摄影/吴军辉
本报记者吴军辉
攻克太阳能利用技术，对于解决能源危机，确保能源安全，掌握未来发展主动权具有重要意义。十几年来，我校化学学院陈永胜教授团队始终致力于碳纳米材料、有机功能材料及其在能源转化与存储等方面的研究。他们开发的有机太阳能电池器件光电转化效率多次刷新世界纪录。2018年夏天，他们再次刷新了文献报道的有机/高分子太阳能电池光电转化效率的世界纪录，达到17.3%，Science杂志刊文报道。这一成果让有机太阳能电池向产业化迈进了一大步。有机太阳能电池:绿色能源的未来选择能源的利用是整个人类发展的基石。目前，已商业化应用的太阳能电池主要由晶硅等无机原料制备，但因其原材料及电池构筑生产工艺复杂，成本高、能耗大、污染严重等问题，限制了其应用和发展。发展成本低、环境友好、高效的新型太阳能技术成为新能源领域的重大课题。
“能够利用地球及未来最丰富的元素之一碳及其材料为基本原料，实现高效低成本的绿色能源技术，将对解决人类面临的能源问题具有重大意义。”陈永胜介绍，上世纪70年代开始的有机电子学及有机（高分子）功能材料的研究，为这一领域实现上述目标提供了机遇。
以有机高分子材料作为光敏活性层的有机太阳能电池，具有材料结构多样性、可大面积低成本印刷制备、柔性、半透明甚至全透明等优点。这些都是其他太阳能电池技术所不具有的优良特性。除了作为正常的发电装置外，在其他领域如节能建筑一体化，可穿戴设备等方面亦具有巨大的应用潜力，引起了学术界和工业界的研究关注。
经过多年的努力，各国科学家在有机太阳能电池活性层的设计合成、器件优化工艺及器件机理等多方面进行了大量的探索。“特别是近五年来，有机太阳能电池的研究获得了突飞猛进的发展，光电转化效率不断刷新，目前普遍认为有机太阳能电池已经到了商业化的‘黎明前’。”陈永胜说，作为世界各国在新能源研究中竞争最为激烈的领域之一，开发并引领具有独立的自主知识产权的有机太阳能电池材料和技术，为我国赢得先机，一直是该领域内中国科学家的努力方向。
突破瓶颈：努力提高光电转化效率有机太阳能电池发展的最重要“瓶颈”在于光电转化效率低。提高光电转化效率是有机太阳能电池研究首要解决的问题，也是其实现产业化的关键之一。
陈永胜介绍，早期的有机太阳能电池的研究主要集中在聚合物的给体材料的设计合成，活性层是基于富勒烯衍生物受体的本体异质结结构。随着有机太阳能电池的飞速发展以及器件工艺对材料的更高要求，具有确定化学结构的可溶液处理寡聚小分子材料开始引起人们的强烈关注。
2004年，陈永胜从美国回到母校南开大学任教，建立了以碳材料为基础的绿色能源材料和应用研究团队，并在2007年开始进行有机太阳能发电和以碳纳米材料为基础的储电方面的研究。
那时整个领域处于低谷，光电转化效率在5%左右。许多研究者对有机太阳能电池的未来发展不抱信心。最重要的碳纳米材料石墨烯的研究国内当时还是空白，国外从事有机太阳能电池领域研究的团队几乎全部集中在传统聚合物活性材料上。
凭借敏锐的洞察力和审慎分析，陈永胜果断选择了在当时具有重大风险和挑战的新型可溶液加工处理的有机小分子和寡聚物活性材料作为团队的主要突破点。经过十多年的不懈努力，他们研发出了具有鲜明特色的寡聚小分子有机太阳能材料体系。
从效率5%到超过10%，再到17.3%，陈永胜带领团队多次刷新有机太阳能电池领域光电转换效率纪录。他们提出的设计理念和方法，发展的结构单元等被广泛应用。十几年来，陈永胜团队在国际学术刊物发表论文近300篇，申请发明专利50余项，使中国真正引领了有机太阳能电池领域的研究和发展。数字上的“一小步”，能源界的“一大步”
2015年，陈永胜团队开始进行有机叠层太阳能电池研究。他们利用自主设计合成的系列寡聚小分子制备获得12.7%的有机叠层太阳能电池，刷新了当时有机太阳电池领域的效率，该项研究入选“2017年中国光学十大进展”。随后，通过技术攻关，陈永胜团队获得了验证效率为17.3%的光电转化效率，把有机太阳电池的研究推向了一个新的高度。
这一研究结果缩小了有机太阳能电池与其他光伏技术效率之间的差距，大大提升了人们对有机太阳能电池的信心。它同时表明，有机太阳能电池可达到与无机材料同样的效率。
“按照我国2016年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光电转化效率提高一个百分点，相应的能源需求由太阳能电池来产生，就意味着每年减少使用4000吨标准煤，与之相应地可减少二氧化碳排放约1.6亿吨。其社会和环境意义可见一斑。”陈永胜说。
面向未来，在更高效率的有机太阳能电池材料设计与器件构筑方面，陈永胜团队已经开始了系统而深入的工作。为了适应快速更迭的应用需求，他们发展的可适用于有机太阳能电池的柔性透明电极有望进入大面积生产制备，从而在有机太阳能电池柔性印刷制备这一关键技术问题上获得突破，并取得独立的知识产权。
陈永胜希望研究团队和中国企业紧密合作，实现这一领域中国的全产业链的独立自主的太阳能电池制备技术。“在有机太阳能电池这一领域，是为数不多的我们中国人比较领先的领域，同时我们有自己最核心的材料和完全自主的制备技术，虽然还有很多事要做，但我们完全有信心在这一绿色能源领域的竞争中，为国家提供独立自主和具有国际领先的完全的技术方案。”陈永胜说。