有機(jī)太陽(yáng)能電池技術(shù)解析

在科技的發(fā)展道路上，離不開能源的助力，特別是再科技飛速發(fā)展的今天，而地球上的能源有限，就需要科研人員不斷開發(fā)新能源，這就再當(dāng)下最需要研發(fā)太陽(yáng)能的使用。近日，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)發(fā)布了2019年度國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助名單，全國(guó)共有296名專家學(xué)者入選，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義名列其中。

這個(gè)基金對(duì)入選者要求極高，為國(guó)內(nèi)僅次于兩院院士的第二層次高端人才。葛子義主要從事有機(jī)太陽(yáng)能電池和OLED研究，此次獲得400萬(wàn)元資助基金的項(xiàng)目叫“有機(jī)太陽(yáng)能電池”。該項(xiàng)目在便攜式電子產(chǎn)品、光伏建筑一體化和國(guó)防軍工等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，多個(gè)國(guó)家均開展了一系列應(yīng)用基礎(chǔ)研究。十年磨一劍在葛子義的辦公桌上，放著一卷透明且印有條紋的“有機(jī)太陽(yáng)能電池”。

之所以說(shuō)是一卷，是因?yàn)樗煌谖覀兂Ｒ姷碾姵?，而是可以像衛(wèi)生紙一樣卷起來(lái)，拉出來(lái)以后像紙一樣薄，只有一兩百微米厚。雖然輕薄，但它的技術(shù)含量卻極高，有鋁陰極、陰極界面層、活性層、陽(yáng)極界面層和ITO陽(yáng)極等多達(dá)5層組成。目前，市場(chǎng)上的太陽(yáng)能電池主要以晶硅等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料為活性層制備而成，存在工藝復(fù)雜、成本高、原材料生產(chǎn)過(guò)程能耗大和污染重等缺點(diǎn)。這類太陽(yáng)能電池由于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體本身的剛性結(jié)構(gòu)，難以制備柔性電子器件。柔性電子器件，特別是基于有機(jī)材料的光電器件，是未來(lái)電子器件發(fā)展的一大趨勢(shì)。

因此，制備成本低、效率高、柔性強(qiáng)、環(huán)境友好的新型有機(jī)太陽(yáng)能電池，正成為各國(guó)科學(xué)家的研究目標(biāo)。1976年出生的葛子義，1999年本科畢業(yè)于蘭州大學(xué)，2004年獲中科院化學(xué)所博士學(xué)位，2005年前往日本東京工業(yè)大學(xué)從事有機(jī)光電研究。2009年，33歲的葛子義回國(guó)，受聘華東理工大學(xué)教授。2010年，加入中科院寧波材料所，擔(dān)任“有機(jī)光電化學(xué)”學(xué)科帶頭人、有機(jī)光電材料與器件課題組組長(zhǎng)至今。“光是有機(jī)太陽(yáng)能電池的活性層研究我們就做了將近8年。”葛子義說(shuō)，“2014年，我們?cè)趪?guó)際上率先突破有機(jī)太陽(yáng)能電池10%的光電轉(zhuǎn)換效率瓶頸時(shí)，很多人建議我們可以產(chǎn)業(yè)化，但我覺(jué)得還不夠，需要研究得更深，繼續(xù)改進(jìn)和提升電池效率。”就這樣，葛子義在有機(jī)光電材料領(lǐng)域這個(gè)“冷板凳”上一坐就是十年。

他始終認(rèn)為，只有把基礎(chǔ)研究搞好了，才會(huì)對(duì)其他領(lǐng)域的研究帶來(lái)有力支撐。劍指大挑戰(zhàn)2015年，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然-光子學(xué)》(NaturePhotonics)報(bào)道了葛子義領(lǐng)導(dǎo)的有機(jī)光電材料與器件團(tuán)隊(duì)在有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域取得的重要研究進(jìn)展。這是中科院有機(jī)光電方向研究成果首次在該期刊發(fā)布，也是寧波市首次在《自然》子刊上發(fā)表第一通訊單位研究論文。葛子義說(shuō)，對(duì)于有機(jī)太陽(yáng)能電池而言，界面修飾層對(duì)器件性能起著極為重要的作用，它不僅可以優(yōu)化活性層吸收和調(diào)節(jié)其光場(chǎng)分布，而且還能調(diào)節(jié)電極的電荷收集勢(shì)壘，實(shí)現(xiàn)光生載流子的有效傳輸，是提高有機(jī)太陽(yáng)能電池效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵核心技術(shù)。“目前廣泛使用的傳統(tǒng)金屬或化合物界面材料，空氣穩(wěn)定性差，且需通過(guò)蒸鍍、濺射方法成膜，能耗高，不利于有機(jī)太陽(yáng)能電池的低成本大面積制備。”葛子義說(shuō)，為突破這一缺陷，目前國(guó)際上開發(fā)了一些可濕法成膜的有機(jī)共軛聚合物如聚芴類界面材料，雖然能夠有效提高器件效率，但是這類材料合成復(fù)雜、價(jià)格昂貴，難以在有機(jī)太陽(yáng)能電池領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。

