Desde a utilização do antigo fogo natural, à utilização da madeira perfurada para o fogo, à utilização do carvão e do petróleo, o desenvolvimento da civilização humana é essencialmente o desenvolvimento da capacidade de utilização da energia. Até agora, a civilização humana e o desenvolvimento económico baseiam-se em grande parte no desenvolvimento e utilização de energia fóssil. No século XXI, devido à preocupação com as reservas de energia fóssil não renováveis na Terra, bem como à poluição ambiental cada vez mais grave derivada da exploração e utilização de energia fóssil, as pessoas irão explorar o campo da energia verde sustentável, tal como energia solar, energia eólica, energia hídrica...
“Somente resolver o problema científico do uso eficiente da energia solar é o caminho para o desenvolvimento sustentável da humanidade.” O professor Chen Yongsheng, da Escola de Química da Universidade de Nankai, afirmou: "O sol é a mãe de todas as coisas e a 'fonte' de energia. Se a energia solar que atinge a Terra a qualquer momento pudesse ser aproveitada para duas partes por 10.000, toda a demanda energética da sociedade humana poderia ser atendida. Por causa disso, o professor Chen Yongsheng e sua equipe condensaram sua missão de pesquisa científica em uma frase - "ao sol em busca de energia"!
1. Espera-se que células solares orgânicas sejam comercializadas
No uso humano de tecnologias de energia solar, as células solares, ou seja, o uso do "efeito fotovoltaico" para converter diretamente a energia luminosa em dispositivos de energia elétrica, são atualmente amplamente utilizadas, mas também uma das tecnologias mais promissoras.
Durante muito tempo, as pessoas basearam-se mais em materiais inorgânicos, como o silício cristalino, para preparar células solares. No entanto, a produção deste tipo de bateria apresenta desvantagens como processo complicado, alto custo, alto consumo de energia e forte poluição. Encontrar um novo material orgânico com baixo custo, alta eficiência, forte flexibilidade e respeito ao meio ambiente para desenvolver um novo tipo de célula solar está agora se tornando o objetivo de cientistas de todo o mundo.
"Usar o material de carbono mais abundante do planeta como matéria-prima básica, obter energia verde eficiente e de baixo custo através de meios técnicos é de grande importância para resolver os principais problemas energéticos que a humanidade enfrenta atualmente." Chen Yongsheng apresentou que a pesquisa em eletrônica orgânica e materiais funcionais orgânicos (polímeros), iniciada na década de 1970, proporcionou oportunidades para a realização desse objetivo.
Comparado com materiais semicondutores inorgânicos representados pelo silício, o semicondutor orgânico tem muitas vantagens, como baixo custo, diversidade de materiais, função ajustável e impressão flexível. Atualmente, monitores baseados em diodos orgânicos emissores de luz (OLeds) têm sido produzidos comercialmente e são amplamente utilizados em telas de telefones celulares e TV.
A célula solar orgânica baseada em material polimérico orgânico como camada ativa fotossensível tem as vantagens da diversidade de estrutura do material, preparação de impressão de baixo custo em grandes áreas, flexibilidade, transparência translúcida e até mesmo total, e possui muitas características excelentes que a tecnologia de células solares inorgânicas não possui. ter. Além de ser um dispositivo normal de geração de energia, também tem grande potencial de aplicação em outras áreas, como integração predial com economia de energia e dispositivos vestíveis, o que tem despertado grande interesse na academia e na indústria.
"Especialmente nos últimos anos, a pesquisa de células solares orgânicas alcançou um rápido desenvolvimento e a eficiência da conversão fotoelétrica é constantemente atualizada." Atualmente, a comunidade científica geralmente acredita que as células solares orgânicas atingiram o ‘alvorecer’ da comercialização”, disse Chen Yongsheng.
2. Rompa o gargalo: esforce-se para melhorar a eficiência da conversão fotoelétrica
O gargalo que restringe o desenvolvimento de células solares orgânicas é que a eficiência de conversão fotoelétrica é baixa. Melhorar a eficiência da conversão fotoelétrica é o objetivo principal da pesquisa em células solares orgânicas e a chave para sua industrialização. Portanto, a preparação de materiais ativos processáveis em solução com alta eficiência, baixo custo e boa reprodutibilidade é a base para melhorar a eficiência da conversão fotoelétrica.
Chen Yongsheng introduziu que as primeiras pesquisas com células solares orgânicas se concentravam principalmente no design e síntese de materiais doadores de polímeros, e a camada ativa era baseada na heteroestrutura em massa de receptores derivados de fulereno. Com o avanço contínuo de pesquisas relacionadas e os maiores requisitos de materiais na tecnologia de dispositivos, materiais oligomoleculares solubilizáveis com estrutura química determinável têm atraído intensa atenção.
"Esses materiais têm as vantagens de estrutura simples, fácil purificação e boa reprodutibilidade dos resultados dos dispositivos fotovoltaicos." Chen Yongsheng disse que no estágio inicial, a maioria das soluções de moléculas pequenas não eram boas na formação de filmes, então a evaporação era usada principalmente para preparar dispositivos, o que limitava bastante suas perspectivas de aplicação. Como projetar e sintetizar materiais de camada ativa fotovoltaica com bom desempenho e estrutura molecular determinada é um problema-chave reconhecido pelos cientistas.
