ตั้งแต่การใช้ไฟธรรมชาติโบราณ ไปจนถึงการใช้ไม้เจาะไฟ ไปจนถึงการใช้ถ่านหินและน้ำมัน การพัฒนาอารยธรรมของมนุษย์ถือเป็นการพัฒนาความสามารถในการใช้พลังงานเป็นหลัก จนถึงขณะนี้ อารยธรรมของมนุษย์และการพัฒนาเศรษฐกิจส่วนใหญ่มีพื้นฐานมาจากการพัฒนาและการใช้พลังงานฟอสซิล ในศตวรรษที่ 21 เนื่องจากความกังวลเกี่ยวกับพลังงานฟอสซิลที่ไม่สามารถหมุนเวียนได้บนโลก ตลอดจนมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมที่รุนแรงมากขึ้นซึ่งเกิดจากการแสวงหาผลประโยชน์และการใช้พลังงานฟอสซิล ผู้คนจะได้สำรวจแหล่งพลังงานสีเขียวที่ยั่งยืน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม พลังงานน้ำ...
"การแก้ปัญหาทางวิทยาศาสตร์ของการใช้พลังงานแสงอาทิตย์อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้นที่เป็นหนทางสู่การพัฒนาที่ยั่งยืนของมนุษยชาติ" ศาสตราจารย์เฉิน หยงเซิง คณะเคมี มหาวิทยาลัยหนานไค่ ยืนยันว่า "ดวงอาทิตย์เป็นมารดาของสรรพสิ่งและเป็น 'แหล่ง' ของพลังงาน ถ้าพลังงานแสงอาทิตย์ที่มายังโลกในเวลาใดก็ตามสามารถควบคุมได้เป็นสองส่วนต่อ 10,000 ส่วน สามารถตอบสนองความต้องการพลังงานทั้งหมดของสังคมมนุษย์ได้ ด้วยเหตุนี้ ศาสตราจารย์ Chen Yongsheng และทีมของเขาจึงสรุปภารกิจการวิจัยทางวิทยาศาสตร์เป็นประโยคเดียว - "สู่ดวงอาทิตย์เพื่อพลังงาน"!
1. คาดว่าจะสามารถจำหน่ายเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ได้
ในการใช้เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ของมนุษย์ เซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งก็คือการใช้ "เอฟเฟกต์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์" เพื่อแปลงพลังงานแสงเป็นอุปกรณ์พลังงานไฟฟ้าโดยตรง มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน แต่ก็เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มมากที่สุดเช่นกัน
เป็นเวลานานแล้วที่ผู้คนใช้วัสดุอนินทรีย์ เช่น ผลึกซิลิคอน เพื่อเตรียมเซลล์แสงอาทิตย์มากขึ้น อย่างไรก็ตาม การผลิตแบตเตอรี่ประเภทนี้มีข้อเสีย เช่น กระบวนการที่ซับซ้อน ต้นทุนสูง การใช้พลังงานสูง และมลพิษจำนวนมาก ไม่ว่าจะค้นหาวัสดุอินทรีย์ชนิดใหม่ที่มีต้นทุนต่ำ ประสิทธิภาพสูง มีความยืดหยุ่นสูงและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเพื่อพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่ ขณะนี้กลายเป็นเป้าหมายของนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก
"การใช้วัสดุคาร์บอนที่มีมากที่สุดในโลกเป็นวัตถุดิบพื้นฐาน การได้รับพลังงานสีเขียวที่มีประสิทธิภาพและต้นทุนต่ำผ่านวิธีการทางเทคนิค มีความสำคัญอย่างยิ่งในการแก้ปัญหาพลังงานที่สำคัญที่มนุษยชาติเผชิญอยู่ในปัจจุบัน" Chen Yongsheng แนะนำว่าการวิจัยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์และวัสดุเชิงฟังก์ชันอินทรีย์ (โพลีเมอร์) ซึ่งเริ่มต้นในปี 1970 ได้ให้โอกาสในการบรรลุเป้าหมายนี้
เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อนินทรีย์ที่ใช้ซิลิกอน เซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์มีข้อดีหลายประการ เช่น ต้นทุนต่ำ ความหลากหลายของวัสดุ ฟังก์ชั่นที่ปรับได้ และการพิมพ์ที่ยืดหยุ่น ปัจจุบัน จอแสดงผลที่ใช้ไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ (OLeds) ได้รับการผลิตเชิงพาณิชย์และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในโทรศัพท์มือถือและจอทีวี
เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ที่ใช้วัสดุโพลีเมอร์อินทรีย์เป็นชั้นแอคทีฟไวแสงมีข้อดีคือความหลากหลายของโครงสร้างวัสดุ การเตรียมการพิมพ์ต้นทุนต่ำในพื้นที่ขนาดใหญ่ ความยืดหยุ่น โปร่งแสงและโปร่งใสเต็มรูปแบบ และมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมมากมายที่เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์อนินทรีย์ไม่มี มี. นอกเหนือจากการเป็นอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าตามปกติแล้ว ยังมีศักยภาพในการใช้งานที่ดีเยี่ยมในสาขาอื่นๆ เช่น การรวมอาคารประหยัดพลังงานและอุปกรณ์สวมใส่ ซึ่งกระตุ้นความสนใจอย่างมากในแวดวงวิชาการและอุตสาหกรรม
"โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว และประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกก็ได้รับการฟื้นฟูอย่างต่อเนื่อง" ในปัจจุบัน ชุมชนวิทยาศาสตร์โดยทั่วไปเชื่อว่าเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ได้มาถึง 'รุ่งอรุณ' ของการพัฒนาเชิงพาณิชย์แล้ว" เฉิน หยงเฉิง กล่าว
2. ทะลุผ่านคอขวด: มุ่งมั่นที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพของการแปลงโฟโตอิเล็กทริค
คอขวดที่จำกัดการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์คือประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริคต่ำ การปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกเป็นเป้าหมายหลักของการวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์แบบอินทรีย์และเป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนาอุตสาหกรรม ดังนั้นการเตรียมวัสดุออกฤทธิ์ที่สามารถแปรรูปได้ด้วยสารละลายซึ่งมีประสิทธิภาพสูง ต้นทุนต่ำ และความสามารถในการทำซ้ำที่ดีจึงเป็นพื้นฐานสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริก
Chen Yongsheng แนะนำว่าการวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ในยุคแรกๆ มุ่งเน้นไปที่การออกแบบและการสังเคราะห์วัสดุผู้บริจาคโพลีเมอร์เป็นหลัก และชั้นแอคทีฟนั้นขึ้นอยู่กับโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้างจำนวนมากของตัวรับอนุพันธ์ฟูลเลอรีน ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของการวิจัยที่เกี่ยวข้องและความต้องการวัสดุในเทคโนโลยีอุปกรณ์ที่สูงขึ้น วัสดุโอลิโกโมเลกุลที่ละลายได้พร้อมโครงสร้างทางเคมีที่กำหนดได้ดึงดูดความสนใจอย่างมาก
"วัสดุเหล่านี้มีข้อดีคือมีโครงสร้างที่เรียบง่าย ทำให้บริสุทธิ์ได้ง่าย และทำซ้ำผลลัพธ์ของอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ได้ดี" Chen Yongsheng กล่าวว่าในระยะแรก สารละลายโมเลกุลขนาดเล็กส่วนใหญ่สร้างฟิล์มได้ไม่ดี ดังนั้นการระเหยจึงถูกนำมาใช้เพื่อเตรียมอุปกรณ์เป็นหลัก ซึ่งจำกัดโอกาสในการใช้งานอย่างมาก วิธีการออกแบบและสังเคราะห์วัสดุชั้นแอคทีฟไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่มีประสิทธิภาพที่ดีและกำหนดโครงสร้างโมเลกุลเป็นปัญหาสำคัญที่นักวิทยาศาสตร์ยอมรับ
ด้วยข้อมูลเชิงลึกที่เฉียบแหลมและการวิเคราะห์อย่างรอบคอบในสาขาการวิจัย Chen Yongsheng ตัดสินใจเลือกโมเลกุลขนาดเล็กอินทรีย์และวัสดุออกฤทธิ์โอลิโกเมอร์ใหม่ที่สามารถแปรรูปด้วยสารละลาย ซึ่งมีความเสี่ยงและความท้าทายที่สำคัญในขณะนั้น เป็นจุดความก้าวหน้าของการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ วิจัย. ตั้งแต่การออกแบบวัสดุโมเลกุลไปจนถึงการเพิ่มประสิทธิภาพในการเตรียมอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ Chen Yongsheng นำทีมวิจัยทางวิทยาศาสตร์ดำเนินการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ทั้งกลางวันและกลางคืน และหลังจากความพยายามอย่างไม่ลดละตลอด 10 ปี ในที่สุดก็ได้สร้างวัสดุแสงอาทิตย์อินทรีย์โมเลกุลขนาดเล็กโอลิโกเมอร์ที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว ระบบ.
