2018-11-09 15:37:08
對于當今人類來說，能源幾乎意味著一切——我們的吃穿住行都離不開各種能源的支持，而隨著煤炭、石油等石化資源的急速消耗及其帶來的一系列污染和氣候問題，人們開始愈發(fā)地渴求能夠高效利用又清潔環(huán)保的可再生能源。
風能是一種清潔無公害的的可再生能源，目前已用于發(fā)電。
不過，縷一縷當前常見的可再生能源，似乎都存在著這樣那樣的問題，應用起來總是沒那么“得心應手”。比如：風能、水能、地熱，這些能源雖然環(huán)保卻太受地域限制；核能非常高效，但成本大風險高，又可能帶來放射污染。
太陽能作為來源最廣、受限制最少又非常清潔的能源，算是比較靠譜的了。如何能將這種隨處可得的天然能量應用到極致，也成為解決未來能源緊缺的重要方向和當前能源研究的熱點議題。
安裝在屋頂?shù)奶柲茈姵匕濉?/p>
就在近日，來自中國南開大學的陳永勝老師團隊在這一領(lǐng)域有了最新的研究進展——他們制備了一種基于有機半導體材料的太陽能電池，其能量轉(zhuǎn)化效率（把光能轉(zhuǎn)化成電能的效率）達到了17.3%，放置166天后性能僅有輕微衰減（約4%）。這一結(jié)果發(fā)表在國際頂級期刊《科學》（Science）雜志上。
17.3%是個怎樣的概念呢？可以說，它超越了目前同類有機太陽能電池效率14%的最高值，創(chuàng)下了新的世界紀錄——要知道，在提高能源轉(zhuǎn)化率這件事兒上，每個百分點的進步都是極其不易！此外，這次的有機太陽能電池放置160多天還能保持著很好的性能，這在有機太陽能電池中也是不多見的，更凸顯出這項研究的含金量。
不過，看到這里大家可能會問，為什么“有機半導體材料”能與電池碰撞在一起？這種材料做成的太陽能電池又和我們平常見的無機太陽能電池有什么區(qū)別？下面就來為大家詳細解讀吧！
太陽能雖好，無機材料卻易老
太陽能電池這個概念，或許大家都不陌生。但具體說到制造太陽能電池的材料，可能了解的人就不多了。目前，已經(jīng)商品化的太陽能電池板大多由無機半導體材料制造，它具有原材料易獲?。ū热绻瑁?、吸收光譜寬、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)勢。
但事實上，無機半導體材料并不是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的完美解決方案，原因在于——它們太脆了！
無機半導體材料通常屬于脆性材料，延展性差，幾乎無法彎折，很多時候只能制造成硬邦邦的電池板放在空曠的地面或者屋頂；更要命的是，無機太陽能電池的制造過程中需要消耗大量的能量，這么多能耗需要這塊電池工作數(shù)年的時間才能償還。而且，考慮到電池板在長期的風吹日曬下性能有所衰減，其使用壽命往往也不過數(shù)年。因此就會出現(xiàn)這樣的局面——辛辛苦苦造出一塊兒電池板，制造它消耗的能量超過了它這一輩子所產(chǎn)出的能量，可以說“得不償失”了！
以上這些因素都會制約無機太陽能電池板的大規(guī)模應用，因此也使科學家們必須不斷去開發(fā)和尋找可替代的解決方案。
一種晶體硅太陽能電池面板。
有機導電材料強勢登場
在大多數(shù)人的印象中，可能像塑料、橡膠這樣的有機材料，都屬于不能導電的絕緣體。但“凡事無絕對”，科學家們似乎總會帶來一些超乎人們意料的發(fā)現(xiàn)。
和很多“不經(jīng)意間的”發(fā)現(xiàn)類似，導電有機材料的誕生，最初也源自一個偶然——1967年，日本化學家白川英樹團隊的一位研究人員在合成聚乙炔的過程中，一個不留神，加入了常規(guī)用量上千倍的催化劑，得到了一種銀白色帶金屬光澤的聚乙炔（常規(guī)方法制得的聚乙炔是一種黑色粉末）。
