2018-11-09 15:37:08
對(duì)于當(dāng)今人類來(lái)說(shuō)，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(lái)的一系列污染和氣候問(wèn)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(fēng)能是一種清潔無(wú)公害的的可再生能源，目前已用于發(fā)電。
不過(guò)，縷一縷當(dāng)前常見的可再生能源，似乎都存在著這樣那樣的問(wèn)題，應(yīng)用起來(lái)總是沒(méi)那么“得心應(yīng)手”。比如：風(fēng)能、水能、地?zé)?，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(fēng)險(xiǎn)高，又可能帶來(lái)放射污染。
太陽(yáng)能作為來(lái)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(yīng)用到極致，也成為解決未來(lái)能源緊缺的重要方向和當(dāng)前能源研究的熱點(diǎn)議題。
安裝在屋頂?shù)奶?yáng)能電池板。
就在近日，來(lái)自中國(guó)南開大學(xué)的陳永勝老師團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域有了最新的研究進(jìn)展——他們制備了一種基于有機(jī)半導(dǎo)體材料的太陽(yáng)能電池，其能量轉(zhuǎn)化效率（把光能轉(zhuǎn)化成電能的效率）達(dá)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(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》（Science）雜志上。
17.3%是個(gè)怎樣的概念呢？可以說(shuō)，它超越了目前同類有機(jī)太陽(yáng)能電池效率14%的最高值，創(chuàng)下了新的世界紀(jì)錄——要知道，在提高能源轉(zhuǎn)化率這件事兒上，每個(gè)百分點(diǎn)的進(jìn)步都是極其不易！此外，這次的有機(jī)太陽(yáng)能電池放置160多天還能保持著很好的性能，這在有機(jī)太陽(yáng)能電池中也是不多見的，更凸顯出這項(xiàng)研究的含金量。
不過(guò)，看到這里大家可能會(huì)問(wèn)，為什么“有機(jī)半導(dǎo)體材料”能與電池碰撞在一起？這種材料做成的太陽(yáng)能電池又和我們平常見的無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池有什么區(qū)別？下面就來(lái)為大家詳細(xì)解讀吧！
太陽(yáng)能雖好，無(wú)機(jī)材料卻易老
太陽(yáng)能電池這個(gè)概念，或許大家都不陌生。但具體說(shuō)到制造太陽(yáng)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(yáng)能電池板大多由無(wú)機(jī)半導(dǎo)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(shì)。
但事實(shí)上，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料并不是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的完美解決方案，原因在于——它們太脆了！
無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料通常屬于脆性材料，延展性差，幾乎無(wú)法彎折，很多時(shí)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(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的制造過(guò)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(shí)間才能償還。而且，考慮到電池板在長(zhǎng)期的風(fēng)吹日曬下性能有所衰減，其使用壽命往往也不過(guò)數(shù)年。因此就會(huì)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(guò)了它這一輩子所產(chǎn)出的能量，可以說(shuō)“得不償失”了！
以上這些因素都會(huì)制約無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池板的大規(guī)模應(yīng)用，因此也使科學(xué)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(yáng)能電池面板。
有機(jī)導(dǎo)電材料強(qiáng)勢(shì)登場(chǎng)
