از استفاده از آتش طبیعی باستانی گرفته تا استفاده از چوب حفاری برای آتش گرفته تا استفاده از زغال سنگ و نفت، توسعه تمدن بشر اساساً توسعه توانایی استفاده از انرژی است. تاکنون تمدن بشری و توسعه اقتصادی تا حد زیادی مبتنی بر توسعه و استفاده از انرژی های فسیلی است. در قرن بیست و یکم، با توجه به نگرانی در مورد ذخایر انرژی فسیلی تجدید ناپذیر روی زمین و همچنین آلودگی شدید زیست محیطی ناشی از بهره برداری و استفاده از انرژی های فسیلی، مردم به کاوش در زمینه انرژی های پایدار سبز مانند انرژی خورشیدی، انرژی باد، انرژی آب...
تنها حل مشکل علمی استفاده بهینه از انرژی خورشیدی راه توسعه پایدار بشر است. پروفسور چن یونگ‌شنگ، دانشکده شیمی دانشگاه نانکای، اظهار داشت: "خورشید مادر همه چیز و "منبع" انرژی است. به همین دلیل، پروفسور چن یونگ شنگ و تیمش مأموریت تحقیقاتی علمی خود را در یک جمله خلاصه کردند. خورشید برای انرژی"!
1. انتظار می رود سلول های خورشیدی آلی تجاری شوند
در استفاده انسان از فناوری های انرژی خورشیدی، سلول های خورشیدی، یعنی استفاده از "اثر فتوولتائیک" برای تبدیل مستقیم انرژی نور به دستگاه های انرژی الکتریکی، در حال حاضر به طور گسترده استفاده می شود، اما همچنین یکی از امیدوار کننده ترین فناوری ها است.
برای مدت طولانی، مردم بیشتر بر اساس مواد معدنی مانند سیلیکون کریستالی برای تهیه سلول های خورشیدی بوده اند. اما تولید این نوع باتری دارای معایبی از جمله فرآیند پیچیده، هزینه بالا، مصرف انرژی بالا و آلودگی زیاد است. یافتن یک ماده آلی جدید با هزینه کم، راندمان بالا، انعطاف پذیری قوی و سازگاری با محیط زیست برای توسعه نوع جدیدی از سلول های خورشیدی اکنون به هدف دانشمندان در سراسر جهان تبدیل شده است.
استفاده از فراوان‌ترین مواد کربنی روی زمین به‌عنوان ماده اولیه اولیه، دستیابی به انرژی سبز کارآمد و کم‌هزینه از طریق ابزارهای فنی برای حل مشکلات عمده انرژی که بشر در حال حاضر با آن مواجه است، اهمیت زیادی دارد. Chen Yongsheng معرفی کرد که تحقیقات الکترونیک آلی و مواد کاربردی آلی (پلیمری) که از دهه 1970 آغاز شد، فرصت هایی را برای تحقق این هدف فراهم کرده است.
در مقایسه با مواد نیمه هادی معدنی که توسط سیلیکون نشان داده می شود، نیمه هادی های آلی مزایای زیادی مانند هزینه کم، تنوع مواد، عملکرد قابل تنظیم و چاپ انعطاف پذیر دارد. در حال حاضر نمایشگرهای مبتنی بر دیودهای ساطع نور آلی (OLed) به صورت تجاری تولید شده اند و به طور گسترده در نمایشگرهای تلفن همراه و تلویزیون استفاده می شوند.
سلول خورشیدی آلی مبتنی بر مواد پلیمری آلی به عنوان لایه فعال حساس به نور دارای مزایای تنوع ساختار مواد، آماده سازی چاپ کم هزینه در مساحت وسیع، انعطاف پذیری، شفافیت و حتی شفافیت کامل است و دارای ویژگی های بسیار عالی است که فناوری سلول های خورشیدی معدنی آن را ندارد. دارند. این دستگاه علاوه بر اینکه یک دستگاه تولید برق معمولی است، دارای پتانسیل کاربردی زیادی در زمینه های دیگر مانند یکپارچه سازی ساختمان های صرفه جویی در انرژی و دستگاه های پوشیدنی است که علاقه زیادی را در دانشگاه و صنعت برانگیخته است.
