الخلايا الشمسية العضوية: خيار جديد لمستقبل الطاقة الخضراء

من استخدام النار الطبيعية القديمة، إلى استخدام حفر الأخشاب لإشعال النار، إلى استخدام الفحم والنفط، فإن تطور الحضارة الإنسانية هو في الأساس تطوير القدرة على استخدام الطاقة. حتى الآن، تعتمد الحضارة الإنسانية والتنمية الاقتصادية إلى حد كبير على تطوير واستخدام الطاقة الأحفورية. في القرن الحادي والعشرين، وبسبب القلق بشأن احتياطيات الطاقة الأحفورية غير المتجددة على الأرض، فضلاً عن التلوث البيئي الشديد المتزايد الناتج عن استغلال واستخدام الطاقة الأحفورية، سوف يستكشف الناس مجال الطاقة الخضراء المستدامة، مثل الطاقة الشمسية، طاقة الرياح، الطاقة المائية..

"إن حل المشكلة العلمية المتمثلة في الاستخدام الفعال للطاقة الشمسية هو السبيل إلى التنمية المستدامة للبشرية." وأكد البروفيسور تشين يونغ شنغ، كلية الكيمياء بجامعة نانكاي، أن "الشمس هي أم كل الأشياء و"مصدر" الطاقة. فإذا أمكن تسخير الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض في أي وقت إلى جزأين لكل 10000، يمكن تلبية الطلب الكامل على الطاقة للمجتمع البشري، ولهذا السبب، قام البروفيسور تشن يونغ شنغ وفريقه بتكثيف مهمة البحث العلمي في جملة واحدة - "إلى الشمس للحصول على الطاقة"!

1. من المتوقع أن يتم تسويق الخلايا الشمسية العضوية تجارياً

في الاستخدام البشري لتقنيات الطاقة الشمسية، تُستخدم الخلايا الشمسية حاليًا على نطاق واسع، أي استخدام "التأثير الكهروضوئي" لتحويل الطاقة الضوئية مباشرة إلى أجهزة طاقة كهربائية، ولكنها أيضًا واحدة من أكثر التقنيات الواعدة.

لفترة طويلة، كان الناس يعتمدون أكثر على المواد غير العضوية مثل السيليكون البلوري لإعداد الخلايا الشمسية. ومع ذلك، فإن إنتاج هذا النوع من البطاريات له عيوب مثل العملية المعقدة والتكلفة العالية والاستهلاك العالي للطاقة والتلوث الشديد. إن العثور على مادة عضوية جديدة بتكلفة منخفضة وكفاءة عالية ومرونة قوية وصديقة للبيئة لتطوير نوع جديد من الخلايا الشمسية أصبح الآن هدف العلماء في جميع أنحاء العالم.

"إن استخدام مادة الكربون الأكثر وفرة على وجه الأرض كمواد خام أساسية، والحصول على طاقة خضراء فعالة ومنخفضة التكلفة من خلال الوسائل التقنية له أهمية كبيرة لحل مشاكل الطاقة الرئيسية التي تواجه البشرية في الوقت الحاضر." وأوضح تشين يونغ شنغ أن الأبحاث المتعلقة بالإلكترونيات العضوية والمواد الوظيفية العضوية (البوليمر)، والتي بدأت في السبعينيات، أتاحت فرصًا لتحقيق هذا الهدف.

بالمقارنة مع مواد أشباه الموصلات غير العضوية التي يمثلها السيليكون، تتمتع أشباه الموصلات العضوية بالعديد من المزايا مثل التكلفة المنخفضة وتنوع المواد والوظيفة القابلة للتعديل والطباعة المرنة. في الوقت الحاضر، يتم إنتاج شاشات العرض القائمة على الثنائيات العضوية الباعثة للضوء (OLeds) تجاريًا وتستخدم على نطاق واسع في شاشات الهاتف المحمول والتلفزيون.

تتميز الخلية الشمسية العضوية القائمة على مادة البوليمر العضوية كطبقة نشطة حساسة للضوء بمزايا تنوع هيكل المادة، وإعداد طباعة منخفضة التكلفة بمساحة كبيرة، والمرونة، والشفافية وحتى الشفافية الكاملة، ولها العديد من الخصائص الممتازة التي لا توفرها تكنولوجيا الخلايا الشمسية غير العضوية. يملك. بالإضافة إلى كونه جهازًا عاديًا لتوليد الطاقة، فإنه يتمتع أيضًا بإمكانات تطبيقية كبيرة في مجالات أخرى مثل تكامل المباني الموفرة للطاقة والأجهزة القابلة للارتداء، مما أثار اهتمامًا كبيرًا في الأوساط الأكاديمية والصناعة.

