Từ việc sử dụng lửa tự nhiên cổ xưa, đến việc sử dụng khoan gỗ để đốt lửa, đến việc sử dụng than và dầu, sự phát triển của nền văn minh nhân loại thực chất là sự phát triển khả năng sử dụng năng lượng. Cho đến nay, nền văn minh nhân loại và sự phát triển kinh tế chủ yếu dựa vào việc phát triển và sử dụng năng lượng hóa thạch. Trong thế kỷ 21, do lo ngại về trữ lượng năng lượng hóa thạch không tái tạo trên trái đất cũng như tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng do việc khai thác và sử dụng năng lượng hóa thạch, con người sẽ khám phá lĩnh vực năng lượng xanh bền vững, như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng nước...
“Chỉ có giải quyết được vấn đề khoa học về sử dụng hiệu quả năng lượng mặt trời mới là con đường phát triển bền vững của nhân loại”. Giáo sư Chen Yongsheng, Trường Hóa học, Đại học Nankai, khẳng định: “Mặt trời là mẹ của vạn vật và là 'nguồn' năng lượng. Nếu năng lượng mặt trời đến trái đất bất cứ lúc nào có thể được khai thác tới hai phần trên 10.000, Vì điều này, Giáo sư Chen Yongsheng và nhóm của ông đã cô đọng sứ mệnh nghiên cứu khoa học của mình thành một câu - "đến mặt trời để lấy năng lượng"!
1. Pin mặt trời hữu cơ dự kiến sẽ được thương mại hóa
Trong việc con người sử dụng công nghệ năng lượng mặt trời, pin mặt trời, tức là sử dụng "hiệu ứng quang điện" để chuyển đổi trực tiếp năng lượng ánh sáng thành các thiết bị năng lượng điện, hiện đang được sử dụng rộng rãi nhưng cũng là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất.
Từ lâu, người ta đã dựa nhiều hơn vào các vật liệu vô cơ như silicon tinh thể để chế tạo pin mặt trời. Tuy nhiên, việc sản xuất loại pin này có nhược điểm như quy trình phức tạp, giá thành cao, tiêu thụ nhiều năng lượng và gây ô nhiễm nặng. Việc tìm ra một loại vật liệu hữu cơ mới với chi phí thấp, hiệu quả cao, tính linh hoạt cao và thân thiện với môi trường để phát triển một loại pin mặt trời mới hiện đang trở thành mục tiêu của các nhà khoa học trên toàn thế giới.
"Sử dụng nguồn carbon dồi dào nhất trên trái đất làm nguyên liệu thô cơ bản, thu được năng lượng xanh hiệu quả và chi phí thấp thông qua các phương tiện kỹ thuật có ý nghĩa to lớn trong việc giải quyết các vấn đề năng lượng lớn mà nhân loại đang phải đối mặt hiện nay." Chen Yongsheng giới thiệu rằng nghiên cứu về điện tử hữu cơ và vật liệu chức năng hữu cơ (polymer), bắt đầu từ những năm 1970, đã tạo cơ hội cho việc hiện thực hóa mục tiêu này.
So với vật liệu bán dẫn vô cơ được đại diện bởi silicon, chất bán dẫn hữu cơ có nhiều ưu điểm như giá thành thấp, đa dạng về vật liệu, chức năng điều chỉnh và in ấn linh hoạt. Hiện nay, màn hình dựa trên điốt phát sáng hữu cơ (OLed) đã được sản xuất thương mại và được sử dụng rộng rãi trong màn hình điện thoại di động và TV.
Pin mặt trời hữu cơ dựa trên vật liệu polymer hữu cơ làm lớp hoạt tính cảm quang có ưu điểm là đa dạng về cấu trúc vật liệu, chuẩn bị in ấn trên diện rộng với chi phí thấp, tính linh hoạt, trong mờ và thậm chí trong suốt hoàn toàn và có nhiều đặc tính ưu việt mà công nghệ pin mặt trời vô cơ không có được. có. Ngoài việc là một thiết bị phát điện thông thường, nó còn có tiềm năng ứng dụng lớn trong các lĩnh vực khác như tích hợp tòa nhà tiết kiệm năng lượng và thiết bị đeo được, điều này đã thu hút được sự quan tâm lớn trong giới học thuật và ngành công nghiệp.
