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Desde el uso del antiguo fuego natural hasta el uso de madera para perforar para hacer fuego, pasando por el uso de carbón y petróleo, el desarrollo de la civilización humana es esencialmente el desarrollo de la capacidad de utilización de la energía. Hasta ahora, la civilización humana y el desarrollo económico se basan en gran medida en el desarrollo y utilización de la energía fósil. En el siglo XXI, debido a la preocupación por las reservas de energía fósil no renovable en la tierra, así como a la cada vez más grave contaminación ambiental derivada de la explotación y uso de la energía fósil, la gente explorará el campo de las energías verdes sostenibles, como energía solar, energía eólica, energía hidráulica...
"Sólo resolver el problema científico del uso eficiente de la energía solar es el camino hacia el desarrollo sostenible de la humanidad". El profesor Chen Yongsheng, de la Facultad de Química de la Universidad de Nankai, afirmó: "El sol es la madre de todas las cosas y la 'fuente' de energía. Si la energía solar que llega a la Tierra en cualquier momento pudiera aprovecharse en dos partes por 10.000, Gracias a esto, el profesor Chen Yongsheng y su equipo condensaron su misión de investigación científica en una frase: "¡al sol en busca de energía"!
1. Se espera que se comercialicen células solares orgánicas.
En el uso humano de las tecnologías de energía solar, las células solares, es decir, el uso del "efecto fotovoltaico" para convertir directamente la energía luminosa en dispositivos de energía eléctrica, se utilizan actualmente ampliamente, pero también son una de las tecnologías más prometedoras.
Durante mucho tiempo, la gente se ha basado más en materiales inorgánicos como el silicio cristalino para preparar las células solares. Sin embargo, la producción de este tipo de batería tiene desventajas como un proceso complicado, un alto costo, un alto consumo de energía y una gran contaminación. Encontrar un nuevo material orgánico de bajo costo, alta eficiencia, gran flexibilidad y respeto al medio ambiente para desarrollar un nuevo tipo de célula solar se está convirtiendo en el objetivo de los científicos de todo el mundo.
"Utilizar el material de carbono más abundante en la Tierra como materia prima básica, obtener energía verde eficiente y de bajo costo a través de medios técnicos es de gran importancia para resolver los principales problemas energéticos que enfrenta la humanidad en la actualidad". Chen Yongsheng afirmó que la investigación de la electrónica orgánica y los materiales funcionales orgánicos (polímeros), que comenzó en la década de 1970, ha brindado oportunidades para la realización de este objetivo.
En comparación con los materiales semiconductores inorgánicos representados por el silicio, los semiconductores orgánicos tienen muchas ventajas, como bajo costo, diversidad de materiales, función ajustable e impresión flexible. En la actualidad, se han producido comercialmente pantallas basadas en diodos emisores de luz orgánicos (OLeds) y se utilizan ampliamente en pantallas de teléfonos móviles y televisores.
La célula solar orgánica basada en material polimérico orgánico como capa activa fotosensible tiene las ventajas de diversidad de estructura de material, preparación de impresión de bajo costo de área grande, flexibilidad, translúcido e incluso transparencia total, y tiene muchas características excelentes que la tecnología de células solares inorgánicas no tiene. tener. Además de ser un dispositivo normal de generación de energía, también tiene un gran potencial de aplicación en otros campos, como la integración de edificios que ahorran energía y los dispositivos portátiles, lo que ha despertado un gran interés en el mundo académico y la industria.
"Especialmente en los últimos años, la investigación de células solares orgánicas ha logrado un rápido desarrollo y la eficiencia de la conversión fotoeléctrica se actualiza constantemente". Actualmente, la comunidad científica cree en general que las células solares orgánicas han llegado al "amanecer" de la comercialización", afirmó Chen Yongsheng.
2. Superar el cuello de botella: esforzarse por mejorar la eficiencia de la conversión fotoeléctrica
El obstáculo que limita el desarrollo de células solares orgánicas es que la eficiencia de conversión fotoeléctrica es baja. Mejorar la eficiencia de la conversión fotoeléctrica es el objetivo principal de la investigación sobre células solares orgánicas y la clave para su industrialización. Por lo tanto, la preparación de materiales activos procesables en solución con alta eficiencia, bajo costo y buena reproducibilidad es la base para mejorar la eficiencia de la conversión fotoeléctrica.
Chen Yongsheng presentó que las primeras investigaciones sobre células solares orgánicas se centraron principalmente en el diseño y la síntesis de materiales donantes de polímeros, y que la capa activa se basó en la heteroestructura masiva de los receptores derivados de fullereno. Con el avance continuo de la investigación relacionada y los mayores requisitos de los materiales en la tecnología de dispositivos, los materiales oligomoleculares solubilizables con estructura química determinable han atraído una intensa atención.
"Estos materiales tienen las ventajas de una estructura simple, una fácil purificación y una buena reproducibilidad de los resultados de los dispositivos fotovoltaicos". Chen Yongsheng dijo que en la etapa inicial, la mayoría de las soluciones de moléculas pequeñas no eran buenas para formar películas, por lo que la evaporación se usaba principalmente para preparar dispositivos, lo que limitaba en gran medida sus perspectivas de aplicación. Cómo diseñar y sintetizar materiales de capas activas fotovoltaicas con buen rendimiento y estructura molecular determinada es un problema clave reconocido por los científicos.
