陈永胜及其科研团队摄 吴俊辉/光明影业
陈永胜教授团队制备的柔性有机太阳能电池器件。刘谦/光明影业摄
有机太阳能电池柔性特性示意图及本研究工作的主要结果
从古代利用自然火，到钻木取火，再到煤炭和石油的利用，人类文明的发展本质上就是能源利用能力的发展。 迄今为止，当代人类文明和经济发展很大程度上依赖于化石能源的开发利用。 进入21世纪，由于对地球上不可再生的化石能源储量的担忧以及化石能源的开采和使用造成的日益严重的环境污染，人们将目光转向了太阳能等绿色可持续能源领域。活力。 、风能、水能……
“只有解决太阳能高效利用的科学问题，才是人类可持续发展之路。” 南开大学化学学院教授陈永生断言：“太阳是万物之母，是能量的‘源泉’。太阳每时每刻到达地球，如果能利用20000%的光能，所有的光能都将被利用。”人类社会的能源需求就能得到满足。” 正因为如此，陈永胜教授和他的团队将自己的科研使命浓缩为一句话——“向太阳要能源”！ 1、有机太阳能电池有望商业化
在人类利用太阳能的各种技术中，太阳能电池，即利用“光伏效应”直接将光能转化为电能的装置，目前应用广泛，是最有前途的技术之一。
长期以来，人们制备的太阳能电池多以晶体硅等无机材料为主。 但这种电池生产存在工艺复杂、成本高、能耗高、污染重等缺点。 能否找到一种低成本、高效、灵活、环保的新型有机材料来开发新型太阳能电池，现在正成为全世界科学家努力奋斗的目标。
“以地球上最丰富的碳材料为基础原材料，通过技术手段获得高效、低成本的绿色能源，对于解决人类当前面临的重大能源问题具有极其重要的意义。” 陈永胜介绍，该公司于20世纪70年代开始进行有机电子和有机（高分子）功能材料的研究，为这一目标的实现提供了机遇。
与以硅为代表的无机半导体材料相比，有机半导体具有成本低廉、材料多样性、功能可调、印刷制备灵活等诸多优点。 目前，基于有机发光二极管（OLED）的显示器已经商业化生产，并广泛应用于手机和电视显示器。
以有机高分子材料为感光活性层的有机太阳能电池具有材料结构多样、可大面积低成本印刷制备、柔性、半透明甚至全透明等优点。 它们具有许多无机太阳能电池技术所不具备的优点。 特征。 除了作为普通发电装置外，在节能建筑一体化、可穿戴设备等其他领域也具有巨大的应用潜力，引起了学术界和工业界的极大兴趣。
“特别是近年来，有机太阳能电池的研究进展迅速，光电转换效率不断刷新。目前，科学界普遍认为有机太阳能电池已经到了商业化的‘黎明前夕’。” ” 陈永胜说道。 2、突破瓶颈：努力提高光电转换效率
制约有机太阳能电池发展的瓶颈是光电转换效率低。 提高光电转换效率是有机太阳能电池研究的首要目标，也是其产业化的关键。 因此，制备高效、低成本、重现性好的可溶液加工的活性材料是提高光电转换效率的基础。
陈永胜介绍，有机太阳能电池早期的研究主要集中在聚合物给体材料的设计与合成。 活性层是基于富勒烯衍生物受体的体异质结构。 随着相关研究的不断推进以及器件技术对材料的更高要求，具有明确化学结构的可溶液加工的低聚小分子材料开始引起人们的强烈关注。
“这类材料具有结构单一、易于纯化、光伏器件结果重现性好等优点。” 陈永胜表示，早期大多数小分子溶液成膜性较差，因此主要采用蒸发法来制备器件。 其应用前景受到很大限制。 如何设计合成具有良好合成性能和确定分子结构的光伏有源层材料是科学家们公认的关键问题。
陈永胜凭借对该研究领域的敏锐洞察力和缜密分析，果断选择了当时存在重大风险和挑战的新型可溶液加工有机小分子和低聚物活性材料开云手机平台，作为太阳能发电研究的突破点。 从分子材料设计到光伏器件制备优化，陈永胜带领科研团队夜以继日地开展科研攻关。 经过10年的不懈努力开云官方app下载站，他们终于构建了具有鲜明特色的低聚小分子有机太阳能材料体系。
从效率5%到10%以上，再到17.3%，他们不断刷新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在科学界得到广泛应用。 十年来，他们在国际著名杂志上发表学术论文近300篇，申请发明专利50余项。 3、转换效率一小步，能源产业一大步
陈永胜一直在思考：有机太阳能电池的效率能有多高，最终能否与硅基太阳能电池相媲美？ 有机太阳能电池产业化应用有哪些“痛点”以及如何解决？