Com sua visão aguçada e análise cuidadosa do campo de pesquisa, Chen Yongsheng selecionou decisivamente as novas pequenas moléculas orgânicas e materiais ativos oligômeros que poderiam ser processados com solução, que apresentavam grandes riscos e desafios na época, como o ponto de ruptura da geração de energia solar pesquisar. Do design de materiais moleculares à otimização da preparação de dispositivos fotovoltaicos, Chen Yongsheng liderou a equipe de pesquisa científica para realizar pesquisas científicas dia e noite e, após 10 anos de esforços incessantes, finalmente construiu um material solar orgânico de pequena molécula de oligômero exclusivo sistema.
Da eficiência de 5% para mais de 10% e depois para 17,3%, eles continuam a quebrar o recorde mundial na área de eficiência de conversão fotovoltaica de células solares orgânicas. Seus conceitos e métodos de design têm sido amplamente utilizados pela comunidade científica. Na última década, publicaram cerca de 300 artigos acadêmicos em revistas de renome internacional e solicitaram mais de 50 patentes de invenção.
3. Um pequeno passo para a eficiência, um salto gigante para a energia
Chen Yongsheng tem pensado em quão alta a eficiência das células solares orgânicas pode ser alcançada e se elas podem finalmente competir com as células solares à base de silício? Onde está o “ponto problemático” da aplicação industrial de células solares orgânicas e como resolvê-lo?
Nos últimos anos, embora a tecnologia de células solares orgânicas tenha se desenvolvido rapidamente, a eficiência de conversão fotoelétrica excedeu 14%, mas em comparação com materiais inorgânicos e perovskita feitos de células solares, a eficiência ainda é baixa. Embora a aplicação da tecnologia fotovoltaica deva considerar uma série de indicadores como eficiência, custo e vida útil, a eficiência é sempre o primeiro. Como aproveitar as vantagens dos materiais orgânicos, otimizar o design do material e melhorar a estrutura e o processo de preparação da bateria, de forma a obter maior eficiência de conversão fotoelétrica?
Desde 2015, a equipe de Chen Yongsheng começou a realizar pesquisas em células solares laminadas orgânicas. Ele acredita que para atingir ou mesmo superar a meta de desempenho técnico das células solares baseadas em materiais inorgânicos, o design de células solares laminadas é uma solução muito potencial - as células solares laminadas orgânicas podem aproveitar ao máximo e aproveitar as vantagens de materiais orgânicos/poliméricos, como diversidade estrutural, absorção de luz solar e ajuste de nível de energia. Obtém-se um material de camada ativa subcelular com boa absorção complementar da luz solar, alcançando assim maior eficiência fotovoltaica.
Com base nas ideias acima, eles usaram uma série de pequenas moléculas oligoméricas projetadas e sintetizadas pela equipe para preparar células solares laminadas orgânicas de 12,7%, atualizando a eficiência do campo de células solares orgânicas naquela época, os resultados da pesquisa foram publicados na área da revista "Nature Photonics", e o estudo foi selecionado como "Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017".
Quanto espaço para melhorar a eficiência de conversão fotoelétrica de células solares orgânicas? Chen Yongsheng e sua equipe analisaram sistematicamente milhares de literaturas e dados experimentais sobre materiais e dispositivos no campo da energia solar orgânica e, combinados com seu próprio acúmulo de pesquisas e resultados experimentais, previram a eficiência máxima real de conversão fotoelétrica de células solares orgânicas, incluindo multi- dispositivos de camada, bem como os requisitos de parâmetros para materiais de camada ativa ideais. Com base neste modelo, eles selecionaram os materiais da camada ativa da célula frontal e da célula traseira com boa capacidade de absorção complementar nas regiões do visível e do infravermelho próximo, e obtiveram uma eficiência de conversão fotoelétrica verificada de 17,3%, que é a maior conversão fotoelétrica do mundo. eficiência relatada na literatura atual de células solares orgânicas/políméricas, levando a pesquisa de células solares orgânicas a um novo patamar.
"De acordo com a demanda energética da China de 4,36 bilhões de toneladas de equivalente padrão de carvão em 2016, se a eficiência de conversão fotoelétrica das células solares orgânicas for aumentada em um ponto percentual, a demanda de energia correspondente será gerada pelas células solares, o que significa que as emissões de dióxido de carbono podem ser reduzido em cerca de 160 milhões de toneladas por ano." Chen Yongsheng disse.
Algumas pessoas dizem que o silício é o material básico mais importante na era da informação e que sua importância é evidente. No entanto, na opinião de Chen Yongsheng, os materiais de silício também têm suas desvantagens: "Sem mencionar os enormes custos energéticos e ambientais que os materiais de silício precisam pagar no processo de preparação, suas características duras e quebradiças são difíceis de atender aos requisitos flexíveis do futuro humano dispositivos 'vestíveis'." Portanto, produtos técnicos baseados em materiais de carbono flexíveis com boa dobragem serão a direção de desenvolvimento previsível da nova disciplina de materiais."
