Dall'uso dell'antico fuoco naturale, all'uso della perforazione del legno per il fuoco, all'uso del carbone e del petrolio, lo sviluppo della civiltà umana è essenzialmente lo sviluppo della capacità di utilizzo dell'energia. Finora, la civiltà umana e lo sviluppo economico si sono basati in gran parte sullo sviluppo e sull’utilizzo dell’energia fossile. Nel 21° secolo, a causa della preoccupazione per le riserve di energia fossile non rinnovabile sulla terra, nonché per il sempre più grave inquinamento ambientale derivante dallo sfruttamento e dall’uso dell’energia fossile, le persone esploreranno il campo dell’energia verde e sostenibile, come ad esempio energia solare, energia eolica, energia idrica...
"Solo risolvere il problema scientifico dell'uso efficiente dell'energia solare è la via per lo sviluppo sostenibile dell'umanità." Il professor Chen Yongsheng, della Facoltà di Chimica dell'Università di Nankai, ha affermato: "Il sole è la madre di tutte le cose e la 'fonte' di energia. Se l'energia solare che raggiunge la terra in qualsiasi momento potesse essere sfruttata a due parti su 10.000, l'intero fabbisogno energetico della società umana potrebbe essere soddisfatto. Grazie a ciò, il professor Chen Yongsheng e il suo team hanno condensato la loro missione di ricerca scientifica in una frase: "al sole per ottenere energia"!
1. Si prevede che le celle solari organiche verranno commercializzate
Nell'uso umano delle tecnologie dell'energia solare, le celle solari, cioè l'uso dell '"effetto fotovoltaico" per convertire direttamente l'energia luminosa in dispositivi di energia elettrica, sono attualmente ampiamente utilizzate, ma anche una delle tecnologie più promettenti.
Per molto tempo, per preparare le celle solari, le persone si sono basate maggiormente su materiali inorganici come il silicio cristallino. Tuttavia, la produzione di questo tipo di batteria presenta degli inconvenienti quali processi complicati, costi elevati, elevato consumo energetico e forte inquinamento. Trovare un nuovo materiale organico a basso costo, alta efficienza, forte flessibilità e rispetto dell'ambiente per sviluppare un nuovo tipo di cella solare sta diventando l'obiettivo degli scienziati di tutto il mondo.
"L'utilizzo del materiale di carbonio più abbondante sulla terra come materia prima di base, l'ottenimento di energia verde efficiente e a basso costo attraverso mezzi tecnici è di grande importanza per risolvere i principali problemi energetici che l'umanità deve affrontare attualmente." Chen Yongsheng ha affermato che la ricerca sull'elettronica organica e sui materiali funzionali organici (polimerici), iniziata negli anni '70, ha offerto opportunità per la realizzazione di questo obiettivo.
Rispetto ai materiali semiconduttori inorganici rappresentati dal silicio, i semiconduttori organici presentano molti vantaggi come basso costo, diversità dei materiali, funzione regolabile e stampa flessibile. Attualmente, i display basati su diodi organici a emissione di luce (OLed) sono stati prodotti commercialmente e sono ampiamente utilizzati nei display dei telefoni cellulari e dei televisori.
La cella solare organica basata su materiale polimerico organico come strato attivo fotosensibile presenta i vantaggi della diversità della struttura del materiale, della preparazione per la stampa a basso costo su un'ampia area, della flessibilità, della traslucenza e persino della trasparenza completa e presenta molte caratteristiche eccellenti che la tecnologia delle celle solari inorganiche non offre Avere. Oltre ad essere un normale dispositivo per la generazione di energia, ha anche un grande potenziale di applicazione in altri campi come l'integrazione degli edifici a risparmio energetico e i dispositivi indossabili, cosa che ha suscitato grande interesse nel mondo accademico e industriale.
"Soprattutto negli ultimi anni, la ricerca sulle celle solari organiche ha raggiunto un rapido sviluppo e l'efficienza della conversione fotoelettrica viene costantemente aggiornata." Al momento, la comunità scientifica ritiene generalmente che le celle solari organiche abbiano raggiunto "l'alba" della commercializzazione", ha detto Chen Yongsheng.
2. Superare il collo di bottiglia: sforzarsi di migliorare l'efficienza della conversione fotoelettrica
Il collo di bottiglia che limita lo sviluppo delle celle solari organiche è che l’efficienza di conversione fotoelettrica è bassa. Migliorare l’efficienza di conversione fotoelettrica è l’obiettivo primario della ricerca sulle celle solari organiche e la chiave per la sua industrializzazione. Pertanto, la preparazione di materiali attivi processabili in soluzione con alta efficienza, basso costo e buona riproducibilità è la base per migliorare l'efficienza di conversione fotoelettrica.
Chen Yongsheng ha spiegato che la prima ricerca sulle celle solari organiche si concentrava principalmente sulla progettazione e sulla sintesi di materiali donatori polimerici e che lo strato attivo era basato sull'eterostruttura complessiva dei recettori dei derivati del fullerene. Con il continuo avanzamento della ricerca correlata e i requisiti più elevati dei materiali nella tecnologia dei dispositivi, i materiali oligomolecolari solubilizzabili con struttura chimica determinabile hanno attirato un'intensa attenzione.
"Questi materiali presentano i vantaggi di una struttura semplice, di una facile purificazione e di una buona riproducibilità dei risultati dei dispositivi fotovoltaici." Chen Yongsheng ha affermato che nella fase iniziale, la maggior parte delle soluzioni di piccole molecole non erano adatte a formare film, quindi l’evaporazione veniva utilizzata principalmente per preparare i dispositivi, il che limitava notevolmente le loro prospettive di applicazione. Come progettare e sintetizzare materiali per strati attivi fotovoltaici con buone prestazioni e struttura molecolare determinata è un problema chiave riconosciuto dagli scienziati.