"Đặc biệt trong những năm gần đây, nghiên cứu về pin mặt trời hữu cơ đã đạt được sự phát triển nhanh chóng và hiệu suất chuyển đổi quang điện không ngừng được đổi mới." Hiện tại, cộng đồng khoa học thường tin rằng pin mặt trời hữu cơ đã đạt đến 'bình minh' của thương mại hóa." Chen Yongsheng nói.
2. Vượt qua nút thắt: phấn đấu nâng cao hiệu quả chuyển đổi quang điện
Điểm nghẽn hạn chế sự phát triển của pin mặt trời hữu cơ là hiệu suất chuyển đổi quang điện thấp. Cải thiện hiệu suất chuyển đổi quang điện là mục tiêu chính của nghiên cứu pin mặt trời hữu cơ và là chìa khóa cho quá trình công nghiệp hóa nó. Vì vậy, việc điều chế các hoạt chất có thể xử lý bằng dung dịch có hiệu suất cao, chi phí thấp và độ tái lập tốt là cơ sở để nâng cao hiệu suất chuyển đổi quang điện.
Chen Yongsheng giới thiệu rằng nghiên cứu pin mặt trời hữu cơ ban đầu chủ yếu tập trung vào thiết kế và tổng hợp vật liệu cho polyme, và lớp hoạt động dựa trên cấu trúc dị thể số lượng lớn của các thụ thể dẫn xuất fullerene. Với sự tiến bộ không ngừng của nghiên cứu liên quan và yêu cầu cao hơn về vật liệu trong công nghệ thiết bị, các vật liệu oligo phân tử có thể hòa tan với cấu trúc hóa học có thể xác định được đã thu hút được sự chú ý lớn.
"Những vật liệu này có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, tinh chế dễ dàng và khả năng tái tạo tốt các kết quả của thiết bị quang điện." Chen Yongsheng cho biết ở giai đoạn đầu, hầu hết các dung dịch phân tử nhỏ không tạo màng tốt nên sự bay hơi chủ yếu được sử dụng để chuẩn bị các thiết bị, điều này hạn chế rất nhiều triển vọng ứng dụng của chúng. Làm thế nào để thiết kế và tổng hợp vật liệu lớp hoạt tính quang điện có hiệu suất tốt và xác định được cấu trúc phân tử là bài toán then chốt được các nhà khoa học thừa nhận.
Với cái nhìn sâu sắc và phân tích cẩn thận về lĩnh vực nghiên cứu, Chen Yongsheng đã quyết định lựa chọn các phân tử hữu cơ nhỏ và hoạt chất oligome mới có thể xử lý bằng giải pháp vốn có những rủi ro và thách thức lớn vào thời điểm đó, làm điểm đột phá của sản xuất năng lượng mặt trời nghiên cứu. Từ thiết kế vật liệu phân tử đến tối ưu hóa việc điều chế các thiết bị quang điện, Chen Yongsheng đã dẫn đầu nhóm nghiên cứu khoa học thực hiện nghiên cứu khoa học cả ngày lẫn đêm, và sau 10 năm nỗ lực không ngừng nghỉ, cuối cùng đã chế tạo được một loại vật liệu mặt trời hữu cơ phân tử nhỏ oligome độc đáo hệ thống.
Từ hiệu suất 5% đến hơn 10%, rồi lên 17,3%, họ tiếp tục phá kỷ lục thế giới trong lĩnh vực hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời hữu cơ. Các khái niệm và phương pháp thiết kế của họ đã được cộng đồng khoa học sử dụng rộng rãi. Trong thập kỷ qua, họ đã xuất bản gần 300 bài báo học thuật trên các tạp chí nổi tiếng quốc tế và nộp đơn đăng ký hơn 50 bằng sáng chế.
3. Một bước nhỏ cho hiệu quả, một bước nhảy vọt cho năng lượng
Chen Yongsheng đang suy nghĩ về việc pin mặt trời hữu cơ có thể đạt được hiệu suất cao đến mức nào và liệu cuối cùng chúng có thể cạnh tranh với pin mặt trời dựa trên silicon hay không? Đâu là “điểm yếu” của ứng dụng công nghiệp pin mặt trời hữu cơ và làm thế nào để giải quyết nó?