过去几年，虽然有机太阳能电池技术发展迅速，光电转换效率已超过14%，但与无机和钙钛矿材料制成的太阳能电池相比，效率仍然较低。 虽然光伏技术的应用必须考虑效率、成本、寿命等诸多指标，但效率始终是第一位的。 如何通过优化材料设计、改进电池结构和制备工艺，充分发挥有机材料的优势，获得更高的光电转换效率？
从2015年开始kaiyun开云官方网站，陈永胜团队开始了有机串联太阳能电池的研究。 他认为，为了达到甚至超越基于无机材料的太阳能电池的技术性能目标开云手机平台，设计叠层太阳能电池是一个极具潜力的解决方案——有机叠层太阳能电池可以充分利用和发挥有机/聚合物材料的优势。 凭借结构多样性、太阳能吸收和能级可调等优点，可以获得具有良好太阳能吸收和互补性的子电池活性层材料，从而实现更高的光伏效率。
基于上述思路，他们利用团队设计合成的一系列低聚小分子制备出了12.7%的有机串联太阳能电池，刷新了当时有机太阳能电池领域的效率。 研究成果发表在该领域顶级期刊《Nature·Photonics》上。 该研究入选“2017年中国光学十大进展”。
有机太阳能电池的光电转换效率还有多大提升空间？ 陈永胜及其团队系统梳理和分析了数千篇有机太阳能领域材料和器件的文献和实验数据。 他们结合自己的研究积累和实验结果，预测了包括多层器件在内的有机太阳能电池实际可达到的最高性能。 理想有源层材料的光电转换效率及参数要求。 基于该模型，他们为前电池和后电池选择了在可见光和近红外区域具有良好互补吸收能力的活性层材料，并实现了17.3%的光电转换效率，这是目前报道的最高的有机/聚合物。迄今为止的文献。 太阳能电池光电转换效率的世界最高纪录，将有机太阳能电池的研究推向了一个新的水平。
“以2016年我国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的光电转换效率提高1个百分点，对应的能源需求由太阳能电池产生，意味着二氧化碳排放量减少每年可减少约1.6亿吨。”陈永胜说。
有人说，硅是信息时代最重要的基础材料，其重要性不言而喻。 但在陈永胜看来，硅材料也有其缺点：“且不说硅材料制备过程中需要巨大的能源和环境成本，其硬脆的特性也很难满足人类‘可穿戴’的灵活性。”因此，基于良好的可折叠柔性碳材料的技术产品将是新材料学科的可预见的发展方向。” （记者陈建强刘谦通讯员吴俊辉）
从古代利用自然火，到钻木取火，再到煤炭和石油的利用，人类文明的发展本质上就是能源利用能力的发展。 迄今为止，当代人类文明和经济发展很大程度上依赖于化石能源的开发利用。 进入21世纪，由于对地球上不可再生的化石能源储量的担忧以及化石能源的开采和使用造成的日益严重的环境污染，人们将目光转向了太阳能等绿色可持续能源领域。活力。 、风能、水能……
“只有解决太阳能高效利用的科学问题，才是人类可持续发展之路。” 南开大学化学学院教授陈永生断言：“太阳是万物之母，是能量的‘源泉’。太阳每时每刻到达地球，如果能利用20000%的光能，所有的光能都将被利用。”人类社会的能源需求就能得到满足。” 正因为如此，陈永胜教授和他的团队将自己的科研使命浓缩为一句话——“向太阳要能源”！ 1、有机太阳能电池有望商业化
在人类利用太阳能的各种技术中，太阳能电池，即利用“光伏效应”直接将光能转化为电能的装置，目前应用广泛，是最有前途的技术之一。
长期以来，人们制备的太阳能电池多以晶体硅等无机材料为主。 但这种电池生产存在工艺复杂、成本高、能耗高、污染重等缺点。 能否找到一种低成本、高效、灵活、环保的新型有机材料来开发新型太阳能电池，现在正成为全世界科学家努力奋斗的目标。
“以地球上最丰富的碳材料为基础原材料，通过技术手段获得高效、低成本的绿色能源，对于解决人类当前面临的重大能源问题具有极其重要的意义。” 陈永胜介绍，该公司于20世纪70年代开始进行有机电子和有机（高分子）功能材料的研究，为这一目标的实现提供了机遇。
与以硅为代表的无机半导体材料相比，有机半导体具有成本低廉、材料多样性、功能可调、印刷制备灵活等诸多优点。 目前，基于有机发光二极管（OLED）的显示器已经商业化生产，并广泛应用于手机和电视显示器。
以有机高分子材料为感光活性层的有机太阳能电池具有材料结构多样、可大面积低成本印刷制备、柔性、半透明甚至全透明等优点。 它们具有许多无机太阳能电池技术所不具备的优点。 特征。 除了作为普通发电装置外，在节能建筑一体化、可穿戴设备等其他领域也具有巨大的应用潜力，引起了学术界和工业界的极大兴趣。
