有机太阳能电池：绿色能源未来的新选择

　　陈永胜介绍，早期的有机太阳能电池的研究主要集中在聚合物的给体材料的设计合成，活性层是基于富勒烯衍生物受体的本体异质结构。随着相关研究的不断推进，以及器件工艺对材料的更高要求，具有确定化学结构的可溶液处理寡聚小分子材料开始引起人们的强烈关注。

　　“这类材料具有结构单一、易提纯、光伏器件结果重现性好等优点。”陈永胜说，早期，大多数小分子溶液处理成膜性不好，因此主要采用蒸镀的方法制备器件，使其应用前景受到很大限制。如何设计合成性能良好并具有确定分子结构的光伏活性层材料，是科学家们公认的关键难题。

　　凭借对该研究领域敏锐的洞察力和审慎分析，陈永胜果断选择了当时具有重大风险和挑战的新型可溶液加工处理的有机小分子和寡聚物活性材料作为太阳能发电研究的突破点。从分子材料设计，到光伏器件的制备优化，陈永胜带领科研团队夜以继日展开科研攻关，经过10年的不懈努力，终于建构出具有鲜明特色的寡聚小分子有机太阳能材料体系。

　　从效率5%到超过10%，再到17.3%，他们在不断刷新有机太阳能电池领域光电转化效率的世界纪录。他们提出的设计理念和方法被科学界广泛应用。十几年来，他们在国际著名杂志发表了近300篇学术论文，申请获得50多项发明专利。　3.转化效率一小步，能源界一大步

　　陈永胜一直在思考：有机太阳能电池到底能达到多高的效率，能否最终媲美硅基太阳能电池？有机太阳能电池产业化应用的“痛点”在哪里，如何去破解？

　　在过去几年中，虽然有机太阳能电池技术发展迅速，光电转化效率已突破14%，但是与无机和钙钛矿等材料制备的太阳能电池相比，效率仍然偏低。虽然光伏技术应用要考虑效率、成本和寿命等多项指标，但效率始终是第一位的。如何发挥有机材料的优势，通过优化材料设计和改进电池结构及制备工艺，从而获得更高的光电转化效率？

　　从2015年开始，陈永胜团队开始进行有机叠层太阳能电池方面研究。他认为，要达到甚至超过以无机材料为基础的太阳能电池技术性能的目标，设计叠层太阳能电池是一个极具潜力的方案——有机叠层太阳能电池可以充分利用和发挥有机/高分子材料具有的结构多样性、太阳光吸收和能级可调节等优点，获得具有良好太阳光吸收互补的子电池活性层材料，从而实现更高的光伏效率。

　　基于上述思路，他们利用团队设计合成的系列寡聚小分子制备获得12.7%的有机叠层太阳能电池，刷新了当时有机太阳能电池领域的效率，研究结果发表在领域顶级期刊《自然·光子学》，该项研究入选“2017年中国光学十大进展”。

　　有机太阳能电池的光电转化效率究竟有多少提升空间？陈永胜和他的团队系统梳理分析了目前有机太阳能领域材料和器件方面数以千计的文献和实验数据，结合自身的研究积累和实验结果，预测出有机太阳能电池包括多层器件实际可达到的最高光电转化效率，以及对理想活性层材料的参数要求。基于此模型，他们选用在可见和近红外区域具有良好互补吸收能力的前电池和后电池的活性层材料，获得了验证效率为17.3%的光电转化效率，这是目前文献报道的有机/高分子太阳能电池光电转化效率的世界最高纪录，把有机太阳能电池的研究推向了一个新的高度。

　　“按照我国2016年43.6亿吨标准煤当量的能源需求计算，如果有机太阳能电池光电转化效率提高一个百分点，相应的能源需求由太阳能电池来产生，就意味着每年可减少二氧化碳排放约1.6亿吨。”陈永胜说。

　　有人说，硅是信息时代最重要的基础性材料，其重要性不言而喻。但在陈永胜看来，硅材料也有其缺点：“且不说硅材料在制备过程中需要付出巨大的能源和环境代价，它的硬、脆特性也难以满足未来人类对于‘可穿戴’器件的柔性要求。因此，以具有良好的可折叠的柔性碳材料为基础的技术产品将是新材料学科可预见的发展方向。”