به ویژه در سال‌های اخیر، تحقیقات در مورد سلول‌های خورشیدی آلی به توسعه سریعی دست یافته است و راندمان تبدیل فوتوالکتریک دائماً تجدید می‌شود.» در حال حاضر، جامعه علمی به طور کلی معتقد است که سلول های خورشیدی آلی به "سپیده دم" تجاری سازی رسیده اند." چن یونگ شنگ گفت.
2. شکستن از گلوگاه: تلاش برای بهبود کارایی تبدیل فوتوالکتریک
گلوگاهی که توسعه سلول های خورشیدی آلی را محدود می کند این است که راندمان تبدیل فوتوالکتریک پایین است. بهبود راندمان تبدیل فوتوالکتریک هدف اولیه تحقیقات سلول های خورشیدی آلی و کلید صنعتی شدن آن است. بنابراین، تهیه مواد فعال قابل پردازش با محلول با راندمان بالا، هزینه کم و قابلیت تکرار خوب، مبنایی برای بهبود راندمان تبدیل فوتوالکتریک است.
چن یونگ‌شنگ معرفی کرد که تحقیقات اولیه سلول‌های خورشیدی آلی عمدتاً بر طراحی و سنتز مواد اهداکننده پلیمر متمرکز بود و لایه فعال بر اساس ساختار ناهم‌ساختار گیرنده‌های مشتقات فولرن است. با پیشرفت مداوم تحقیقات مرتبط و نیازهای بیشتر مواد در فناوری دستگاه، مواد اولیگومولکولی قابل حل با ساختار شیمیایی قابل تعیین توجه شدیدی را به خود جلب کرده‌اند.
این مواد دارای مزایای ساختار ساده، تصفیه آسان و قابلیت تکرار خوب نتایج دستگاه فتوولتائیک هستند. چن یونگ‌شنگ گفت که در مراحل اولیه، اکثر محلول‌های مولکولی کوچک در تشکیل فیلم‌ها خوب نبودند، بنابراین تبخیر عمدتاً برای تهیه دستگاه‌ها استفاده می‌شد که چشم‌انداز کاربرد آنها را بسیار محدود می‌کرد. نحوه طراحی و سنتز مواد لایه فعال فتوولتائیک با عملکرد خوب و ساختار مولکولی مشخص، یک مشکل کلیدی است که توسط دانشمندان شناخته شده است.
چن یونگ‌شنگ با بینش دقیق و تجزیه و تحلیل دقیق خود در زمینه تحقیقات، مولکول‌های کوچک آلی جدید و مواد فعال الیگومری را که می‌توانستند با محلول پردازش شوند، که در آن زمان خطرات و چالش‌های عمده‌ای داشت، قاطعانه به عنوان نقطه پیشرفت تولید انرژی خورشیدی انتخاب کرد. تحقیق کنید. از طراحی مواد مولکولی تا بهینه‌سازی آماده‌سازی دستگاه‌های فتوولتائیک، چن یونگ‌شنگ تیم تحقیقاتی علمی را برای انجام تحقیقات علمی در شبانه روز رهبری کرد و پس از 10 سال تلاش بی‌وقفه، سرانجام یک ماده خورشیدی ارگانیک مولکول کوچک الیگومری ساخت. سیستم
از بازده 5 درصد به بیش از 10 درصد و سپس به 17.3 درصد، آنها همچنان به شکستن رکورد جهانی در زمینه راندمان تبدیل فتوولتائیک سلول های خورشیدی آلی ادامه می دهند. مفاهیم و روش های طراحی آنها به طور گسترده توسط جامعه علمی مورد استفاده قرار گرفته است. در طول دهه گذشته، آنها نزدیک به 300 مقاله دانشگاهی در مجلات مشهور بین المللی منتشر کرده اند و برای بیش از 50 اختراع اختراع درخواست داده اند.