จากประสิทธิภาพ 5% เป็นมากกว่า 10% และจากนั้นเป็น 17.3% พวกเขายังคงทำลายสถิติโลกในด้านประสิทธิภาพการแปลงเซลล์แสงอาทิตย์ของเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ แนวคิดและวิธีการออกแบบของพวกเขาถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในชุมชนวิทยาศาสตร์ ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา พวกเขาได้ตีพิมพ์บทความทางวิชาการเกือบ 300 ฉบับในนิตยสารชื่อดังระดับนานาชาติ และยื่นขอรับสิทธิบัตรการประดิษฐ์มากกว่า 50 ฉบับ
3. ก้าวเล็กๆ หนึ่งก้าวสู่ประสิทธิภาพ ก้าวกระโดดครั้งใหญ่ด้านพลังงาน
Chen Yongsheng เคยคิดว่าเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์จะมีประสิทธิภาพได้สูงเพียงใด และในที่สุดจะสามารถแข่งขันกับเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ซิลิคอนได้หรือไม่ “จุดที่เป็นปัญหา” ของการประยุกต์ใช้เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ในอุตสาหกรรมอยู่ที่ไหน และจะแก้ไขได้อย่างไร?
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แม้ว่าเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แบบออร์แกนิกจะพัฒนาอย่างรวดเร็ว แต่ประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกนั้นเกิน 14% แต่เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุอนินทรีย์และเปอร์รอฟสไกต์ที่ทำจากเซลล์แสงอาทิตย์ ประสิทธิภาพยังคงต่ำ แม้ว่าการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ควรพิจารณาตัวชี้วัดหลายประการ เช่น ประสิทธิภาพ ต้นทุน และอายุการใช้งาน แต่ประสิทธิภาพถือเป็นอันดับแรกเสมอ จะใช้ประโยชน์จากวัสดุอินทรีย์ได้อย่างไร เพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบวัสดุ และปรับปรุงโครงสร้างแบตเตอรี่และกระบวนการเตรียมการ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริคที่สูงขึ้น
ตั้งแต่ปี 2015 ทีมงานของ Chen Yongsheng ได้เริ่มดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์เคลือบอินทรีย์ เขาเชื่อว่าเพื่อที่จะบรรลุหรือเกินกว่าเป้าหมายประสิทธิภาพทางเทคนิคของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้วัสดุอนินทรีย์ การออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์แบบเคลือบเป็นวิธีแก้ปัญหาที่มีศักยภาพมาก - เซลล์แสงอาทิตย์แบบเคลือบอินทรีย์สามารถใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่และแสดงข้อดีได้อย่างเต็มที่ ของวัสดุอินทรีย์/โพลีเมอร์ เช่น ความหลากหลายของโครงสร้าง การดูดซับแสงแดด และการปรับระดับพลังงาน จะได้วัสดุชั้นแอคทีฟเซลล์ย่อยที่มีการดูดกลืนแสงแดดเสริมที่ดี จึงทำให้ประสิทธิภาพไฟฟ้าโซลาร์เซลล์สูงขึ้น