Trong vài năm qua, mặc dù công nghệ pin mặt trời hữu cơ phát triển nhanh chóng, hiệu suất chuyển đổi quang điện đã vượt quá 14%, nhưng so với vật liệu vô cơ và perovskite làm từ pin mặt trời thì hiệu suất vẫn còn thấp. Mặc dù việc ứng dụng công nghệ quang điện cần xét đến một số chỉ số như hiệu quả, chi phí và tuổi thọ nhưng hiệu quả luôn được đặt lên hàng đầu. Làm thế nào để tận dụng những ưu điểm của vật liệu hữu cơ, tối ưu hóa thiết kế vật liệu và cải thiện cấu trúc và quy trình chuẩn bị pin để đạt được hiệu suất chuyển đổi quang điện cao hơn?
Từ năm 2015, nhóm của Chen Yongsheng đã bắt đầu tiến hành nghiên cứu về pin mặt trời dạng màng hữu cơ. Ông tin rằng để đạt được hoặc thậm chí vượt mục tiêu về hiệu suất kỹ thuật của pin mặt trời dựa trên vật liệu vô cơ, thiết kế pin mặt trời nhiều lớp là một giải pháp rất tiềm năng - pin mặt trời nhiều lớp hữu cơ có thể tận dụng tối đa và phát huy các ưu điểm vật liệu hữu cơ/polyme, chẳng hạn như sự đa dạng về cấu trúc, sự hấp thụ ánh sáng mặt trời và điều chỉnh mức năng lượng. Thu được vật liệu lớp hoạt động tế bào phụ có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời bổ sung tốt, do đó đạt được hiệu suất quang điện cao hơn.
Dựa trên ý tưởng trên, họ đã sử dụng một loạt phân tử nhỏ oligomeric do nhóm nghiên cứu thiết kế và tổng hợp để chế tạo pin mặt trời dạng màng hữu cơ 12,7%, làm mới hiệu suất của lĩnh vực pin mặt trời hữu cơ vào thời điểm đó, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên thực địa của tạp chí hàng đầu "Nature Photonics" và nghiên cứu được chọn là "Mười tiến bộ hàng đầu trong Quang học Trung Quốc năm 2017".
Cần bao nhiêu chỗ để cải thiện hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời hữu cơ? Chen Yongsheng và nhóm của ông đã phân tích một cách có hệ thống hàng nghìn tài liệu và dữ liệu thực nghiệm về vật liệu và thiết bị trong lĩnh vực năng lượng mặt trời hữu cơ, đồng thời kết hợp với kết quả thử nghiệm và tích lũy nghiên cứu của riêng họ, dự đoán hiệu suất chuyển đổi quang điện tối đa thực tế của pin mặt trời hữu cơ bao gồm nhiều loại pin mặt trời hữu cơ. thiết bị lớp, cũng như các yêu cầu về tham số đối với vật liệu lớp hoạt động lý tưởng. Dựa trên mô hình này, họ đã chọn vật liệu lớp hoạt động của tế bào phía trước và tế bào phía sau có khả năng hấp thụ bổ sung tốt ở vùng hồng ngoại nhìn thấy và gần, đồng thời thu được hiệu suất chuyển đổi quang điện đã được xác minh là 17,3%, đây là hiệu suất chuyển đổi quang điện cao nhất thế giới hiệu quả được báo cáo trong tài liệu hiện tại về pin mặt trời hữu cơ/polyme, đẩy nghiên cứu về pin mặt trời hữu cơ lên một tầm cao mới.
"Theo nhu cầu năng lượng tương đương 4,36 tỷ tấn than tiêu chuẩn của Trung Quốc vào năm 2016, nếu hiệu suất chuyển đổi quang điện của pin mặt trời hữu cơ tăng thêm một điểm phần trăm, thì nhu cầu năng lượng tương ứng sẽ được tạo ra bởi pin mặt trời, điều đó có nghĩa là lượng khí thải carbon dioxide có thể tăng lên." giảm khoảng 160 triệu tấn mỗi năm.” Trần Vĩnh Sinh nói.
Một số người nói rằng silicon là vật liệu cơ bản quan trọng nhất trong thời đại thông tin và tầm quan trọng của nó là hiển nhiên. Tuy nhiên, theo quan điểm của Chen Yongsheng, vật liệu silicon cũng có nhược điểm: “Chưa kể chi phí năng lượng và môi trường rất lớn mà vật liệu silicon cần phải trả trong quá trình điều chế, đặc tính cứng và giòn của nó khó đáp ứng yêu cầu linh hoạt của con người trong tương lai”. thiết bị 'có thể đeo'." Vì vậy, các sản phẩm kỹ thuật dựa trên vật liệu carbon dẻo có khả năng gấp nếp tốt sẽ là hướng phát triển có thể dự đoán được của ngành vật liệu mới."