"خاصة في السنوات الأخيرة، حققت أبحاث الخلايا الشمسية العضوية تطورًا سريعًا، ويتم تحديث كفاءة التحويل الكهروضوئي باستمرار." وفي الوقت الحاضر، يعتقد المجتمع العلمي عمومًا أن الخلايا الشمسية العضوية قد وصلت إلى "فجر" التسويق." قال تشن يونغ شنغ.

2. اختراق عنق الزجاجة: السعي لتحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي

إن عنق الزجاجة الذي يقيد تطوير الخلايا الشمسية العضوية هو أن كفاءة التحويل الكهروضوئي منخفضة. يعد تحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي هو الهدف الأساسي لأبحاث الخلايا الشمسية العضوية ومفتاح تصنيعها. ولذلك، فإن إعداد المواد النشطة القابلة للمعالجة بالمحلول بكفاءة عالية ومنخفضة التكلفة وإمكانية تكرار نتائج جيدة هو الأساس لتحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي.

قدم تشن يونغ شنغ أن أبحاث الخلايا الشمسية العضوية المبكرة ركزت بشكل أساسي على تصميم وتخليق المواد المانحة للبوليمر، وكانت الطبقة النشطة مبنية على البنية غير المتجانسة السائبة لمستقبلات مشتقات الفوليرين. مع التقدم المستمر للأبحاث ذات الصلة والمتطلبات الأعلى للمواد في تكنولوجيا الأجهزة، جذبت المواد قليلة الجزيئات القابلة للذوبان ذات التركيب الكيميائي القابل للتحديد اهتمامًا مكثفًا.

"تتمتع هذه المواد بمزايا البنية البسيطة وسهولة التنقية والاستنساخ الجيد لنتائج الأجهزة الكهروضوئية." وقال تشن يونغ شنغ إنه في المرحلة المبكرة، لم تكن معظم المحاليل الجزيئية الصغيرة جيدة في تشكيل الأفلام، لذلك تم استخدام التبخر بشكل أساسي لإعداد الأجهزة، مما حد بشكل كبير من آفاق تطبيقها. تعد كيفية تصميم وتوليف مواد الطبقة النشطة الكهروضوئية ذات الأداء الجيد والبنية الجزيئية المحددة مشكلة رئيسية يعترف بها العلماء.

بفضل رؤيته الثاقبة وتحليله الدقيق لمجال البحث، اختار تشن يونغ شنغ بشكل حاسم الجزيئات العضوية الصغيرة الجديدة والمواد النشطة قليلة القسيم التي يمكن معالجتها بالمحلول، والتي كانت لها مخاطر وتحديات كبيرة في ذلك الوقت، باعتبارها نقطة انطلاق لتوليد الطاقة الشمسية. بحث. من تصميم المواد الجزيئية إلى تحسين إعداد الأجهزة الكهروضوئية، قاد تشن يونغ شنغ فريق البحث العلمي لإجراء البحث العلمي ليلًا ونهارًا، وبعد 10 سنوات من الجهود المتواصلة، قام أخيرًا ببناء مادة شمسية عضوية جزيء صغير فريد من نوعه. نظام.

ومن كفاءة 5% إلى أكثر من 10%، ومن ثم إلى 17.3%، يواصلون تحطيم الرقم القياسي العالمي في مجال كفاءة التحويل الكهروضوئي للخلايا الشمسية العضوية. وقد تم استخدام مفاهيم وأساليب التصميم الخاصة بهم على نطاق واسع من قبل المجتمع العلمي. وعلى مدى العقد الماضي، نشروا ما يقرب من 300 بحث أكاديمي في مجلات مشهورة عالميًا وتقدموا بطلبات للحصول على أكثر من 50 براءة اختراع.

3. خطوة صغيرة لتحقيق الكفاءة، وقفزة عملاقة للطاقة

كان تشن يونغ شنغ يفكر في مدى إمكانية تحقيق كفاءة الخلايا الشمسية العضوية، وما إذا كان بإمكانها في النهاية التنافس مع الخلايا الشمسية القائمة على السيليكون؟ أين تكمن "نقطة الألم" في التطبيق الصناعي للخلايا الشمسية العضوية وكيفية حلها؟

