相對(duì)于人類發(fā)展歷史的有限年代而言，太陽(yáng)能可以說(shuō)是“取之不盡用之不竭”的最大的清潔能源。攻克太陽(yáng)能利用技術(shù)難關(guān)，對(duì)于解決能源危機(jī)，確保能源安全，掌握未來(lái)發(fā)展主動(dòng)權(quán)具有重要意義。近年來(lái)，相對(duì)于傳統(tǒng)以晶硅等為基礎(chǔ)的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、能耗大、污染重，成本低、效率高、柔性強(qiáng)、環(huán)境友好的新型有機(jī)太陽(yáng)能電池成為世界各國(guó)在新能源研究中競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的領(lǐng)域之一。

十幾年來(lái)，南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授團(tuán)隊(duì)始終致力于碳納米材料、有機(jī)功能材料及其在能源轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)等方面的研究。他們開(kāi)發(fā)的有機(jī)太陽(yáng)能電池器件光電轉(zhuǎn)化效率多次刷新世界紀(jì)錄。2018年夏天，他們?cè)O(shè)計(jì)、制備的具有高效、寬光譜吸收特性的疊層有機(jī)太陽(yáng)能電池材料和器件，實(shí)現(xiàn)了17.3%的光電轉(zhuǎn)化效率，再次刷新了文獻(xiàn)報(bào)道的有機(jī)/高分子太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率的世界紀(jì)錄。這一成果讓有機(jī)太陽(yáng)能電池向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)了一大步。國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）雜志刊文報(bào)道。

1月8日，2018年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)在北京人民大會(huì)堂隆重舉行。陳永勝教授團(tuán)隊(duì)“面向能源轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)的有機(jī)和碳納米材料研究”項(xiàng)目榮獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

陳永勝教授（下排右）

有機(jī)太陽(yáng)能電池:綠色能源的未來(lái)選擇

能源的利用是整個(gè)人類發(fā)展的基石。從早期的自然火的利用，到鉆木取火，到煤炭、石油的利用，人類文明的發(fā)展本質(zhì)上是能源利用能力的發(fā)展。當(dāng)前，地球上有限的化石能源的開(kāi)采與使用導(dǎo)致了日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染。因此，開(kāi)發(fā)利用綠色可持續(xù)的能源是人類社會(huì)發(fā)展的方向。

目前，已商業(yè)化應(yīng)用的太陽(yáng)能電池主要是以晶硅等為無(wú)機(jī)原料制備的，但因其原材料及電池構(gòu)筑生產(chǎn)工藝復(fù)雜，存在生成成本高、能耗大、污染嚴(yán)重等問(wèn)題，很大程度上限制了其應(yīng)用和發(fā)展。發(fā)展成本低、環(huán)境友好、高效的新型太陽(yáng)能技術(shù)成為新能源領(lǐng)域的重大課題。

“如果能利用地球上最豐富的元素——碳及其材料為基本原料實(shí)現(xiàn)高效低成本的綠色能源技術(shù)，將對(duì)解決目前人類面臨的重大能源問(wèn)題具有重大的意義。”陳永勝介紹，從上世紀(jì)70年代開(kāi)始的有機(jī)電子學(xué)及有機(jī)（高分子）功能材料的研究的為這一領(lǐng)域和實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)提供了重大機(jī)遇。

基于有機(jī)高分子材料作為光敏活性層的有機(jī)太陽(yáng)能電池，具有材料結(jié)構(gòu)多樣性、可大面積低成本印刷制備、柔性、半透明甚至全透明等優(yōu)點(diǎn)，具備其它太陽(yáng)能電池技術(shù)所不具有的許多優(yōu)良特性。除了作為正常的發(fā)電裝置外，在其它領(lǐng)域如節(jié)能建筑一體化，可穿戴設(shè)備等方面亦具有巨大的應(yīng)用潛力，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的大量研究。

