Organische Solarzellen: Eine neue Option für eine grüne Energiezukunft

Von der Nutzung des alten natürlichen Feuers über die Verwendung von Bohrholz für Feuer bis hin zur Verwendung von Kohle und Öl ist die Entwicklung der menschlichen Zivilisation im Wesentlichen die Entwicklung der Fähigkeit zur Energienutzung. Bisher basieren die menschliche Zivilisation und die wirtschaftliche Entwicklung weitgehend auf der Entwicklung und Nutzung fossiler Energie. Im 21. Jahrhundert werden die Menschen aufgrund der Besorgnis über die nicht erneuerbaren fossilen Energiereserven auf der Erde sowie der immer schwerwiegenderen Umweltverschmutzung durch die Ausbeutung und Nutzung fossiler Energien den Bereich grüner nachhaltiger Energien erkunden, wie z Solarenergie, Windenergie, Wasserenergie...

„Nur die Lösung des wissenschaftlichen Problems der effizienten Nutzung der Sonnenenergie ist der Weg zu einer nachhaltigen Entwicklung der Menschheit.“ Professor Chen Yongsheng von der Fakultät für Chemie der Nankai-Universität behauptete: „Die Sonne ist die Mutter aller Dinge und die ‚Quelle‘ der Energie. Wenn die Sonnenenergie, die jederzeit die Erde erreicht, auf zwei Teile pro 10.000 genutzt werden könnte, Dadurch konnte der gesamte Energiebedarf der menschlichen Gesellschaft gedeckt werden. Professor Chen Yongsheng und sein Team fassten ihre wissenschaftliche Forschungsmission in einem Satz zusammen: „Zur Sonne für Energie“!

1. Es wird erwartet, dass organische Solarzellen kommerzialisiert werden

Bei der menschlichen Nutzung von Solarenergietechnologien sind Solarzellen, also die Nutzung des „photovoltaischen Effekts“ zur direkten Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energiegeräte, derzeit weit verbreitet, aber auch eine der vielversprechendsten Technologien.

Bei der Herstellung von Solarzellen greift man seit langem eher auf anorganische Materialien wie kristallines Silizium zurück. Die Herstellung dieser Art von Batterie hat jedoch Nachteile wie einen komplizierten Prozess, hohe Kosten, einen hohen Energieverbrauch und eine starke Umweltverschmutzung. Die Suche nach einem neuen organischen Material mit geringen Kosten, hoher Effizienz, großer Flexibilität und Umweltfreundlichkeit zur Entwicklung eines neuen Solarzellentyps wird mittlerweile zum Ziel von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt.

„Die Nutzung des am häufigsten vorkommenden Kohlenstoffmaterials der Erde als Grundrohstoff und die Gewinnung effizienter und kostengünstiger grüner Energie durch technische Mittel ist von großer Bedeutung für die Lösung der großen Energieprobleme, mit denen die Menschheit derzeit konfrontiert ist.“ Chen Yongsheng führte aus, dass die in den 1970er Jahren begonnene Forschung zu organischer Elektronik und organischen (Polymer-)Funktionsmaterialien Möglichkeiten zur Verwirklichung dieses Ziels bietet.

Im Vergleich zu anorganischen Halbleitermaterialien wie Silizium bieten organische Halbleiter viele Vorteile wie niedrige Kosten, Materialvielfalt, anpassbare Funktion und flexibles Drucken. Derzeit werden Displays auf Basis organischer Leuchtdioden (OLeds) kommerziell hergestellt und werden häufig in Mobiltelefonen und Fernsehdisplays eingesetzt.

Die auf organischem Polymermaterial als lichtempfindliche aktive Schicht basierende organische Solarzelle bietet die Vorteile einer Materialstrukturvielfalt, einer großflächigen, kostengünstigen Druckvorbereitung, Flexibilität, Lichtdurchlässigkeit und sogar vollständiger Transparenz und verfügt über viele hervorragende Eigenschaften, die die anorganische Solarzellentechnologie nicht bietet haben. Es ist nicht nur ein normales Stromerzeugungsgerät, sondern verfügt auch über großes Anwendungspotenzial in anderen Bereichen wie der energiesparenden Gebäudeintegration und tragbaren Geräten, was großes Interesse in Wissenschaft und Industrie geweckt hat.