في السنوات القليلة الماضية، على الرغم من التطور السريع لتكنولوجيا الخلايا الشمسية العضوية، فقد تجاوزت كفاءة التحويل الكهروضوئي 14٪، ولكن بالمقارنة مع المواد غير العضوية والبيروفسكايت المصنوعة من الخلايا الشمسية، لا تزال الكفاءة منخفضة. على الرغم من أن تطبيق التكنولوجيا الكهروضوئية يجب أن يأخذ في الاعتبار عددًا من المؤشرات مثل الكفاءة والتكلفة والعمر، إلا أن الكفاءة هي الأولى دائمًا. كيفية الاستفادة من مزايا المواد العضوية، وتحسين تصميم المواد وتحسين هيكل البطارية وعملية التحضير، وذلك للحصول على كفاءة تحويل كهروضوئية أعلى؟

منذ عام 2015، بدأ فريق تشين يونغ شنغ في إجراء أبحاث على الخلايا الشمسية العضوية المصفحة. وهو يعتقد أنه من أجل الوصول إلى هدف الأداء الفني للخلايا الشمسية المعتمدة على مواد غير عضوية أو حتى تجاوزه، فإن تصميم الخلايا الشمسية الرقائقية يعد حلاً محتملاً للغاية - حيث يمكن للخلايا الشمسية الرقائقية العضوية الاستفادة الكاملة من المزايا والاستفادة منها المواد العضوية/البوليمرية، مثل التنوع الهيكلي، وامتصاص أشعة الشمس، وتعديل مستوى الطاقة. يتم الحصول على مادة الطبقة النشطة للخلية الفرعية مع امتصاص جيد لأشعة الشمس التكميلية، وبالتالي تحقيق كفاءة كهروضوئية أعلى.

بناءً على الأفكار المذكورة أعلاه، استخدموا سلسلة من الجزيئات الصغيرة قليلة القسيمات التي تم تصميمها وتوليفها من قبل الفريق لتحضير12.7% من الخلايا الشمسية الرقائقية العضوية، مما أدى إلى تحديث كفاءة مجال الخلايا الشمسية العضوية في ذلك الوقت، وتم نشر نتائج الأبحاث في هذا المجال. من أفضل مجلة " الضوئيات الطبيعة "، وتم اختيار الدراسة باعتبارها "أفضل عشرة تطورات في مجال البصريات الصينية في عام 2017".

ما مقدار المساحة لتحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي للخلايا الشمسية العضوية؟ قام تشن يونغ شنغ وفريقه بتحليل منهجي لآلاف من الأدبيات والبيانات التجريبية حول المواد والأجهزة في مجال الطاقة الشمسية العضوية، وجنبًا إلى جنب مع تراكم الأبحاث الخاصة بهم والنتائج التجريبية، توقعوا الحد الأقصى الفعلي لكفاءة التحويل الكهروضوئي للخلايا الشمسية العضوية بما في ذلك الخلايا الشمسية المتعددة. أجهزة الطبقة، بالإضافة إلى متطلبات المعلمات لمواد الطبقة النشطة المثالية. بناءً على هذا النموذج، اختاروا مواد الطبقة النشطة للخلية الأمامية والخلية الخلفية ذات قدرة امتصاص تكميلية جيدة في المناطق المرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء، وحصلوا على كفاءة تحويل كهروضوئية تم التحقق منها بنسبة 17.3%، وهو أعلى تحويل كهروضوئي في العالم. تم الإبلاغ عن الكفاءة في الأدبيات الحالية للخلايا الشمسية العضوية / البوليمرية، مما دفع أبحاث الخلايا الشمسية العضوية إلى آفاق جديدة.

"وفقًا لطلب الصين على الطاقة البالغ 4.36 مليار طن من مكافئ الفحم القياسي في عام 2016، إذا تمت زيادة كفاءة التحويل الكهروضوئي للخلايا الشمسية العضوية بمقدار نقطة مئوية واحدة، فإن الطلب على الطاقة المقابل يتم توليده بواسطة الخلايا الشمسية، مما يعني أن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون يمكن أن سيتم تخفيضها بنحو 160 مليون طن سنويا." قال تشن يونغ شنغ.

يقول البعض أن السيليكون هو المادة الأساسية الأكثر أهمية في عصر المعلومات، وأهميته بديهية. ومع ذلك، من وجهة نظر تشن يونغ شنغ، فإن مواد السيليكون لها أيضًا عيوبها: "ناهيك عن تكاليف الطاقة والبيئية الضخمة التي تحتاج مواد السيليكون إلى دفعها في عملية التحضير، ومن الصعب تلبية خصائصها الصلبة والهشة للمتطلبات المرنة للإنسان في المستقبل". الأجهزة "القابلة للارتداء". ولذلك، فإن المنتجات التقنية المعتمدة على مواد كربونية مرنة ذات طي جيد ستكون الاتجاه التطويري المتوقع لتخصص المواد الجديد."