有機(jī)太陽(yáng)能領(lǐng)域里程碑式發(fā)展是原美國(guó)柯達(dá)公司的鄧青云（Ching W. Tang）博士于1986年報(bào)道的雙層結(jié)構(gòu)染料光伏器件，光電轉(zhuǎn)換效率約為1%。經(jīng)過(guò)多年的努力，各國(guó)科學(xué)家在有機(jī)太陽(yáng)能電池活性層的設(shè)計(jì)合成、器件優(yōu)化工藝及器件機(jī)理等多方面進(jìn)行了大量的探索。

“特別是近五年來(lái)，有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光電轉(zhuǎn)化效率不斷刷新，目前普遍認(rèn)為有機(jī)太陽(yáng)能電池已經(jīng)到了商業(yè)化的‘黎明前夕’。”陳永勝說(shuō)，作為世界各國(guó)在新能源研究中競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的領(lǐng)域之一，開(kāi)發(fā)并引領(lǐng)具有獨(dú)立的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有機(jī)太陽(yáng)能電池材料和技術(shù)，為我國(guó)贏得先機(jī)，一直是這一領(lǐng)域內(nèi)中國(guó)科學(xué)家的努力方向。

有機(jī)太陽(yáng)能電池的柔性特征和該研究工作的主要結(jié)果

突破瓶頸：努力提高光電轉(zhuǎn)化效率

有機(jī)太陽(yáng)能電池發(fā)展的“瓶頸”在于光電轉(zhuǎn)化效率低。提高光電轉(zhuǎn)化效率是有機(jī)太陽(yáng)能電池研究首要解決的問(wèn)題，也是其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。發(fā)展高效率、低成本以及重現(xiàn)性良好的可溶液加工活性材料，即有機(jī)太陽(yáng)能電池吸光層材料是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的基礎(chǔ)。

陳永勝介紹，早期的有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究主要集中在聚合物的給體材料的設(shè)計(jì)合成，活性層是基于富勒烯衍生物受體的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。隨著有機(jī)太陽(yáng)能電池的飛速發(fā)展以及器件工藝對(duì)材料的更高要求，具有確定化學(xué)結(jié)構(gòu)的可溶液處理寡聚小分子材料開(kāi)始引起人們的強(qiáng)烈關(guān)注。

“其中最重要的原因是這類材料具有結(jié)構(gòu)單一，易提純，進(jìn)而光伏器件結(jié)果重現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)�！标愑绖僬f(shuō)，早期大多數(shù)小分子溶液處理成膜性不好，因此主要采用蒸鍍的方法制備器件，使其應(yīng)用前景受到很大限制。如何設(shè)計(jì)合成獲得具有良好性能的并具有確定分子結(jié)構(gòu)的光伏活性層材料是長(zhǎng)期困擾各國(guó)研究者的關(guān)鍵難題。

2004年，陳永勝?gòu)拿绹?guó)回到母校南開(kāi)大學(xué)任教，建立了以碳材料為基礎(chǔ)的綠色能源材料和應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)，并在2007年開(kāi)始進(jìn)行有機(jī)太陽(yáng)能發(fā)電和以碳納米材料為基礎(chǔ)的儲(chǔ)電方面的研究。

“當(dāng)時(shí)整個(gè)領(lǐng)域處于低谷，光電轉(zhuǎn)化效率在5%左右。許多研究者對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的未來(lái)發(fā)展不抱信心，甚至紛紛退出。而作為最重要的碳納米材料石墨烯的研究國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)還是空白�！标愑绖俳榻B，當(dāng)時(shí)國(guó)外從事有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域研究的團(tuán)隊(duì)幾乎全部集中在傳統(tǒng)聚合物活性材料上，如果進(jìn)行這方面的研究風(fēng)險(xiǎn)會(huì)很小，但難以形成特色和實(shí)現(xiàn)重大突破。

憑借對(duì)該領(lǐng)域敏銳的洞察力和審慎分析，陳永勝果斷選擇了在當(dāng)時(shí)具有重大風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)的新型可溶液加工處理的有機(jī)小分子和寡聚物活性材料作為其團(tuán)隊(duì)的太陽(yáng)能發(fā)電的主要突破點(diǎn)。目標(biāo)既定，雷厲風(fēng)行。從分子材料設(shè)計(jì)到光伏器件的制備優(yōu)化，陳永勝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)夜以繼日，馬不停蹄地展開(kāi)科研攻關(guān)。經(jīng)過(guò)十多年的不懈努力，他們終于發(fā)展出了具有鮮明特色的寡聚小分子有機(jī)太陽(yáng)能材料體系。

