中國科學家造出新型“高能電池”,曬太陽就“來電”
2018年08月10日10:37

  來源:我是科學家iScientist

  對於當今人類來說,能源幾乎意味著一切――我們的吃穿住行都離不開各種能源的支援,而隨著煤炭、石油等石化資源的急速消耗及其帶來的一系列汙染和氣候問題,人們開始愈發地渴求能夠高效利用又清潔環保的可再生能源。

風能是一種清潔無公害的的可再生能源,目前已用於發電。圖片來源:pixabay
風能是一種清潔無公害的的可再生能源,目前已用於發電。圖片來源:pixabay

  不過,縷一縷當前常見的可再生能源,似乎都存在著這樣那樣的問題,應用起來總是沒那麼“得心應手”。比如:風能、水能、地熱,這些能源雖然環保卻太受地域限製;核能非常高效,但成本大風險高,又可能帶來放射汙染。

  太陽能作為來源最廣、受限製最少又非常清潔的能源,算是比較靠譜的了。如何能將這種隨處可得的天然能量應用到極致,也成為解決未來能源緊缺的重要方向和當前能源研究的熱點議題。

安裝在屋頂的太陽能電池板。圖片來源:pixabay
安裝在屋頂的太陽能電池板。圖片來源:pixabay

  就在近日,來自中國南開大學的陳永勝老師團隊在這一領域有了最新的研究進展――他們製備了一種基於有機半導體材料的太陽能電池,其能量轉化效率(把光能轉化成電能的效率)達到了17.3%,放置166天后性能僅有輕微衰減(約4%)。這一結果發表在國際頂級期刊《科學》(Science)雜誌上。

  17.3%是個怎樣的概念呢?可以說,它超越了目前同類有機太陽能電池效率14%的最高值[2],創下了新的世界紀錄――要知道,在提高能源轉化率這件事兒上,每個百分點的進步都是極其不易!此外,這次的有機太陽能電池放置160多天還能保持著很好的性能,這在有機太陽能電池中也是不多見的,更凸顯出這項研究的含金量。

  不過,看到這裏大家可能會問,為什麼“有機半導體材料”能與電池碰撞在一起?這種材料做成的太陽能電池又和我們平常見的無機太陽能電池有什麼區別?下面就來為大家詳細解讀吧!

  太陽能雖好,無機材料卻易老

  太陽能電池這個概念,或許大家都不陌生。但具體說到製造太陽能電池的材料,可能瞭解的人就不多了。目前,已經商品化的太陽能電池板大多由無機半導體材料製造,它具有原材料易獲取(比如矽)、吸收光譜寬、能量轉化效率高等優勢。

  但事實上,無機半導體材料並不是將太陽能轉化為電能的完美解決方案,原因在於――它們太脆了!

  無機半導體材料通常屬於脆性材料,延展性差,幾乎無法彎折,很多時候只能製造成硬邦邦的電池板放在空曠的地面或者屋頂;更要命的是,無機太陽能電池的製造過程中需要消耗大量的能量,這麼多能耗需要這塊電池工作數年的時間才能償還。而且,考慮到電池板在長期的風吹日曬下性能有所衰減,其使用壽命往往也不過數年。因此就會出現這樣的局面――辛辛苦苦造出一塊兒電池板,製造它消耗的能量超過了它這一輩子所產出的能量,可以說“得不償失”了!

  以上這些因素都會製約無機太陽能電池板的大規模應用,因此也使科學家們必須不斷去開發和尋找可替代的解決方案。

一種晶體矽太陽能電池面板。圖片來源:en.wikipedia.org
一種晶體矽太陽能電池面板。圖片來源:en.wikipedia.org

  有機導電材料強勢登場

  在大多數人的印象中,可能像塑料、橡膠這樣的有機材料,都屬於不能導電的絕緣體。但“凡事無絕對”,科學家們似乎總會帶來一些超乎人們意料的發現。

  和很多“不經意間的”發現類似,導電有機材料的誕生,最初也源自一個偶然――1967年,日本化學家白川英樹團隊的一位研究人員在合成聚乙炔的過程中,一個不留神,加入了常規用量上千倍的催化劑,得到了一種銀白色帶金屬光澤的聚乙炔(常規方法製得的聚乙炔是一種黑色粉末)。

