고대 자연불의 이용에서부터 굴착용 목재의 이용, 석탄과 석유의 이용에 이르기까지 인류문명의 발전은 본질적으로 에너지 이용능력의 발전이다. 지금까지 인류문명과 경제발전은 화석에너지의 개발과 활용에 크게 의존해 왔다. 21세기에는 지구상의 재생 불가능한 화석에너지 매장량에 대한 우려와 화석에너지의 개발 및 사용으로 인한 환경오염이 점점 심각해짐에 따라 사람들은 태양에너지, 풍력에너지, 수력에너지...
“태양에너지의 효율적 이용이라는 과학적 문제를 해결하는 것만이 인류의 지속가능한 발전의 길이다.” 난카이대학교 화학과 천융성 교수는 "태양은 만물의 어머니이자 에너지의 '원천'이다. 언제든지 지구에 도달하는 태양에너지를 1만분의 2로 활용할 수 있다면, 인류 사회의 전체 에너지 수요가 충족될 수 있기 때문에 Chen Yongsheng 교수와 그의 팀은 과학적 연구 임무를 "에너지를 위해 태양으로"라는 한 문장으로 압축했습니다.
1. 유기태양전지의 상용화가 기대된다
인간의 태양 에너지 기술 이용에 있어서 태양 전지, 즉 '광기전 효과'를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지 장치로 변환하는 기술은 현재 널리 사용되고 있지만 가장 유망한 기술 중 하나이기도 합니다.
오랫동안 사람들은 태양전지를 준비하기 위해 결정질 실리콘과 같은 무기 물질을 더 많이 사용해 왔습니다. 그러나 이러한 종류의 배터리를 생산하는 데에는 공정이 복잡하고 비용이 높으며 에너지 소비가 많고 환경 오염이 심한 등의 단점이 있습니다. 새로운 형태의 태양전지를 개발하기 위해 저비용, 고효율, 강력한 유연성, 친환경성을 갖춘 새로운 유기재료를 찾는 것이 이제 전 세계 과학자들의 목표가 되고 있습니다.
"지구상에서 가장 풍부한 탄소재료를 기본원료로 하여 기술적 수단을 통해 효율적이고 저렴한 녹색에너지를 얻는 것은 현재 인류가 직면한 주요 에너지 문제를 해결하는데 큰 의의가 있습니다." Chen Yongsheng은 1970년대부터 시작된 유기 전자공학과 유기(고분자) 기능성 재료에 대한 연구가 이러한 목표를 실현할 수 있는 기회를 제공했다고 소개했습니다.
실리콘으로 대표되는 무기반도체 소재에 비해 유기반도체는 저비용, 소재 다양성, 조정 가능한 기능, 유연한 프린팅 등 많은 장점을 갖고 있다. 현재 유기발광다이오드(OLEd)를 기반으로 한 디스플레이가 상업적으로 생산되어 휴대폰, TV 디스플레이에 널리 사용되고 있다.
감광성 활성층인 유기 고분자 소재를 기반으로 한 유기 태양전지는 재료 구조의 다양성, 대면적 저비용 인쇄 준비, 유연성, 반투명, 심지어 완전한 투명성 등의 장점을 가지고 있으며, 무기 태양전지 기술에는 없는 많은 우수한 특성을 가지고 있습니다. 가지다. 일반적인 발전 장치일 뿐만 아니라 에너지 절약형 빌딩 통합, 웨어러블 장치 등 다른 분야에서도 큰 응용 가능성을 갖고 있어 학계와 업계에서 큰 관심을 불러일으켰습니다.
"특히 최근 몇 년 동안 유기 태양전지에 대한 연구는 급속한 발전을 이루었고, 광전 변환 효율은 지속적으로 갱신되고 있습니다." 현재 과학계는 일반적으로 유기 태양전지가 상용화 '여명'에 도달했다고 믿고 있다"고 Chen Yongsheng은 말했다.
2. 병목 현상 극복: 광전 변환 효율 향상을 위해 노력합니다.
유기태양전지 개발을 가로막는 병목현상은 광전변환 효율이 낮다는 점이다. 광전변환 효율을 높이는 것은 유기태양전지 연구의 일차적 목표이자 산업화의 핵심이다. 따라서 고효율, 저비용, 우수한 재현성을 갖춘 용액 가공 가능한 활물질의 제조는 광전 변환 효율을 향상시키는 기초입니다.
Chen Yongsheng은 초기 유기 태양전지 연구는 주로 고분자 도너 물질의 설계 및 합성에 중점을 두었으며 활성층은 풀러렌 유도체 수용체의 벌크 이종 구조를 기반으로 한다고 소개했습니다. 관련 연구가 지속적으로 발전하고 장치 기술에서 재료에 대한 요구 사항이 높아짐에 따라 결정 가능한 화학 구조를 가진 용해성 올리고분자 재료가 큰 관심을 끌었습니다.
"이러한 물질은 구조가 간단하고 정제가 용이하며 광전지 장치 결과의 재현성이 좋다는 장점이 있습니다." Chen Yongsheng은 초기 단계에서 대부분의 소분자 용액은 필름 형성에 적합하지 않았기 때문에 증발은 주로 장치를 준비하는 데 사용되어 응용 전망이 크게 제한되었다고 말했습니다. 우수한 성능과 결정된 분자 구조를 갖는 광기전 활성층 재료를 어떻게 설계하고 합성하는지는 과학자들이 인식하는 핵심 문제입니다.