“特别是近年来，有机太阳能电池的研究进展迅速，光电转换效率不断刷新。目前，科学界普遍认为有机太阳能电池已经到了商业化的‘黎明前夕’。” ” 陈永胜说道。 2、突破瓶颈：努力提高光电转换效率
制约有机太阳能电池发展的瓶颈是光电转换效率低。 提高光电转换效率是有机太阳能电池研究的首要目标，也是其产业化的关键。 因此，制备高效、低成本、重现性好的可溶液加工的活性材料是提高光电转换效率的基础。
陈永胜介绍，有机太阳能电池早期的研究主要集中在聚合物给体材料的设计与合成。 活性层是基于富勒烯衍生物受体的体异质结构。 随着相关研究的不断推进以及器件技术对材料的更高要求，具有明确化学结构的可溶液加工的低聚小分子材料开始引起人们的强烈关注。
“这类材料具有结构单一、易于纯化、光伏器件结果重现性好等优点。” 陈永胜表示，早期大多数小分子溶液成膜性较差，因此主要采用蒸发法来制备器件。 其应用前景受到很大限制。 如何设计合成具有良好合成性能和确定分子结构的光伏有源层材料是科学家们公认的关键问题。
陈永胜凭借对该研究领域的敏锐洞察力和缜密分析，果断选择了当时存在重大风险和挑战的新型可溶液加工有机小分子和低聚物活性材料，作为太阳能发电研究的突破点。 从分子材料设计到光伏器件制备优化，陈永胜带领科研团队夜以继日地开展科研攻关。 经过10年的不懈努力，他们终于构建了具有鲜明特色的低聚小分子有机太阳能材料体系。
效率从5%到10%以上，再到17.3%，不断刷新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在科学界得到广泛应用。 十年来，他们在国际著名杂志上发表学术论文近300篇，申请发明专利50余项。 3、转换效率一小步，能源产业一大步
陈永胜一直在思考：有机太阳能电池的效率能有多高，最终能否与硅基太阳能电池相媲美？ 有机太阳能电池产业化应用有哪些“痛点”以及如何解决？
过去几年，虽然有机太阳能电池技术发展迅速，光电转换效率已超过14%，但与无机和钙钛矿材料制成的太阳能电池相比，效率仍然较低。 虽然光伏技术的应用必须考虑效率、成本、寿命等诸多指标，但效率始终是第一位的。 如何通过优化材料设计、改进电池结构和制备工艺，充分发挥有机材料的优势，获得更高的光电转换效率？
从2015年开始，陈永胜团队开始了有机串联太阳能电池的研究。 他认为，为了达到甚至超越基于无机材料的太阳能电池的技术性能目标，设计叠层太阳能电池是一个极具潜力的解决方案——有机叠层太阳能电池可以充分利用和发挥有机/聚合物材料的优势。 凭借结构多样性、太阳能吸收和能级可调等优点，可以获得具有良好太阳能吸收和互补性的子电池活性层材料，从而实现更高的光伏效率。
基于上述思路，他们利用团队设计合成的一系列低聚小分子制备出了12.7%的有机串联太阳能电池，刷新了当时有机太阳能电池领域的效率。 研究成果发表在该领域顶级期刊《Nature·Photonics》上。 该研究入选“2017年中国光学十大进展”。
有机太阳能电池光电转换效率还有多大提升空间？ 陈永胜及其团队系统梳理和分析了数千篇有机太阳能领域材料和器件的文献和实验数据。 他们结合自己的研究积累和实验结果，预测了包括多层器件在内的有机太阳能电池实际可达到的最高性能。 理想有源层材料的光电转换效率及参数要求。 基于该模型，他们为前电池和后电池选择了在可见光和近红外区域具有良好互补吸收能力的活性层材料，并实现了17.3%的光电转换效率，这是目前报道的最高的有机/聚合物。迄今为止的文献。 太阳能电池光电转换效率的世界最高纪录，将有机太阳能电池的研究推向了一个新的水平。
“以2016年我国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的光电转换效率提高1个百分点，对应的能源需求由太阳能电池产生，意味着二氧化碳排放量减少每年可减少约1.6亿吨。”陈永胜说。
有人说，硅是信息时代最重要的基础材料，其重要性不言而喻。 但在陈永胜看来，硅材料也有其缺点：“且不说硅材料的制备过程中需要巨大的能源和环境成本，其硬脆的特性也很难满足人类‘可穿戴’的灵活性。”因此，基于良好的可折叠柔性碳材料的技术产品将是新材料学科的可预见的发展方向。” （陈建强、刘谦、吴俊辉）