相對于人類發(fā)展歷史的有限年代而言，太陽能可以說是“取之不盡用之不竭”的最大的清潔能源。攻克太陽能利用技術(shù)難關(guān)，對于解決能源危機，確保能源安全，掌握未來發(fā)展主動權(quán)具有重要意義。近年來，相對于傳統(tǒng)以晶硅等為基礎(chǔ)的無機太陽能電池生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高、能耗大、污染重，成本低、效率高、柔性強、環(huán)境友好的新型有機太陽能電池成為世界各國在新能源研究中競爭最為激烈的領(lǐng)域之一。

十幾年來，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授團隊始終致力于碳納米材料、有機功能材料及其在能源轉(zhuǎn)化與存儲等方面的研究。他們開發(fā)的有機太陽能電池器件光電轉(zhuǎn)化效率多次刷新世界紀錄。2018年夏天，他們設(shè)計、制備的具有高效、寬光譜吸收特性的疊層有機太陽能電池材料和器件，實現(xiàn)了17.3%的光電轉(zhuǎn)化效率，再次刷新了文獻報道的有機/高分子太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的世界紀錄。這一成果讓有機太陽能電池向產(chǎn)業(yè)化邁進了一大步。國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）雜志刊文報道。

1月8日，2018年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會在北京人民大會堂隆重舉行。陳永勝教授團隊“面向能源轉(zhuǎn)化與存儲的有機和碳納米材料研究”項目榮獲國家自然科學(xué)獎二等獎。

陳永勝教授（下排右）

有機太陽能電池:綠色能源的未來選擇

能源的利用是整個人類發(fā)展的基石。從早期的自然火的利用，到鉆木取火，到煤炭、石油的利用，人類文明的發(fā)展本質(zhì)上是能源利用能力的發(fā)展。當前，地球上有限的化石能源的開采與使用導(dǎo)致了日益嚴峻的能源危機和環(huán)境污染。因此，開發(fā)利用綠色可持續(xù)的能源是人類社會發(fā)展的方向。

目前，已商業(yè)化應(yīng)用的太陽能電池主要是以晶硅等為無機原料制備的，但因其原材料及電池構(gòu)筑生產(chǎn)工藝復(fù)雜，存在生成成本高、能耗大、污染嚴重等問題，很大程度上限制了其應(yīng)用和發(fā)展。發(fā)展成本低、環(huán)境友好、高效的新型太陽能技術(shù)成為新能源領(lǐng)域的重大課題。

“如果能利用地球上最豐富的元素——碳及其材料為基本原料實現(xiàn)高效低成本的綠色能源技術(shù)，將對解決目前人類面臨的重大能源問題具有重大的意義�！标愑绖俳榻B，從上世紀70年代開始的有機電子學(xué)及有機（高分子）功能材料的研究的為這一領(lǐng)域和實現(xiàn)上述目標提供了重大機遇。

基于有機高分子材料作為光敏活性層的有機太陽能電池，具有材料結(jié)構(gòu)多樣性、可大面積低成本印刷制備、柔性、半透明甚至全透明等優(yōu)點，具備其它太陽能電池技術(shù)所不具有的許多優(yōu)良特性。除了作為正常的發(fā)電裝置外，在其它領(lǐng)域如節(jié)能建筑一體化，可穿戴設(shè)備等方面亦具有巨大的應(yīng)用潛力，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的大量研究。

有機太陽能領(lǐng)域里程碑式發(fā)展是原美國柯達公司的鄧青云（Ching W. Tang）博士于1986年報道的雙層結(jié)構(gòu)染料光伏器件，光電轉(zhuǎn)換效率約為1%。經(jīng)過多年的努力，各國科學(xué)家在有機太陽能電池活性層的設(shè)計合成、器件優(yōu)化工藝及器件機理等多方面進行了大量的探索。

“特別是近五年來，有機太陽能電池的研究獲得了突飛猛進的發(fā)展，光電轉(zhuǎn)化效率不斷刷新，目前普遍認為有機太陽能電池已經(jīng)到了商業(yè)化的‘黎明前夕’�！标愑绖僬f，作為世界各國在新能源研究中競爭最為激烈的領(lǐng)域之一，開發(fā)并引領(lǐng)具有獨立的自主知識產(chǎn)權(quán)的有機太陽能電池材料和技術(shù)，為我國贏得先機，一直是這一領(lǐng)域內(nèi)中國科學(xué)家的努力方向。

有機太陽能電池的柔性特征和該研究工作的主要結(jié)果

突破瓶頸：努力提高光電轉(zhuǎn)化效率

有機太陽能電池發(fā)展的“瓶頸”在于光電轉(zhuǎn)化效率低。提高光電轉(zhuǎn)化效率是有機太陽能電池研究首要解決的問題，也是其實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。發(fā)展高效率、低成本以及重現(xiàn)性良好的可溶液加工活性材料，即有機太陽能電池吸光層材料是實現(xiàn)上述目標的基礎(chǔ)。