„Insbesondere in den letzten Jahren hat sich die Forschung zu organischen Solarzellen rasant weiterentwickelt und die Effizienz der photoelektrischen Umwandlung wird ständig verbessert.“ Derzeit geht die wissenschaftliche Gemeinschaft allgemein davon aus, dass organische Solarzellen den „Anfang“ der Kommerzialisierung erreicht haben“, sagte Chen Yongsheng.

2. Durchbrechen Sie den Engpass: Streben Sie danach, die Effizienz der photoelektrischen Umwandlung zu verbessern

Der Engpass, der die Entwicklung organischer Solarzellen einschränkt, ist der geringe Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung. Die Verbesserung der photoelektrischen Umwandlungseffizienz ist das Hauptziel der organischen Solarzellenforschung und der Schlüssel zu ihrer Industrialisierung. Daher ist die Herstellung lösungsverarbeitbarer aktiver Materialien mit hoher Effizienz, geringen Kosten und guter Reproduzierbarkeit die Grundlage für die Verbesserung der photoelektrischen Umwandlungseffizienz.

Chen Yongsheng stellte vor, dass sich die frühe organische Solarzellenforschung hauptsächlich auf das Design und die Synthese von Polymer-Donormaterialien konzentrierte und die aktive Schicht auf der Bulk-Heterostruktur von Fulleren-Derivat-Rezeptoren basierte. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der entsprechenden Forschung und den höheren Anforderungen an Materialien in der Gerätetechnologie haben löslich lösliche oligomolekulare Materialien mit bestimmbarer chemischer Struktur große Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

„Diese Materialien haben die Vorteile einer einfachen Struktur, einer einfachen Reinigung und einer guten Reproduzierbarkeit der Ergebnisse von Photovoltaikgeräten.“ Chen Yongsheng sagte, dass in der Anfangsphase die meisten Lösungen mit kleinen Molekülen nicht gut zur Bildung von Filmen geeignet seien, so dass die Verdampfung hauptsächlich zur Herstellung von Geräten verwendet wurde, was ihre Anwendungsaussichten stark einschränkte. Wie man photovoltaische Aktivschichtmaterialien mit guter Leistung und bestimmter molekularer Struktur entwerfen und synthetisieren kann, ist ein von Wissenschaftlern erkanntes Schlüsselproblem.

Mit seinem scharfen Einblick und seiner sorgfältigen Analyse des Forschungsgebiets wählte Chen Yongsheng entschieden die neuen organischen kleinen Moleküle und Oligomer-Aktivmaterialien aus, die mit Lösung verarbeitet werden konnten, was zu dieser Zeit große Risiken und Herausforderungen mit sich brachte, als Durchbruch bei der Solarstromerzeugung Forschung. Vom Design molekularer Materialien bis zur Optimierung der Herstellung von Photovoltaikgeräten leitete Chen Yongsheng das wissenschaftliche Forschungsteam, das Tag und Nacht wissenschaftliche Forschung durchführte, und konstruierte nach zehn Jahren unermüdlicher Bemühungen schließlich ein einzigartiges organisches Oligomer-Kleinmolekül-Solarmaterial System.

Von Wirkungsgraden von 5 % auf über 10 % und dann auf 17,3 % brechen sie weiterhin den Weltrekord im Bereich der Photovoltaik-Umwandlungseffizienz organischer Solarzellen. Ihre Designkonzepte und -methoden finden in der wissenschaftlichen Gemeinschaft breite Anwendung. Im letzten Jahrzehnt haben sie fast 300 wissenschaftliche Arbeiten in international renommierten Magazinen veröffentlicht und mehr als 50 Erfindungspatente angemeldet.

3. Ein kleiner Schritt zur Effizienz, ein großer Schritt zur Energie

Chen Yongsheng hat darüber nachgedacht, wie hoch die Effizienz organischer Solarzellen erreicht werden kann und ob sie endlich mit Solarzellen auf Siliziumbasis konkurrieren können. Wo liegt der „Schmerzpunkt“ der industriellen Anwendung organischer Solarzellen und wie kann man ihn lösen?