Con la sua acuta intuizione e un'attenta analisi del campo di ricerca, Chen Yongsheng ha selezionato in modo decisivo le nuove piccole molecole organiche e i materiali attivi oligomerici che potevano essere lavorati con la soluzione, che all'epoca presentava grandi rischi e sfide, come punto di svolta nella generazione di energia solare ricerca. Dalla progettazione di materiali molecolari all'ottimizzazione della preparazione di dispositivi fotovoltaici, Chen Yongsheng ha guidato il gruppo di ricerca scientifica a svolgere ricerche scientifiche giorno e notte e, dopo 10 anni di sforzi incessanti, ha finalmente costruito un materiale solare organico oligomerico a piccola molecola unico sistema.
Dall'efficienza del 5% a oltre il 10%, e poi al 17,3%, continuano a battere il record mondiale nel campo dell'efficienza di conversione fotovoltaica delle celle solari organiche. I loro concetti e metodi di progettazione sono stati ampiamente utilizzati dalla comunità scientifica. Negli ultimi dieci anni hanno pubblicato quasi 300 articoli accademici su riviste di fama internazionale e hanno richiesto più di 50 brevetti di invenzione.
3. Un piccolo passo per l’efficienza, un passo da gigante per l’energia
Chen Yongsheng sta riflettendo su quanto alta sarà l'efficienza delle celle solari organiche e se potranno finalmente competere con le celle solari a base di silicio. Dov'è il "punto dolente" dell'applicazione industriale delle celle solari organiche e come risolverlo?
Negli ultimi anni, sebbene la tecnologia delle celle solari organiche si sia sviluppata rapidamente, l’efficienza di conversione fotoelettrica ha superato il 14%, ma rispetto ai materiali inorganici e perovskiti costituiti da celle solari, l’efficienza è ancora bassa. Sebbene l'applicazione della tecnologia fotovoltaica debba considerare una serie di indicatori quali efficienza, costo e durata, l'efficienza è sempre al primo posto. Come sfruttare i vantaggi dei materiali organici, ottimizzare la progettazione dei materiali e migliorare la struttura della batteria e il processo di preparazione, in modo da ottenere una maggiore efficienza di conversione fotoelettrica?
Dal 2015, il team di Chen Yongsheng ha iniziato a condurre ricerche sulle celle solari laminate organiche. Egli ritiene che per raggiungere o addirittura superare l'obiettivo delle prestazioni tecniche delle celle solari basate su materiali inorganici, la progettazione di celle solari laminate sia una soluzione molto potenziale: le celle solari laminate organiche possono sfruttare appieno e sfruttare i vantaggi di materiali organici/polimerici, come diversità strutturale, assorbimento della luce solare e regolazione del livello di energia. Si ottiene un materiale dello strato attivo sottocella con un buon assorbimento complementare della luce solare, ottenendo così una maggiore efficienza fotovoltaica.
Sulla base delle idee di cui sopra, hanno utilizzato una serie di piccole molecole oligomeriche progettate e sintetizzate dal team per preparare celle solari laminate organiche al 12,7%, migliorando l'efficienza del campo delle celle solari organiche in quel momento, i risultati della ricerca sono stati pubblicati nel campo della prestigiosa rivista "Nature Photonics" e lo studio è stato selezionato come "I dieci migliori progressi nell'ottica cinese nel 2017".
Quanto spazio per migliorare l'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari organiche? Chen Yongsheng e il suo team hanno analizzato sistematicamente migliaia di pubblicazioni e dati sperimentali su materiali e dispositivi nel campo dell'energia solare organica e, combinati con l'accumulo delle proprie ricerche e risultati sperimentali, hanno previsto l'effettiva massima efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari organiche, comprese le celle multi- dispositivi a strati, nonché i requisiti dei parametri per i materiali a strati attivi ideali. Sulla base di questo modello, hanno selezionato i materiali dello strato attivo della cella anteriore e della cella posteriore con una buona capacità di assorbimento complementare nelle regioni del visibile e del vicino infrarosso e hanno ottenuto un'efficienza di conversione fotoelettrica verificata del 17,3%, che è la conversione fotoelettrica più alta al mondo efficienza riportata nella letteratura attuale delle celle solari organiche/polimeriche, spingendo la ricerca sulle celle solari organiche a un nuovo livello.
"Secondo la domanda energetica della Cina di 4,36 miliardi di tonnellate di carbone standard equivalente nel 2016, se l'efficienza di conversione fotoelettrica delle celle solari organiche viene aumentata di un punto percentuale, la corrispondente domanda di energia sarà generata dalle celle solari, il che significa che le emissioni di anidride carbonica possono essere ridotto di circa 160 milioni di tonnellate all'anno." Ha detto Chen Yongsheng.
Alcuni sostengono che il silicio sia il materiale di base più importante nell'era dell'informazione e la sua importanza è evidente. Tuttavia, secondo Chen Yongsheng, i materiali di silicio hanno anche i loro svantaggi: "Per non parlare degli enormi costi energetici e ambientali che i materiali di silicio devono pagare nel processo di preparazione, le sue caratteristiche dure e fragili sono difficili da soddisfare i requisiti flessibili del futuro essere umano." dispositivi 'indossabili'." Pertanto, i prodotti tecnici basati su materiali flessibili in carbonio con una buona piegatura saranno la direzione di sviluppo prevedibile della disciplina dei nuovi materiali."