陳永勝團(tuán)隊(duì)提出了具有“給體-受體-給體”（A-D-A）構(gòu)架及確定分子結(jié)構(gòu)的溶液可處理高效寡聚小分子光伏材料設(shè)計(jì)理念。通過(guò)A-D-A分子中各單元結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料太陽(yáng)光吸收、電荷分離傳輸和成膜性等的有效調(diào)控，并克服了聚合物分子量多分散性帶來(lái)的器件性能重現(xiàn)性問(wèn)題及傳統(tǒng)小分子難于溶液加工的缺點(diǎn)。根據(jù)上述理念，他們?cè)O(shè)計(jì)合成了具有確定分子結(jié)構(gòu)和精確分子量的一系列高效有機(jī)光伏寡聚物材料，開(kāi)創(chuàng)了以繞丹寧、茚滿二酮等單元為端基，雙鍵橋連的A-D-A結(jié)構(gòu)的新型高效可溶液加工的光伏活性層材料體系。

從效率5%到超過(guò)10%，再到2018年《科學(xué)》雜志報(bào)道的17.3%，陳永勝帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)多次刷新了有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域光電轉(zhuǎn)換效率的世界記錄。他們提出的設(shè)計(jì)理念和方法，發(fā)展的結(jié)構(gòu)單元等被廣泛應(yīng)用。十幾年來(lái)，他們?cè)趪?guó)際著名雜志發(fā)表了近300篇學(xué)術(shù)論文，申請(qǐng)了超過(guò)50篇發(fā)明專利，使中國(guó)真正引領(lǐng)了有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域研究和發(fā)展。

實(shí)驗(yàn)人員展示有機(jī)太陽(yáng)能電池柔性特質(zhì)

數(shù)字上的“一小步”，能源界的“一大步”

雖然取得了上述一系列重要的研究突破，但對(duì)陳永勝來(lái)說(shuō)，每一次突破都意味著一個(gè)新目標(biāo)的開(kāi)始。他總在不停地思考，有機(jī)太陽(yáng)電池到底能達(dá)到多高的效率？是否可以媲美硅基太陽(yáng)能電池？有機(jī)太陽(yáng)能電池應(yīng)用的下一個(gè)瓶頸是什么？現(xiàn)階段的主要任務(wù)是什么？當(dāng)前我們應(yīng)該主攻的目標(biāo)是什么? 如何去實(shí)現(xiàn)？

2015年，陳永勝團(tuán)隊(duì)開(kāi)始進(jìn)行有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池研究。通過(guò)對(duì)比無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料的特點(diǎn)，陳永勝認(rèn)為，要充分發(fā)揮有機(jī)高分子材料的優(yōu)勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)達(dá)到甚至超過(guò)以無(wú)機(jī)材料為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能技術(shù)性能的目標(biāo)，疊層太陽(yáng)能電池是一個(gè)極具潛力的方案。更值得注意的是，有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池可以充分利用和發(fā)揮有機(jī)/高分子材料具有的結(jié)構(gòu)多樣性、太陽(yáng)光吸收和能級(jí)可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，獲得具有良好太陽(yáng)光吸收互補(bǔ)的子電池活性層材料，從而實(shí)現(xiàn)更高的光伏效率。

基于上述思路，他們利用團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成的系列寡聚小分子制備獲得12.7%的有機(jī)疊層太陽(yáng)能電池，刷新了當(dāng)時(shí)有機(jī)太陽(yáng)電池領(lǐng)域的效率，研究結(jié)果發(fā)表在領(lǐng)域頂級(jí)期刊《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics），該項(xiàng)研究入選“2017年中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展”。隨后，通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，陳永深團(tuán)隊(duì)獲得了驗(yàn)證效率為17.3%的光電轉(zhuǎn)化效率，把有機(jī)太陽(yáng)電池的研究推向了一個(gè)新的高度。