จากแนวคิดข้างต้น พวกเขาใช้ชุดโมเลกุลขนาดเล็กโอลิโกเมอร์ที่ออกแบบและสังเคราะห์โดยทีมงานเพื่อเตรียมเซลล์แสงอาทิตย์เคลือบอินทรีย์ 12.7% รีเฟรชประสิทธิภาพของสนามเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ในขณะนั้น ผลการวิจัยจึงถูกตีพิมพ์ในสนาม ของวารสารชั้นนำ "Nature Photonics" และการศึกษานี้ได้รับเลือกให้เป็น "Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017"
มีพื้นที่เท่าใดในการปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกของเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ Chen Yongsheng และทีมงานของเขาได้วิเคราะห์วรรณกรรมและข้อมูลการทดลองหลายพันรายการเกี่ยวกับวัสดุและอุปกรณ์ในสาขาพลังงานแสงอาทิตย์อินทรีย์อย่างเป็นระบบ และเมื่อรวมกับผลการวิจัยและผลการทดลองของพวกเขาเอง ก็สามารถคาดการณ์ประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกสูงสุดตามจริงของเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ รวมถึง multi- อุปกรณ์เลเยอร์ เช่นเดียวกับข้อกำหนดพารามิเตอร์สำหรับวัสดุเลเยอร์แอคทีฟในอุดมคติ จากแบบจำลองนี้ พวกเขาเลือกวัสดุชั้นแอคทีฟของเซลล์ด้านหน้าและเซลล์ด้านหลังที่มีความสามารถในการดูดซับเสริมที่ดีในบริเวณอินฟราเรดที่มองเห็นได้และใกล้เคียง และได้รับประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกที่ได้รับการยืนยันแล้วที่ 17.3% ซึ่งเป็นการแปลงโฟโตอิเล็กทริกที่สูงที่สุดในโลก ประสิทธิภาพที่รายงานในวรรณกรรมปัจจุบันเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์แบบอินทรีย์/โพลีเมอร์ ช่วยผลักดันการวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์แบบอินทรีย์ไปสู่อีกระดับหนึ่ง
"ตามความต้องการพลังงานของจีนที่ 4.36 พันล้านตันเทียบเท่าถ่านหินมาตรฐานในปี 2559 หากประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกของเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์เพิ่มขึ้นหนึ่งเปอร์เซ็นต์ ความต้องการพลังงานที่สอดคล้องกันจะถูกสร้างขึ้นโดยเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งหมายความว่าการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สามารถ ลดลงประมาณ 160 ล้านตันต่อปี" เฉินหยงเฉิงกล่าว
บางคนกล่าวว่าซิลิคอนเป็นวัสดุพื้นฐานที่สำคัญที่สุดในยุคข้อมูลข่าวสาร และความสำคัญของซิลิคอนนั้นสามารถเห็นได้ชัดเจนในตัวเอง อย่างไรก็ตาม ในมุมมองของ Chen Yongsheng วัสดุซิลิกอนก็มีข้อเสียเช่นกัน: "ไม่ต้องพูดถึงต้นทุนพลังงานและสิ่งแวดล้อมมหาศาลที่วัสดุซิลิกอนต้องจ่ายในกระบวนการเตรียมการ ลักษณะแข็งและเปราะนั้นยากที่จะตอบสนองความต้องการที่ยืดหยุ่นของมนุษย์ในอนาคต อุปกรณ์ 'สวมใส่ได้'” ดังนั้นผลิตภัณฑ์ทางเทคนิคที่ทำจากวัสดุคาร์บอนที่ยืดหยุ่นพร้อมการพับที่ดีจะเป็นทิศทางการพัฒนาที่คาดการณ์ได้ของวินัยวัสดุใหม่"