在大多數(shù)人的印象中，可能像塑料、橡膠這樣的有機(jī)材料，都屬于不能導(dǎo)電的絕緣體。但“凡事無(wú)絕對(duì)”，科學(xué)家們似乎總會(huì)帶來(lái)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(dǎo)電有機(jī)材料的誕生，最初也源自一個(gè)偶然——1967年，日本化學(xué)家白川英樹團(tuán)隊(duì)的一位研究人員在合成聚乙炔的過(guò)程中，一個(gè)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(xué)家的注意，隨后他們與白川英樹合作，成功地開發(fā)出導(dǎo)電率堪比金屬銀的導(dǎo)電聚乙炔材料，并闡明了材料的導(dǎo)電機(jī)理。從那以后，人們便意識(shí)到，像這樣由連續(xù)的單雙鍵交替（專業(yè)術(shù)語(yǔ)叫共軛）的有機(jī)物是有潛力成為導(dǎo)電材料的。值得一提的是，因?yàn)檫@次偶然和他們多年的堅(jiān)持不懈，他們?nèi)斯餐@得了2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
聚乙炔的化學(xué)結(jié)構(gòu)式（上）和球棍模型圖（下）。
當(dāng)有機(jī)半導(dǎo)體邂逅太陽(yáng)能
導(dǎo)電聚乙烯的發(fā)現(xiàn)，也正式拉開了有機(jī)導(dǎo)體材料的研究篇章。隨著人們對(duì)有機(jī)材料的持續(xù)研究，它的半導(dǎo)體性質(zhì)也逐步為人們所認(rèn)知，大量有機(jī)半導(dǎo)體材料涌現(xiàn)了出來(lái)。
這時(shí)也有人忽然聯(lián)想到，是不是可以拿這些有機(jī)半導(dǎo)體材料來(lái)制造太陽(yáng)能電池呢？終于，在1986年，美國(guó)柯達(dá)公司的鄧青云博士利用有機(jī)半導(dǎo)體材料制備了一種太陽(yáng)能電池器件[3]，能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了1%，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)太陽(yáng)能電池從0到1的突破。
這種有機(jī)太陽(yáng)能電池具備了很多無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池不可比擬的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)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(jī)半導(dǎo)體材料的密度是比水小的（小于1克/立方厘米）。此外，有機(jī)半導(dǎo)體材料的延展性要優(yōu)于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料。
制造工藝簡(jiǎn)單
有機(jī)太陽(yáng)能電池通常采用溶液加工的辦法形成有機(jī)薄膜。比起需要刻蝕、高溫?zé)频臒o(wú)機(jī)硅電池相比，有機(jī)太陽(yáng)能電池的制造工藝著實(shí)簡(jiǎn)單多了。
有機(jī)太陽(yáng)能電池的制作過(guò)程可以和“攤煎餅”進(jìn)行類比——在平底鍋（玻璃基底）上倒入面糊（有機(jī)半導(dǎo)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(jī)薄膜）。圖片來(lái)源：http://solarmer.com/videos/（制圖：小柒）
可制造柔性電池
利用有機(jī)半導(dǎo)體材料“軟”的特性，人們可以像印刷報(bào)紙那樣，把有機(jī)半導(dǎo)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(lái)，我們隨身攜帶的“充電寶”就是一張有機(jī)太陽(yáng)能電池做成的“紙”，找個(gè)有陽(yáng)光的地方把它攤開，就可以充電了！
可彎曲的柔性太陽(yáng)能電池。
可制造半透明/透明電池
化學(xué)家們通過(guò)對(duì)材料的不斷改進(jìn)，研發(fā)出了半透明甚至幾乎完全透明的有機(jī)太陽(yáng)能電池——這樣的電池可以讓大部分可見光透過(guò)，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(jī)太陽(yáng)能電池。
正因?yàn)橛羞@么多優(yōu)勢(shì)和誘人的“黑科技”存在，有機(jī)太陽(yáng)能電池一直是近年來(lái)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。此外，科學(xué)家們經(jīng)過(guò)分析后普遍認(rèn)為，如果繼續(xù)優(yōu)化電池器件構(gòu)型和材料選擇，有機(jī)太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率理論上可以突破25%。尤其在過(guò)去的十年間，有機(jī)太陽(yáng)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(wú)機(jī)硅電池媲美，像高處的王冠一樣鼓舞著科學(xué)家們不斷地接近它。
不過(guò)，我們距離真正的有機(jī)太陽(yáng)能電池的商品化產(chǎn)品還是有著一段距離，仍有一些問(wèn)題需要克服——比如，很多有機(jī)材料在太陽(yáng)光的照射下并不那么穩(wěn)定，制作過(guò)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(xué)家們的不斷努力下，作為“潛力股”的有機(jī)太陽(yáng)能電池也許真的能夠晉級(jí)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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