古代の自然の火の利用から、火のための木材の穴あけ、石炭や石油の利用に至るまで、人類文明の発展は本質的にエネルギー利用能力の発展です。これまで人類の文明と経済発展は化石エネルギーの開発と利用に大きく依存してきました。 21 世紀には、地球上の再生不可能な化石エネルギー埋蔵量と、化石エネルギーの開発と使用に起因するますます深刻な環境汚染に対する懸念により、人々は次のようなグリーンで持続可能なエネルギー分野を模索するでしょう。太陽エネルギー、風力エネルギー、水エネルギー...
「太陽エネルギーの効率的な利用という科学的問題を解決することのみが、人類の持続可能な発展への道です。」南開大学化学部の陳永生教授は、「太陽は万物の母であり、エネルギーの『源』です。いつでも地球に届く太陽エネルギーを1万分の2の割合で利用できれば、このおかげで、チェン・ヨンシェン教授と彼のチームは、科学研究の使命を「エネルギーを求めて太陽へ」という一文に凝縮しました。
1. 実用化が期待される有機太陽電池
人間による太陽エネルギー技術の利用では、太陽電池、つまり光エネルギーを電気エネルギー装置に直接変換する「光起電力効果」の利用が現在広く使用されていますが、最も有望な技術の1つでもあります。
長い間、人々は太陽電池を製造するために結晶シリコンなどの無機材料に基づいてきました。しかし、この種の電池の製造には、複雑なプロセス、高コスト、高エネルギー消費、重度の汚染などの欠点があります。新しいタイプの太陽電池を開発するために、低コスト、高効率、強い柔軟性、環境に優しい新しい有機材料を見つけるかどうかが、現在、世界中の科学者の目標となっています。
「地球上で最も豊富に存在する炭素素材を基本原料として用い、技術的手段により効率的かつ低コストのグリーンエネルギーを得るということは、現在人類が直面している主要なエネルギー問題を解決する上で極めて重要である。」 Chen Yongsheng 氏は、1970 年代に始まった有機エレクトロニクスと有機 (ポリマー) 機能材料の研究がこの目標を実現する機会を提供したと紹介しました。
有機半導体はシリコンに代表される無機半導体材料と比較して、低コスト、材料の多様性、機能の調整可能、印刷の柔軟性など多くの利点を持っています。現在、有機発光ダイオード（OLed）をベースとしたディスプレイが商業的に生産されており、携帯電話やテレビのディスプレイに広く使用されています。
感光性活性層として有機ポリマー材料をベースとする有機太陽電池は、材料構造の多様性、大面積で低コストの印刷準備、柔軟性、半透明、さらには完全な透明性などの利点があり、無機太陽電池技術にはない多くの優れた特性を備えています。持っている。通常の発電デバイスとしてだけでなく、省エネビル統合やウェアラブルデバイスなど、他の分野でも大きな応用可能性を秘めており、学界や産業界から大きな関心を集めています。
「特に近年、有機太陽電池の研究は急速な発展を遂げており、光電変換効率は常に更新されています。」現在、科学界は有機太陽電池が商業化の「夜明け」に達したと一般的に信じている」と陳永勝氏は語った。
2. ボトルネックの打破：光電変換効率の向上を図る
有機太陽電池の開発を阻むネックは、光電変換効率が低いことである。光電変換効率の向上は有機太陽電池研究の最大の目標であり、産業化の鍵となります。したがって、高効率、低コスト、良好な再現性を備えた溶液処理可能な活物質の調製は、光電変換効率を向上させるための基礎となります。
Chen Yongsheng 氏は、初期の有機太陽電池研究は主にポリマードナー材料の設計と合成に焦点を当てており、活性層はフラーレン誘導体受容体のバルクヘテロ構造に基づいていたと紹介しました。関連研究の継続的な進歩とデバイス技術における材料への要求の高まりに伴い、決定可能な化学構造を有する可溶性オリゴ分子材料が強い注目を集めています。
「これらの材料には、単純な構造、簡単な精製、および光起電力デバイスの結果の良好な再現性という利点があります。」 Chen Yongsheng 氏は、初期段階では、ほとんどの低分子溶液は膜の形成が苦手であったため、デバイスの作製には主に蒸着が使用され、その応用の可能性が大幅に制限されていたと述べました。優れた性能と決定された分子構造を備えた太陽光発電活性層材料をどのように設計および合成するかは、科学者によって認識されている重要な問題です。
陳永生氏は、鋭い洞察力と研究分野の慎重な分析により、当時大きなリスクと課題を抱えていた、溶液で加工できる新しい有機小分子とオリゴマー活物質を太陽光発電のブレークスルーポイントとして決定的に選択しました。研究。分子材料の設計から太陽光発電デバイスの製造の最適化に至るまで、陳永生氏は科学研究チームを率いて昼夜を問わず科学研究を実施し、10年間の絶え間ない努力の末、ついに独自のオリゴマー小分子有機太陽材料を構築した。システム。
効率は 5% から 10% 以上、そして 17.3% に達し、有機太陽電池の光電変換効率の分野で世界記録を更新し続けています。彼らの設計コンセプトと手法は科学界で広く使用されています。過去 10 年間で、彼らは国際的に有名な雑誌に約 300 件の学術論文を発表し、50 件以上の発明特許を申請しました。
3. 効率化への小さな一歩、エネルギーへの大きな飛躍
Chen Yongsheng 氏は、有機太陽電池の効率をどれだけ高めることができるか、そして最終的にはシリコンベースの太陽電池と競合できるかどうかについて考えてきました。有機太陽電池の産業応用における「問題点」はどこにあるのか、そしてそれをどのように解決するのか?