  這一意外事件引起了Alan Heeger 和 Alan MacDiarmid 二位科學家的注意,隨後他們與白川英樹合作,成功地開發出導電率堪比金屬銀的導電聚乙炔材料,並闡明了材料的導電機理。從那以後,人們便意識到,像這樣由連續的單雙鍵交替(專業術語叫共軛)的有機物是有潛力成為導電材料的。值得一提的是,因為這次偶然和他們多年的堅持不懈,他們三人共同獲得了2000年諾貝爾化學獎。

聚乙炔的化學結構式(上)和球棍模型圖(下)。圖片來源:wikipedia
聚乙炔的化學結構式(上)和球棍模型圖(下)。圖片來源:wikipedia

  當有機半導體邂逅太陽能

  導電聚乙烯的發現,也正式拉開了有機導體材料的研究篇章。隨著人們對有機材料的持續研究,它的半導體性質也逐步為人們所認知,大量有機半導體材料湧現了出來。

  這時也有人忽然聯想到,是不是可以拿這些有機半導體材料來製造太陽能電池呢?終於,在1986年,美國柯達公司的鄧青雲博士利用有機半導體材料製備了一種太陽能電池器件[3],能量轉化效率達到了1%,實現了有機太陽能電池從0到1的突破。

  這種有機太陽能電池具備了很多無機太陽能電池不可比擬的優勢和應用前景:

  質輕且“柔軟”

  單晶矽的密度大約是2.3克/立方釐米,而大多數有機半導體材料的密度是比水小的(小於1克/立方釐米)。此外,有機半導體材料的延展性要優於無機半導體材料。

  製造工藝簡單

  有機太陽能電池通常採用溶液加工的辦法形成有機薄膜。比起需要刻蝕、高溫燒灼的無機矽電池相比,有機太陽能電池的製造工藝著實簡單多了。

  有機太陽能電池的製作過程可以和“攤煎餅”進行類比――在平底鍋(玻璃基底)上倒入麵糊(有機半導體材料的溶液),並將麵糊(溶液)攤開,隨著麵糊中水分(溶劑)的揮發,逐漸形成了一張完整的煎餅(有機薄膜)。圖片來源:http://solarmer.com/videos/(製圖:小柒)

  可製造柔性電池

  利用有機半導體材料“軟”的特性,人們可以像印刷報紙那樣,把有機半導體材料的溶液打印到塑料基底上去,製造可以彎曲的柔性電池。也許在未來,我們隨身攜帶的“充電寶”就是一張有機太陽能電池做成的“紙”,找個有陽光的地方把它攤開,就可以充電了!

可彎曲的柔性太陽能電池。圖片來源:參考文獻[4]
可彎曲的柔性太陽能電池。圖片來源:參考文獻[4]

  可製造半透明/透明電池

  化學家們通過對材料的不斷改進,研發出了半透明甚至幾乎完全透明的有機太陽能電池――這樣的電池可以讓大部分可見光透過,專門吸收肉眼不可見的紫外線和紅外線。這樣的材料有什麼用呢?試想一下,如果把房屋的窗戶換成這樣的透明電池,不僅可以為建築提供電能,還依舊保證室內的採光,豈不是一舉兩得?

透明有機太陽能電池。圖片來源:參考文獻[5]
透明有機太陽能電池。圖片來源:參考文獻[5]

  正因為有這麼多優勢和誘人的“黑科技”存在,有機太陽能電池一直是近年來學術界和工業界的研究熱點。此外,科學家們經過分析後普遍認為,如果繼續優化電池器件構型和材料選擇,有機太陽能電池的能量轉化效率理論上可以突破25%。尤其在過去的十年間,有機太陽能電池更是經曆了躍遷式的發展,其性能已經可以與商品化的無機矽電池媲美,像高處的王冠一樣鼓舞著科學家們不斷地接近它。

  不過,我們距離真正的有機太陽能電池的商品化產品還是有著一段距離,仍有一些問題需要克服――比如,很多有機材料在太陽光的照射下並不那麼穩定,製作過程中使用的溶劑毒性較大,以及大規模生產工藝也尚未成熟。

  但我們相信,在科學家們的不斷努力下,作為“潛力股”的有機太陽能電池也許真的能夠晉級為清潔環保又高能的產品,在不久後的某天“步入尋常百姓家”。

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