陳永勝介紹，早期的有機太陽能電池的研究主要集中在聚合物的給體材料的設(shè)計合成，活性層是基于富勒烯衍生物受體的本體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。隨著有機太陽能電池的飛速發(fā)展以及器件工藝對材料的更高要求，具有確定化學(xué)結(jié)構(gòu)的可溶液處理寡聚小分子材料開始引起人們的強烈關(guān)注。

“其中最重要的原因是這類材料具有結(jié)構(gòu)單一，易提純，進而光伏器件結(jié)果重現(xiàn)性好的優(yōu)點。”陳永勝說，早期大多數(shù)小分子溶液處理成膜性不好，因此主要采用蒸鍍的方法制備器件，使其應(yīng)用前景受到很大限制。如何設(shè)計合成獲得具有良好性能的并具有確定分子結(jié)構(gòu)的光伏活性層材料是長期困擾各國研究者的關(guān)鍵難題。

2004年，陳永勝從美國回到母校南開大學(xué)任教，建立了以碳材料為基礎(chǔ)的綠色能源材料和應(yīng)用研究團隊，并在2007年開始進行有機太陽能發(fā)電和以碳納米材料為基礎(chǔ)的儲電方面的研究。

“當時整個領(lǐng)域處于低谷，光電轉(zhuǎn)化效率在5%左右。許多研究者對有機太陽能電池的未來發(fā)展不抱信心，甚至紛紛退出。而作為最重要的碳納米材料石墨烯的研究國內(nèi)當時還是空白。”陳永勝介紹，當時國外從事有機太陽能電池領(lǐng)域研究的團隊幾乎全部集中在傳統(tǒng)聚合物活性材料上，如果進行這方面的研究風險會很小，但難以形成特色和實現(xiàn)重大突破。

憑借對該領(lǐng)域敏銳的洞察力和審慎分析，陳永勝果斷選擇了在當時具有重大風險和挑戰(zhàn)的新型可溶液加工處理的有機小分子和寡聚物活性材料作為其團隊的太陽能發(fā)電的主要突破點。目標既定，雷厲風行。從分子材料設(shè)計到光伏器件的制備優(yōu)化，陳永勝帶領(lǐng)團隊夜以繼日，馬不停蹄地展開科研攻關(guān)。經(jīng)過十多年的不懈努力，他們終于發(fā)展出了具有鮮明特色的寡聚小分子有機太陽能材料體系。

陳永勝團隊提出了具有“給體-受體-給體”（A-D-A）構(gòu)架及確定分子結(jié)構(gòu)的溶液可處理高效寡聚小分子光伏材料設(shè)計理念。通過A-D-A分子中各單元結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對材料太陽光吸收、電荷分離傳輸和成膜性等的有效調(diào)控，并克服了聚合物分子量多分散性帶來的器件性能重現(xiàn)性問題及傳統(tǒng)小分子難于溶液加工的缺點。根據(jù)上述理念，他們設(shè)計合成了具有確定分子結(jié)構(gòu)和精確分子量的一系列高效有機光伏寡聚物材料，開創(chuàng)了以繞丹寧、茚滿二酮等單元為端基，雙鍵橋連的A-D-A結(jié)構(gòu)的新型高效可溶液加工的光伏活性層材料體系。

從效率5%到超過10%，再到2018年《科學(xué)》雜志報道的17.3%，陳永勝帶領(lǐng)團隊多次刷新了有機太陽能電池領(lǐng)域光電轉(zhuǎn)換效率的世界記錄。他們提出的設(shè)計理念和方法，發(fā)展的結(jié)構(gòu)單元等被廣泛應(yīng)用。十幾年來，他們在國際著名雜志發(fā)表了近300篇學(xué)術(shù)論文，申請了超過50篇發(fā)明專利，使中國真正引領(lǐng)了有機太陽能電池領(lǐng)域研究和發(fā)展。

實驗人員展示有機太陽能電池柔性特質(zhì)

數(shù)字上的“一小步”，能源界的“一大步”

雖然取得了上述一系列重要的研究突破，但對陳永勝來說，每一次突破都意味著一個新目標的開始。他總在不停地思考，有機太陽電池到底能達到多高的效率？是否可以媲美硅基太陽能電池？有機太陽能電池應(yīng)用的下一個瓶頸是什么？現(xiàn)階段的主要任務(wù)是什么？當前我們應(yīng)該主攻的目標是什么? 如何去實現(xiàn)？