Obwohl sich die organische Solarzellentechnologie in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt hat, hat der photoelektrische Umwandlungswirkungsgrad 14 % überschritten, aber im Vergleich zu anorganischen und Perowskit-Materialien aus Solarzellen ist der Wirkungsgrad immer noch niedrig. Obwohl bei der Anwendung der Photovoltaik-Technologie eine Reihe von Indikatoren wie Effizienz, Kosten und Lebensdauer berücksichtigt werden sollten, steht die Effizienz immer an erster Stelle. Wie können die Vorteile organischer Materialien genutzt, das Materialdesign optimiert und die Batteriestruktur und der Vorbereitungsprozess verbessert werden, um eine höhere photoelektrische Umwandlungseffizienz zu erzielen?

Seit 2015 forscht das Team von Chen Yongsheng an organisch laminierten Solarzellen. Um das Ziel der technischen Leistungsfähigkeit von Solarzellen auf Basis anorganischer Materialien zu erreichen oder sogar zu übertreffen, ist seiner Meinung nach das Design laminierter Solarzellen eine sehr potenzielle Lösung – organische laminierte Solarzellen können deren Vorteile voll ausnutzen und ausspielen von organischen/polymeren Materialien, wie z. B. Strukturvielfalt, Sonnenlichtabsorption und Anpassung des Energieniveaus. Es entsteht ein subzellaktives Schichtmaterial mit guter komplementärer Sonnenlichtabsorption, wodurch eine höhere photovoltaische Effizienz erreicht wird.

Basierend auf den oben genannten Ideen verwendeten sie eine Reihe kleiner oligomerer Moleküle, die vom Team entworfen und synthetisiert wurden, um 12,7 % organische laminierte Solarzellen herzustellen und damit die Effizienz des damaligen Bereichs organischer Solarzellen aufzufrischen. Die Forschungsergebnisse wurden auf diesem Gebiet veröffentlicht des Top-Journals „Nature Photonics“ und die Studie wurde als „Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017“ ausgewählt.

Wie viel Spielraum gibt es für eine Verbesserung der photoelektrischen Umwandlungseffizienz organischer Solarzellen? Chen Yongsheng und sein Team analysierten systematisch Tausende von Literaturen und experimentellen Daten zu Materialien und Geräten im Bereich der organischen Solarenergie und sagten in Kombination mit ihren eigenen Forschungsergebnissen und experimentellen Ergebnissen die tatsächliche maximale photoelektrische Umwandlungseffizienz organischer Solarzellen einschließlich Multi-Solarzellen voraus. Schichtvorrichtungen sowie die Parameteranforderungen für ideale aktive Schichtmaterialien. Basierend auf diesem Modell wählten sie die aktiven Schichtmaterialien der vorderen und hinteren Zelle mit einer guten komplementären Absorptionsfähigkeit im sichtbaren und nahen Infrarotbereich aus und erzielten einen verifizierten photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad von 17,3 %, was die weltweit höchste photoelektrische Umwandlung darstellt Die in der aktuellen Literatur zu organischen/Polymer-Solarzellen beschriebene Effizienz steigert die Forschung an organischen Solarzellen auf ein neues Niveau.

„Laut Chinas Energiebedarf von 4,36 Milliarden Tonnen Standardkohleäquivalent im Jahr 2016 wird der entsprechende Energiebedarf durch Solarzellen erzeugt, wenn die photoelektrische Umwandlungseffizienz organischer Solarzellen um einen Prozentpunkt erhöht wird, was bedeutet, dass Kohlendioxidemissionen entstehen können.“ um etwa 160 Millionen Tonnen pro Jahr reduziert werden.“ sagte Chen Yongsheng.

Manche Leute sagen, dass Silizium das wichtigste Grundmaterial im Informationszeitalter ist, und seine Bedeutung liegt auf der Hand. Nach Ansicht von Chen Yongsheng haben Siliziummaterialien jedoch auch Nachteile: „Ganz zu schweigen von den enormen Energie- und Umweltkosten, die Siliziummaterialien im Herstellungsprozess verursachen müssen, und ihre harten und spröden Eigenschaften sind schwierig, den flexiblen Anforderungen zukünftiger Menschen gerecht zu werden.“ „tragbare“ Geräte.“ Daher werden technische Produkte auf Basis flexibler Kohlenstoffmaterialien mit guter Faltbarkeit die absehbare Entwicklungsrichtung der neuen Materialdisziplin sein.“