ここ数年、有機太陽電池技術が急速に発展し、光電変換効率は14%を超えていますが、無機材料やペロブスカイト材料の太陽電池と比べると効率はまだ低いです。太陽光発電技術の応用では、効率、コスト、寿命などの多くの指標を考慮する必要がありますが、常に効率が最優先されます。有機材料の利点を活かし、材料設計を最適化し、電池構造や作製プロセスを改善することで、より高い光電変換効率を得るにはどうすればよいでしょうか。
2015年以来、Chen Yongsheng氏のチームは有機積層型太陽電池の研究を開始した。彼は、無機材料をベースにした太陽電池の技術的性能の目標を達成、あるいはそれを超えるためには、積層型太陽電池の設計が非常に潜在的な解決策であると信じています。有機積層型太陽電池は、その利点を最大限に活用し、活用することができます。構造の多様性、太陽光の吸収、エネルギーレベルの調整など、有機/ポリマー材料の研究。良好な補完太陽光吸収を備えたサブセル活性層材料が得られ、これにより、より高い光起電力効率が達成される。
上記の考えに基づいて、彼らはチームによって設計および合成された一連のオリゴマー小分子を使用して12.7%の有機積層型太陽電池を調製し、当時の有機太陽電池分野の効率を一新し、研究結果はこの分野で発表されました。トップジャーナル「Nature Photonics」の論文賞に選ばれ、この研究は「2017 年の中国光学分野のトップ 10 の進歩」に選ばれました。
有機太陽電池の光電変換効率にはどの程度改善の余地があるのでしょうか？ Chen Yongsheng と彼のチームは、有機太陽エネルギー分野の材料とデバイスに関する数千の文献と実験データを体系的に分析し、独自の研究蓄積と実験結果を組み合わせて、マルチ太陽電池を含む有機太陽電池の実際の最大光電変換効率を予測しました。層デバイス、および理想的な活性層材料のパラメータ要件。このモデルに基づき、可視・近赤外領域での相補吸収能の良いフロントセルとリアセルの活性層材料を選択し、世界最高の光電変換効率17.3%を実証済み現在の有機/ポリマー太陽電池の文献で報告されている効率は、有機太陽電池の研究を新たな高みに押し上げています。
「2016年の中国のエネルギー需要は標準石炭換算で43億6,000万トンであるが、有機太陽電池の光電変換効率が1パーセント上昇すると、それに相当するエネルギー需要が太陽電池によって生み出され、二酸化炭素の排出量が削減できることになる」年間約1億6,000万トン削減されることになる。」陳永生氏は語った。
シリコンは情報化時代において最も重要な基礎材料であると言う人もいますが、その重要性は自明です。しかし、Chen Yongsheng 氏の見解では、シリコン材料には欠点もあります。「シリコン材料が製造プロセスで支払う必要がある莫大なエネルギーと環境コストは言うまでもなく、その硬くて脆い特性は将来の人類の柔軟な要件を満たすのが困難です」 「ウェアラブル」デバイスです。」したがって、折り曲げ性に優れた柔軟な炭素材料をベースにした技術製品が、新材料分野の予見可能な発展方向となるでしょう。」