“這一研究結(jié)果縮小了有機(jī)太陽(yáng)能電池與其它光伏技術(shù)效率之間的差距，大大提升了人們對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池的信心。它同時(shí)表明，有機(jī)太陽(yáng)能電池可以實(shí)現(xiàn)和無(wú)機(jī)材料同樣的效率�！标愑绖僬f(shuō)。

“按照我國(guó)2016年43.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量的能源需求計(jì)算，如果有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)化效率提高一個(gè)百分點(diǎn)，相應(yīng)的能源需求由太陽(yáng)能電池來(lái)產(chǎn)生，就意味著每年減少使用4000千萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，與之相應(yīng)地可減少二氧化碳排放約1.6億噸。其社會(huì)和環(huán)境意義可見(jiàn)一斑�！标愑绖僬f(shuō)。

確保能源安全：必須依靠自主創(chuàng)新

“中國(guó)是人口數(shù)量第一的大國(guó)，哪一個(gè)行業(yè)或領(lǐng)域都不能靠別人，各行各業(yè)都需要有自己獨(dú)立自主的技術(shù)。在新能源和核心材料這些核心戰(zhàn)略領(lǐng)域，更不能依靠別人。作為科研人員，我們要肩負(fù)起責(zé)任�！标愑绖俪Ｒ源吮薏咦约汉蛨F(tuán)隊(duì)成員。

“中國(guó)科學(xué)家近日發(fā)展了一種碳材料為基礎(chǔ)的可以代替成本高的硅基太陽(yáng)能電池的替代方案。這一方案使用碳基材料為基礎(chǔ)的塑料薄膜為活性層可以高效地把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能，因此，可以通過(guò)方便和便宜的印刷技術(shù)制備同時(shí)可以和建筑外表一起使用�！庇�國(guó)廣播公司（BBC）對(duì)陳永勝團(tuán)隊(duì)最新成果的報(bào)道，將重點(diǎn)置于新材料的柔性和可印刷方面。

“我們?cè)谶M(jìn)一步提高有機(jī)太陽(yáng)能效率的同時(shí)，將進(jìn)一步研究柔性可穿戴的包括透明的有機(jī)太陽(yáng)能電池，同時(shí)和儲(chǔ)能設(shè)備結(jié)合，發(fā)展發(fā)電儲(chǔ)電一體化材料和技術(shù)�！标愑绖僬f(shuō)。

陳永勝團(tuán)隊(duì)早已開(kāi)始布局并實(shí)施下一步的研究規(guī)劃。在更高效率的有機(jī)太陽(yáng)能電池材料設(shè)計(jì)與器件構(gòu)筑方面，他們已經(jīng)開(kāi)始了系統(tǒng)而深入的工作，目前進(jìn)展順利。對(duì)了適應(yīng)快速更迭的應(yīng)用需求，陳永勝團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在有機(jī)太陽(yáng)能電池應(yīng)用的關(guān)鍵部分—柔性透明電極方面開(kāi)展了研究工作，同樣取得了較好的研究進(jìn)展，發(fā)展的可適用于有機(jī)太陽(yáng)能電池的柔性透明電極有望進(jìn)入大面積生產(chǎn)制備，從而在有機(jī)太陽(yáng)能電池柔性印刷制備這一關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題上獲得突破，并取得獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

陳永勝希望研究團(tuán)隊(duì)和中國(guó)企業(yè)緊密合作，實(shí)現(xiàn)這一領(lǐng)域中國(guó)全產(chǎn)業(yè)鏈獨(dú)立自主的太陽(yáng)能電池制備技術(shù)。“在有機(jī)太陽(yáng)能電池這一領(lǐng)域，是為數(shù)不多我們中國(guó)人處于比較領(lǐng)先位置的領(lǐng)域，同時(shí)我們有自己最核心的材料和完全自主的制備技術(shù)，雖然我們還有很多事要做，但我們完全有能力在這一綠色能源領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)中為國(guó)家提供獨(dú)立自主和具有國(guó)際領(lǐng)先的完全的技術(shù)方案”。陳永勝說(shuō)。

原標(biāo)題：陳永勝：誓作有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)跑者