Chen Yongsheng은 연구 분야에 대한 예리한 통찰력과 신중한 분석을 통해 당시 큰 위험과 과제가 있었던 용액으로 처리할 수 있는 새로운 유기 소분자 및 올리고머 활성 물질을 태양광 발전의 돌파구로 결정했습니다. 연구. 분자 재료 설계부터 광전지 장치 준비 최적화까지 Chen Yongsheng은 과학 연구팀을 이끌고 밤낮으로 과학 연구를 수행했으며 10년 간의 끊임없는 노력 끝에 마침내 독특한 올리고머 저분자 유기 태양광 소재를 만들었습니다. 체계.
효율 5%에서 10% 이상, 17.3%까지 유기태양전지의 광변환 효율 분야에서 세계 신기록을 계속해서 경신하고 있다. 그들의 디자인 개념과 방법은 과학계에서 널리 사용되었습니다. 지난 10년 동안 그들은 국제적으로 유명한 잡지에 약 300편의 학술 논문을 발표했으며 50개 이상의 발명 특허를 출원했습니다.
3. 효율성을 위한 작은 한 걸음, 에너지를 위한 거대한 도약
Chen Yongsheng은 유기 태양전지의 효율성이 얼마나 높아질 수 있는지, 그리고 마침내 실리콘 기반 태양전지와 경쟁할 수 있는지에 대해 고민해 왔습니다. 유기 태양전지의 산업적 적용에 있어서 "고통점"은 어디에 있고 그것을 깨뜨리는 방법은 무엇입니까?
지난 몇 년간 유기태양전지 기술이 비약적으로 발전했음에도 불구하고 광전변환효율은 14%를 넘었지만, 태양전지를 구성하는 무기 및 페로브스카이트 소재와 비교하면 여전히 효율이 낮다. 태양광 발전 기술의 적용은 효율성, 비용, 수명 등 여러 지표를 고려해야 하지만 효율성이 항상 최우선입니다. 더 높은 광전 변환 효율을 얻기 위해 유기 재료의 장점을 활용하고 재료 설계를 최적화하며 배터리 구조 및 준비 공정을 개선하는 방법은 무엇입니까?
2015년부터 Chen Yongsheng 팀은 유기 적층 태양전지에 대한 연구를 시작했습니다. 그는 무기 물질을 기반으로 한 태양 전지의 기술적 성능 목표를 달성하거나 초과하기 위해서는 적층형 태양 전지의 설계가 매우 잠재적인 솔루션이라고 믿습니다. 유기 적층형 태양 전지는 장점을 최대한 활용하고 활용할 수 있습니다. 구조적 다양성, 햇빛 흡수 및 에너지 레벨 조정과 같은 유기/고분자 재료. 보완적인 태양광 흡수가 좋은 서브셀 활성층 물질이 얻어져 더 높은 광전 효율을 달성합니다.
위의 아이디어를 바탕으로 연구팀이 설계하고 합성한 일련의 올리고머성 소분자를 사용하여 12.7% 유기 적층 태양전지를 제조했는데, 이는 당시 유기 태양전지 분야의 효율성을 획기적으로 높여 해당 분야에 연구 결과를 발표한 것이다. 이 연구는 최고의 저널 "Nature Photonics"에 게재되었으며, 이 연구는 "2017년 중국 광학 분야 상위 10대 발전"으로 선정되었습니다.
유기태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 여지는 얼마나 될까요? Chen Yongsheng과 그의 팀은 유기태양에너지 분야의 재료 및 소자에 관한 수천 개의 문헌과 실험 데이터를 체계적으로 분석하고, 자체 연구 축적과 실험 결과를 결합하여 다중 태양전지를 포함한 유기 태양전지의 실제 최대 광전 변환 효율을 예측했습니다. 이상적인 활성층 재료에 대한 매개변수 요구사항뿐만 아니라 층 장치도 마찬가지입니다. 이 모델을 바탕으로 가시광선과 근적외선 영역에서 상보적 흡수 능력이 좋은 전면 셀과 후면 셀의 활성층 물질을 선택해 세계 최고 수준인 17.3%의 검증된 광전 변환 효율을 얻었다. 유기/고분자 태양전지에 관한 최신 문헌에 효율이 보고되어 유기 태양전지 연구를 새로운 차원으로 끌어올렸습니다.
"2016년 중국의 에너지 수요량은 표준 석탄 환산 43억 6천만 톤에 달하며, 유기 태양전지의 광전 변환 효율을 1%포인트 높이면 해당 에너지 수요는 태양전지에서 발생합니다. 이는 이산화탄소 배출이 가능하다는 것을 의미합니다. 연간 약 1억 6천만 톤을 줄여야 합니다." 천용성(陳永聖)이 말했다.
어떤 사람들은 실리콘이 정보화 시대에 가장 중요한 기초재료라고 말하는데, 그 중요성은 자명합니다. 그러나 Chen Yongsheng의 견해에 따르면 실리콘 재료에는 단점도 있습니다. "실리콘 재료가 준비 과정에서 지불해야 하는 막대한 에너지 및 환경 비용은 말할 것도 없고, 단단하고 깨지기 쉬운 특성은 미래 인류의 유연한 요구 사항을 충족시키기 어렵습니다. '웨어러블' 디바이스." 따라서 잘 접히는 유연한 탄소 소재를 기반으로 한 기술 제품은 신소재 분야의 예측 가능한 발전 방향이 될 것입니다."