Con su perspicacia y su cuidadoso análisis del campo de investigación, Chen Yongsheng seleccionó decisivamente las nuevas moléculas orgánicas pequeñas y los materiales activos oligómeros que podían procesarse con solución, lo que presentaba grandes riesgos y desafíos en ese momento, como el punto de avance de la generación de energía solar. investigación. Desde el diseño de materiales moleculares hasta la optimización de la preparación de dispositivos fotovoltaicos, Chen Yongsheng dirigió el equipo de investigación científica para llevar a cabo investigaciones científicas día y noche, y después de 10 años de esfuerzos incansables, finalmente construyó un material solar orgánico de molécula pequeña de oligómero único. sistema.
Desde una eficiencia del 5% a más del 10%, y luego al 17,3%, siguen batiendo el récord mundial en el campo de la eficiencia de conversión fotovoltaica de células solares orgánicas. Sus conceptos y métodos de diseño han sido ampliamente utilizados por la comunidad científica. Durante la última década, publicaron casi 300 artículos académicos en revistas de renombre internacional y solicitaron más de 50 patentes de invención.
3. Un pequeño paso para la eficiencia, un gran salto para la energía
Chen Yongsheng ha estado pensando en hasta qué punto se puede lograr la eficiencia de las células solares orgánicas y si finalmente podrán competir con las células solares basadas en silicio. ¿Dónde está el "punto débil" de la aplicación industrial de células solares orgánicas y cómo solucionarlo?
En los últimos años, aunque la tecnología de células solares orgánicas se ha desarrollado rápidamente, la eficiencia de conversión fotoeléctrica ha superado el 14%, pero en comparación con los materiales inorgánicos y de perovskita fabricados a partir de células solares, la eficiencia sigue siendo baja. Aunque la aplicación de la tecnología fotovoltaica debe considerar una serie de indicadores como la eficiencia, el coste y la vida, la eficiencia es siempre el primero. ¿Cómo aprovechar las ventajas de los materiales orgánicos, optimizar el diseño del material y mejorar la estructura de la batería y el proceso de preparación para obtener una mayor eficiencia de conversión fotoeléctrica?
Desde 2015, el equipo de Chen Yongsheng ha comenzado a realizar investigaciones sobre células solares laminadas orgánicas. Considera que para alcanzar o incluso superar el objetivo de rendimiento técnico de las células solares basadas en materiales inorgánicos, el diseño de células solares laminadas es una solución muy potencial: las células solares laminadas orgánicas pueden aprovechar al máximo sus ventajas. de materiales orgánicos/polímeros, como diversidad estructural, absorción de luz solar y ajuste del nivel de energía. Se obtiene un material de capa activa subcelular con buena absorción complementaria de luz solar, consiguiendo así una mayor eficiencia fotovoltaica.
Con base en las ideas anteriores, utilizaron una serie de pequeñas moléculas oligoméricas diseñadas y sintetizadas por el equipo para preparar células solares laminadas orgánicas al 12,7%, refrescando la eficiencia del campo de células solares orgánicas en ese momento, los resultados de la investigación se publicaron en el campo. de la importante revista "Nature Photonics", y el estudio fue seleccionado como "Diez principales avances en óptica china en 2017".
¿Cuánto margen para mejorar la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares orgánicas? Chen Yongsheng y su equipo analizaron sistemáticamente miles de literatura y datos experimentales sobre materiales y dispositivos en el campo de la energía solar orgánica, y combinados con su propia acumulación de investigaciones y resultados experimentales, predijeron la máxima eficiencia de conversión fotoeléctrica real de las células solares orgánicas, incluidas las múltiples. dispositivos de capa, así como los requisitos de parámetros para materiales de capa activos ideales. Basándose en este modelo, seleccionaron los materiales de la capa activa de la celda frontal y la celda trasera con buena capacidad de absorción complementaria en las regiones visible e infrarroja cercana, y obtuvieron una eficiencia de conversión fotoeléctrica verificada del 17,3%, que es la conversión fotoeléctrica más alta del mundo. eficiencia reportada en la literatura actual sobre células solares orgánicas/polímeras, llevando la investigación de células solares orgánicas a una nueva altura.
"Según la demanda de energía de China de 4,36 mil millones de toneladas de equivalente de carbón estándar en 2016, si la eficiencia de conversión fotoeléctrica de las células solares orgánicas aumenta en un punto porcentual, la demanda de energía correspondiente es generada por las células solares, lo que significa que las emisiones de dióxido de carbono pueden reducirse en unos 160 millones de toneladas al año." Dijo Chen Yongsheng.
Algunas personas dicen que el silicio es el material básico más importante en la era de la información y su importancia es evidente. Sin embargo, en opinión de Chen Yongsheng, los materiales de silicio también tienen sus desventajas: "Sin mencionar los enormes costos energéticos y ambientales que los materiales de silicio deben pagar en el proceso de preparación, sus características duras y frágiles hacen difícil cumplir con los requisitos flexibles del futuro humano. dispositivos 'portátiles'". Por lo tanto, los productos técnicos basados en materiales de carbono flexibles con buen plegado serán la dirección de desarrollo previsible de la nueva disciplina de materiales."
