年,他们设计、制备的,具有高效、宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池材料和器件,实现了17.3%的光电转化效率,再次刷新了文献报道的有机/高分子太阳能电池光电转化效率的世界纪录。

  “如果能利用地球及未来最丰富的元素之一——碳及其材料为基本原料实现高效低成本的绿色能源技术,将对解决目前人类面临的重大能源问题具有重大意义。”陈永胜介绍,早期的有机太阳能电池研究主要集中在聚合物给体材料的设计合成,随着有机太阳能电池的飞速发展以及器件工艺对材料的更高要求,具有确定化学结构的可溶液处理寡聚小分子材料开始引起人们的强烈关注。

  “其中最重要的原因是这类材料具有结构单一、易提纯、光伏器件结果重现性好的特点。”陈永胜说,早期大多数小分子溶液处理成膜性不好,因此主要采用蒸镀的方法制备器件,使其应用前景受到很大限制。如何设计合成获得具有良好性能并有确定分子结构的光伏活性层材料是长期困扰各国研究者的关键难题。

  2004年,陈永胜到南开大学任教,建立了以碳材料为基础的绿色能源材料和应用研究团队,并在2007年开始进行有机太阳能发电和以碳纳米材料为基础的储电方面的研究。

  “当时整个领域处于低谷,光电转化效率在5%左右。许多研究者对有机太阳能电池的未来发展不抱信心。而作为最重要的碳纳米材料——石墨烯的研究,当时在国内还是空白。”陈永胜介绍,当时国外从事有机太阳能电池领域研究的团队几乎全部集中在传统聚合物活性材料上,如果进行这方面的研究风险会很小,但难以形成特色和实现重大突破。

  陈永胜团队设计合成了具有确定分子结构和精确相对分子质量的一系列高效有机光伏寡聚物材料,开创了以绕丹宁、茚满二酮等单元为端基,双键桥连A-D-A结构的、新型高效可溶液加工的光伏活性层材料体系。

  从效率5%到超过10%,再到2018年的17.3%,陈永胜带领团队多次刷新了有机太阳能电池领域光电转换效率的世界纪录。他们提出的设计理念和方法,发展的结构单元等被广泛应用。十几年来,他们在国际著名杂志发表了近300篇学术论文,申请了超过50篇发明专利,使中国真正引领了有机太阳能电池领域研究和发展。

  2015年,陈永胜团队开始进行有机叠层太阳能电池研究。通过对比无机材料和有机材料的特点,陈永胜认为,叠层太阳能电池是一个极具潜力的方案,它可以充分利用和发挥有机/高分子材料具有的结构多样性、太阳光吸收和能级可调节等优点,获得具有良好太阳光吸收互补的电池活性层材料,从而实现更高的光伏效率。

  “这一研究结果缩小了有机太阳能电池与其他光伏技术效率之间的差距,提升了人们对有机太阳能电池的信心。它同时表明:有机太阳能电池可以实现和无机材料同样的效率。”陈永胜说。

  “按照我国2016年43.6亿吨标准煤当量的能源需求计算,如果有机太阳能电池光电转化效率提高一个百分点,相应的能源需求由太阳能电池来产生,就意味着每年减少使用4000吨标准煤,与之相应地可减少二氧化碳排放约1.6亿吨。其社会和环境意义可见一斑。”陈永胜说。


关键字:纳米
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