這一意外事件引起了Alan Heeger 和 Alan MacDiarmid 二位科學家的注意，隨后他們與白川英樹合作，成功地開發(fā)出導電率堪比金屬銀的導電聚乙炔材料，并闡明了材料的導電機理。從那以后，人們便意識到，像這樣由連續(xù)的單雙鍵交替（專業(yè)術(shù)語叫共軛）的有機物是有潛力成為導電材料的。值得一提的是，因為這次偶然和他們多年的堅持不懈，他們?nèi)斯餐@得了2000年諾貝爾化學獎。
聚乙炔的化學結(jié)構(gòu)式（上）和球棍模型圖（下）。
當有機半導體邂逅太陽能
導電聚乙烯的發(fā)現(xiàn)，也正式拉開了有機導體材料的研究篇章。隨著人們對有機材料的持續(xù)研究，它的半導體性質(zhì)也逐步為人們所認知，大量有機半導體材料涌現(xiàn)了出來。
這時也有人忽然聯(lián)想到，是不是可以拿這些有機半導體材料來制造太陽能電池呢？終于，在1986年，美國柯達公司的鄧青云博士利用有機半導體材料制備了一種太陽能電池器件[3]，能量轉(zhuǎn)化效率達到了1%，實現(xiàn)了有機太陽能電池從0到1的突破。
這種有機太陽能電池具備了很多無機太陽能電池不可比擬的優(yōu)勢和應用前景：
質(zhì)輕且“柔軟”
單晶硅的密度大約是2.3克/立方厘米，而大多數(shù)有機半導體材料的密度是比水小的（小于1克/立方厘米）。此外，有機半導體材料的延展性要優(yōu)于無機半導體材料。
制造工藝簡單
有機太陽能電池通常采用溶液加工的辦法形成有機薄膜。比起需要刻蝕、高溫燒灼的無機硅電池相比，有機太陽能電池的制造工藝著實簡單多了。
有機太陽能電池的制作過程可以和“攤煎餅”進行類比——在平底鍋（玻璃基底）上倒入面糊（有機半導體材料的溶液），并將面糊（溶液）攤開，隨著面糊中水分（溶劑）的揮發(fā)，逐漸形成了一張完整的煎餅（有機薄膜）。圖片來源：http://solarmer.com/videos/（制圖：小柒）
可制造柔性電池
利用有機半導體材料“軟”的特性，人們可以像印刷報紙那樣，把有機半導體材料的溶液打印到塑料基底上去，制造可以彎曲的柔性電池。也許在未來，我們隨身攜帶的“充電寶”就是一張有機太陽能電池做成的“紙”，找個有陽光的地方把它攤開，就可以充電了！
可彎曲的柔性太陽能電池。
可制造半透明/透明電池
化學家們通過對材料的不斷改進，研發(fā)出了半透明甚至幾乎完全透明的有機太陽能電池——這樣的電池可以讓大部分可見光透過，專門吸收肉眼不可見的紫外線和紅外線。這樣的材料有什么用呢？試想一下，如果把房屋的窗戶換成這樣的透明電池，不僅可以為建筑提供電能，還依舊保證室內(nèi)的采光，豈不是一舉兩得？
透明有機太陽能電池。
正因為有這么多優(yōu)勢和誘人的“黑科技”存在，有機太陽能電池一直是近年來學術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點。此外，科學家們經(jīng)過分析后普遍認為，如果繼續(xù)優(yōu)化電池器件構(gòu)型和材料選擇，有機太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率理論上可以突破25%。尤其在過去的十年間，有機太陽能電池更是經(jīng)歷了躍遷式的發(fā)展，其性能已經(jīng)可以與商品化的無機硅電池媲美，像高處的王冠一樣鼓舞著科學家們不斷地接近它。
不過，我們距離真正的有機太陽能電池的商品化產(chǎn)品還是有著一段距離，仍有一些問題需要克服——比如，很多有機材料在太陽光的照射下并不那么穩(wěn)定，制作過程中使用的溶劑毒性較大，以及大規(guī)模生產(chǎn)工藝也尚未成熟。
但我們相信，在科學家們的不斷努力下，作為“潛力股”的有機太陽能電池也許真的能夠晉級為清潔環(huán)保又高能的產(chǎn)品，在不久后的某天“步入尋常百姓家”。
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