如何實(shí)現(xiàn)高效、低成本的有機(jī)太陽(yáng)能電池界面調(diào)控一直是科研界關(guān)注的重點(diǎn)。“考慮到有機(jī)太陽(yáng)能電池的商業(yè)化應(yīng)用對(duì)低成本大面積化的迫切需求，我們的團(tuán)隊(duì)在前期大量研究工作的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地開發(fā)了一種制備工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、可用醇類溶劑濕法加工的有機(jī)非共軛小分子作為有機(jī)太陽(yáng)能電池的陰極界面。”葛子義說(shuō)。團(tuán)隊(duì)成員彭瑞祥、歐陽(yáng)新華等利用這類材料對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池器件界面和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，把單結(jié)正型聚合物太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高至10.02%，突破了單結(jié)有機(jī)太陽(yáng)能電池10%的效率瓶頸。與目前廣泛使用的金屬界面相比，電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高了近25%，也明顯優(yōu)于有機(jī)共軛類界面材料。這也是當(dāng)時(shí)報(bào)道的有機(jī)太陽(yáng)能電池的最高效率之一。

《自然-光子學(xué)》審稿人對(duì)此予以高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為該研究成果“對(duì)于聚合物太陽(yáng)能電池有非常重要的貢獻(xiàn)”，有望促進(jìn)有機(jī)太陽(yáng)能電池的低成本、大面積化制備，加快推進(jìn)有機(jī)太陽(yáng)能電池的商業(yè)化進(jìn)程。“有機(jī)太陽(yáng)能電池目前遇到的最大挑戰(zhàn)是效率和壽命。”葛子義說(shuō)，目前電池的光電轉(zhuǎn)換效率普遍在14%-16%，他們的目標(biāo)是達(dá)到18%-20%。目前其領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)達(dá)到17%左右。電池的壽命目前普遍在3年-5年，遠(yuǎn)期目標(biāo)是能達(dá)到10年，該實(shí)驗(yàn)室也正在攻關(guān)。產(chǎn)業(yè)化可期“十三五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃以及國(guó)家發(fā)展改革委能源局新近發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030)》明確指出，將重點(diǎn)發(fā)展基于有機(jī)、鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的太陽(yáng)能電池。

“有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率與硅基、薄膜太陽(yáng)能電池的效率仍有較大差距。”葛子義說(shuō)，但它在柔性和半透明器件方面獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為其產(chǎn)業(yè)化提供了很大的空間，有助于實(shí)現(xiàn)與其他太陽(yáng)能電池形成互補(bǔ)，以及填補(bǔ)光伏市場(chǎng)在柔性和半透明器件方面的缺位。“有機(jī)太陽(yáng)能電池具有獨(dú)特的輕質(zhì)、半透明、多彩化、可彎曲以及可卷的特性，可在建筑物或服裝內(nèi)彎曲和扭曲，并可以制成任何顏色，甚至半透明，從而與周圍環(huán)境相匹配，融為一體。”葛子義說(shuō)，在未來(lái)的可穿戴設(shè)備供電、建筑光伏一體化、太陽(yáng)能飛機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用上將會(huì)大放異彩。柔性、半透明有機(jī)太陽(yáng)能電池的研究將成為一個(gè)熱點(diǎn)。目前我國(guó)有很多課題組已從事相關(guān)內(nèi)容的研究。在未來(lái)的幾年內(nèi)，我國(guó)在該領(lǐng)域應(yīng)該會(huì)有更大的突破、會(huì)有很多科研成果出現(xiàn)。談到柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化，葛子義說(shuō)，柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化需要一步一步向前推進(jìn)，預(yù)計(jì)未來(lái)3年-5年可以產(chǎn)業(yè)化。“目前應(yīng)該是產(chǎn)業(yè)化的‘黎明前夕’。”

葛子義說(shuō)，不過(guò)需要具備很多條件，除了有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率和壽命提高外，還要具備高效和低成本有機(jī)光伏材料的開發(fā)和放大合成，以及高性能柔性透明電極的開發(fā)和大面積制備;需要開展柔性器件的大面積制備工藝、器件穩(wěn)定性以及封裝材料和工藝的研究;需要與公司合作，制備柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池組件，并建立柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)柔性有機(jī)太陽(yáng)能電池的大規(guī)模應(yīng)用。

“目前，我們的有些技術(shù)已經(jīng)超過(guò)了國(guó)外，可以說(shuō)這是我們中國(guó)人引領(lǐng)的一個(gè)研究領(lǐng)域。”葛子義說(shuō)，應(yīng)該在中國(guó)率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。“不過(guò)即使如此，也不能急，首要還是要做好基礎(chǔ)研究。”葛子義說(shuō)。“與很多短平快的技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品創(chuàng)新相比，基礎(chǔ)研究往往需要長(zhǎng)期積累，取得成果的周期較長(zhǎng)，其應(yīng)用價(jià)值顯現(xiàn)沒(méi)那么快。”

葛子義說(shuō)，風(fēng)物長(zhǎng)宜放眼量，我國(guó)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域要想取得更多原創(chuàng)性、開創(chuàng)性的重大科研成果，認(rèn)識(shí)到基礎(chǔ)研究的重要性是關(guān)鍵，這也是我國(guó)科技事業(yè)穩(wěn)固堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。相信再過(guò)幾年到幾十年，當(dāng)人類利用太陽(yáng)能的技術(shù)很成熟的時(shí)候，這樣就有了無(wú)窮盡的能源供給社會(huì)的使用，再當(dāng)下就需要研究者更加努力研究新技術(shù)。