3. یک گام کوچک برای بهره وری، یک جهش بزرگ برای انرژی
چن یونگ‌شنگ به این فکر کرده است که بازده سلول‌های خورشیدی آلی چقدر می‌تواند به دست آید و آیا در نهایت می‌توانند با سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون رقابت کنند؟ "نقطه درد" کاربرد صنعتی سلول های خورشیدی آلی کجاست و چگونه می توان آن را ترک کرد؟
در چند سال گذشته، اگرچه فناوری سلول های خورشیدی آلی به سرعت توسعه یافته است، بازده تبدیل فوتوالکتریک از 14٪ فراتر رفته است، اما در مقایسه با مواد معدنی و پروسکایتی ساخته شده از سلول های خورشیدی، راندمان هنوز پایین است. اگرچه کاربرد فناوری فتوولتائیک باید تعدادی از شاخص‌ها مانند کارایی، هزینه و عمر را در نظر بگیرد، اما بازده همیشه اولین است. چگونه می توان از مزایای مواد آلی استفاده کرد، طراحی مواد را بهینه کرد و ساختار باتری و فرآیند آماده سازی را بهبود بخشید تا بازده تبدیل فوتوالکتریک بالاتری به دست آید؟
از سال 2015، تیم Chen Yongsheng شروع به انجام تحقیقات روی سلول های خورشیدی چند لایه آلی کرده است. او معتقد است که برای رسیدن یا حتی فراتر از هدف عملکرد فنی سلول‌های خورشیدی مبتنی بر مواد معدنی، طراحی سلول‌های خورشیدی چند لایه راه‌حل بسیار بالقوه‌ای است - سلول‌های خورشیدی چند لایه آلی می‌توانند به طور کامل از آن استفاده کرده و از مزایای آن استفاده کنند. از مواد آلی/پلیمری، مانند تنوع ساختاری، جذب نور خورشید و تنظیم سطح انرژی. یک ماده لایه فعال زیر سلولی با جذب مکمل خوب نور خورشید به دست می آید، در نتیجه راندمان فتوولتائیک بالاتری حاصل می شود.
بر اساس ایده های فوق، آنها از یک سری مولکول های کوچک الیگومری طراحی و سنتز شده توسط این تیم برای تهیه سلول های خورشیدی چند لایه آلی 12.7 درصد استفاده کردند که کارایی میدان سلول های خورشیدی آلی را در آن زمان تازه کرد، نتایج تحقیق در این زمینه منتشر شد. از مجله برتر "Nature Photonics" و این مطالعه به عنوان "ده پیشرفت برتر در اپتیک چین در سال 2017" انتخاب شد.
چقدر فضا برای بهبود راندمان تبدیل فوتوالکتریک سلول های خورشیدی آلی وجود دارد؟ چن یونگ‌شنگ و تیمش به‌طور سیستماتیک هزاران مقاله و داده‌های تجربی را در مورد مواد و دستگاه‌ها در زمینه انرژی خورشیدی آلی تجزیه و تحلیل کردند و در ترکیب با انباشت تحقیقات و نتایج تجربی خود، حداکثر بازده واقعی تبدیل فوتوالکتریک سلول‌های خورشیدی آلی را پیش‌بینی کردند. دستگاه های لایه، و همچنین پارامترهای مورد نیاز برای مواد لایه فعال ایده آل. بر اساس این مدل، آنها مواد لایه فعال سلول جلویی و سلول عقب را با ظرفیت جذب مکمل خوب در مناطق مرئی و مادون قرمز نزدیک انتخاب کردند و بازده تبدیل فوتوالکتریک تایید شده 17.3٪ را به دست آوردند که بالاترین تبدیل فوتوالکتریک در جهان است. بازده گزارش شده در ادبیات فعلی سلول های خورشیدی آلی/پلیمری، تحقیقات سلول های خورشیدی آلی را به ارتفاع جدیدی سوق می دهد.
با توجه به نیاز انرژی چین به 4.36 میلیارد تن معادل استاندارد زغال سنگ در سال 2016، اگر بازده تبدیل فوتوالکتریک سلول های خورشیدی آلی یک درصد افزایش یابد، تقاضای انرژی مربوطه توسط سلول های خورشیدی تولید می شود، به این معنی که انتشار دی اکسید کربن می تواند حدود 160 میلیون تن در سال کاهش یابد. چن یونگ شنگ گفت.
برخی افراد می گویند سیلیکون مهمترین ماده اولیه در عصر اطلاعات است و اهمیت آن بدیهی است. با این حال، از نظر چن یونگ‌شنگ، مواد سیلیکونی معایب خود را نیز دارند: «بدون اشاره به هزینه‌های انرژی و محیطی هنگفتی که مواد سیلیکونی در فرآیند آماده‌سازی باید بپردازند، ویژگی‌های سخت و شکننده آن برای برآوردن نیازهای انعطاف‌پذیر انسان آینده دشوار است. دستگاه های پوشیدنی." بنابراین، محصولات فنی مبتنی بر مواد کربنی منعطف با تاشو خوب، جهت توسعه قابل پیش‌بینی رشته مواد جدید خواهند بود.»