2015年，陳永勝團隊開始進行有機疊層太陽能電池研究。通過對比無機材料和有機材料的特點，陳永勝認為，要充分發(fā)揮有機高分子材料的優(yōu)勢，并實現(xiàn)達到甚至超過以無機材料為基礎(chǔ)的太陽能技術(shù)性能的目標，疊層太陽能電池是一個極具潛力的方案。更值得注意的是，有機疊層太陽能電池可以充分利用和發(fā)揮有機/高分子材料具有的結(jié)構(gòu)多樣性、太陽光吸收和能級可調(diào)節(jié)等優(yōu)點，獲得具有良好太陽光吸收互補的子電池活性層材料，從而實現(xiàn)更高的光伏效率。

基于上述思路，他們利用團隊設(shè)計合成的系列寡聚小分子制備獲得12.7%的有機疊層太陽能電池，刷新了當時有機太陽電池領(lǐng)域的效率，研究結(jié)果發(fā)表在領(lǐng)域頂級期刊《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics），該項研究入選“2017年中國光學(xué)十大進展”。隨后，通過技術(shù)攻關(guān)，陳永深團隊獲得了驗證效率為17.3%的光電轉(zhuǎn)化效率，把有機太陽電池的研究推向了一個新的高度。

“這一研究結(jié)果縮小了有機太陽能電池與其它光伏技術(shù)效率之間的差距，大大提升了人們對有機太陽能電池的信心。它同時表明，有機太陽能電池可以實現(xiàn)和無機材料同樣的效率�！标愑绖僬f。

“按照我國2016年43.6億噸標準煤當量的能源需求計算，如果有機太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率提高一個百分點，相應(yīng)的能源需求由太陽能電池來產(chǎn)生，就意味著每年減少使用4000千萬噸標準煤，與之相應(yīng)地可減少二氧化碳排放約1.6億噸。其社會和環(huán)境意義可見一斑�！标愑绖僬f。

確保能源安全：必須依靠自主創(chuàng)新

“中國是人口數(shù)量第一的大國，哪一個行業(yè)或領(lǐng)域都不能靠別人，各行各業(yè)都需要有自己獨立自主的技術(shù)。在新能源和核心材料這些核心戰(zhàn)略領(lǐng)域，更不能依靠別人。作為科研人員，我們要肩負起責任�！标愑绖俪Ｒ源吮薏咦约汉蛨F隊成員。

“中國科學(xué)家近日發(fā)展了一種碳材料為基礎(chǔ)的可以代替成本高的硅基太陽能電池的替代方案。這一方案使用碳基材料為基礎(chǔ)的塑料薄膜為活性層可以高效地把太陽能轉(zhuǎn)變成電能，因此，可以通過方便和便宜的印刷技術(shù)制備同時可以和建筑外表一起使用�！庇�國廣播公司（BBC）對陳永勝團隊最新成果的報道，將重點置于新材料的柔性和可印刷方面。

“我們在進一步提高有機太陽能效率的同時，將進一步研究柔性可穿戴的包括透明的有機太陽能電池，同時和儲能設(shè)備結(jié)合，發(fā)展發(fā)電儲電一體化材料和技術(shù)。”陳永勝說。

陳永勝團隊早已開始布局并實施下一步的研究規(guī)劃。在更高效率的有機太陽能電池材料設(shè)計與器件構(gòu)筑方面，他們已經(jīng)開始了系統(tǒng)而深入的工作，目前進展順利。對了適應(yīng)快速更迭的應(yīng)用需求，陳永勝團隊已經(jīng)在有機太陽能電池應(yīng)用的關(guān)鍵部分—柔性透明電極方面開展了研究工作，同樣取得了較好的研究進展，發(fā)展的可適用于有機太陽能電池的柔性透明電極有望進入大面積生產(chǎn)制備，從而在有機太陽能電池柔性印刷制備這一關(guān)鍵技術(shù)問題上獲得突破，并取得獨立的知識產(chǎn)權(quán)。

陳永勝希望研究團隊和中國企業(yè)緊密合作，實現(xiàn)這一領(lǐng)域中國全產(chǎn)業(yè)鏈獨立自主的太陽能電池制備技術(shù)�！霸谟袡C太陽能電池這一領(lǐng)域，是為數(shù)不多我們中國人處于比較領(lǐng)先位置的領(lǐng)域，同時我們有自己最核心的材料和完全自主的制備技術(shù)，雖然我們還有很多事要做，但我們完全有能力在這一綠色能源領(lǐng)域的競爭中為國家提供獨立自主和具有國際領(lǐng)先的完全的技術(shù)方案”。陳永勝說。

原標題：陳永勝：誓作有機太陽能電池領(lǐng)跑者