中国科学家造出新型“高能电池”:晒太阳就“来电”

中国科学家造出新型“高能电池”:晒太阳就“来电”
2018年08月10日 10:37 新浪科技综合

  来源:我是科学家iScientist

  对于当今人类来说,能源几乎意味着一切——我们的吃穿住行都离不开各种能源的支持,而随着煤炭、石油等石化资源的急速消耗及其带来的一系列污染和气候问题,人们开始愈发地渴求能够高效利用又清洁环保的可再生能源。

风能是一种清洁无公害的的可再生能源,目前已用于发电。图片来源:pixabay风能是一种清洁无公害的的可再生能源,目前已用于发电。图片来源:pixabay

  不过,缕一缕当前常见的可再生能源,似乎都存在着这样那样的问题,应用起来总是没那么“得心应手”。比如:风能、水能、地热,这些能源虽然环保却太受地域限制;核能非常高效,但成本大风险高,又可能带来放射污染。

  太阳能作为来源最广、受限制最少又非常清洁的能源,算是比较靠谱的了。如何能将这种随处可得的天然能量应用到极致,也成为解决未来能源紧缺的重要方向和当前能源研究的热点议题。

安装在屋顶的太阳能电池板。图片来源:pixabay安装在屋顶的太阳能电池板。图片来源:pixabay

  就在近日,来自中国南开大学的陈永胜老师团队在这一领域有了最新的研究进展——他们制备了一种基于有机半导体材料的太阳能电池,其能量转化效率(把光能转化成电能的效率)达到了17.3%,放置166天后性能仅有轻微衰减(约4%)。这一结果发表在国际顶级期刊《科学》(Science)杂志上。

  17.3%是个怎样的概念呢?可以说,它超越了目前同类有机太阳能电池效率14%的最高值,创下了新的世界纪录——要知道,在提高能源转化率这件事儿上,每个百分点的进步都是极其不易!此外,这次的有机太阳能电池放置160多天还能保持着很好的性能,这在有机太阳能电池中也是不多见的,更凸显出这项研究的含金量。

  不过,看到这里大家可能会问,为什么“有机半导体材料”能与电池碰撞在一起?这种材料做成的太阳能电池又和我们平常见的无机太阳能电池有什么区别?下面就来为大家详细解读吧!

  太阳能虽好,无机材料却易老

  太阳能电池这个概念,或许大家都不陌生。但具体说到制造太阳能电池的材料,可能了解的人就不多了。目前,已经商品化的太阳能电池板大多由无机半导体材料制造,它具有原材料易获取(比如硅)、吸收光谱宽、能量转化效率高等优势。

  但事实上,无机半导体材料并不是将太阳能转化为电能的完美解决方案,原因在于——它们太脆了!

  无机半导体材料通常属于脆性材料,延展性差,几乎无法弯折,很多时候只能制造成硬邦邦的电池板放在空旷的地面或者屋顶;更要命的是,无机太阳能电池的制造过程中需要消耗大量的能量,这么多能耗需要这块电池工作数年的时间才能偿还。而且,考虑到电池板在长期的风吹日晒下性能有所衰减,其使用寿命往往也不过数年。因此就会出现这样的局面——辛辛苦苦造出一块儿电池板,制造它消耗的能量超过了它这一辈子所产出的能量,可以说“得不偿失”了!

  以上这些因素都会制约无机太阳能电池板的大规模应用,因此也使科学家们必须不断去开发和寻找可替代的解决方案。

一种晶体硅太阳能电池面板。图片来源:en.wikipedia.org一种晶体硅太阳能电池面板。图片来源:en.wikipedia.org

  有机导电材料强势登场

  在大多数人的印象中,可能像塑料、橡胶这样的有机材料,都属于不能导电的绝缘体。但“凡事无绝对”,科学家们似乎总会带来一些超乎人们意料的发现。

  和很多“不经意间的”发现类似,导电有机材料的诞生,最初也源自一个偶然——1967年,日本化学家白川英树团队的一位研究人员在合成聚乙炔的过程中,一个不留神,加入了常规用量上千倍的催化剂,得到了一种银白色带金属光泽的聚乙炔(常规方法制得的聚乙炔是一种黑色粉末)。

  这一意外事件引起了Alan Heeger 和 Alan MacDiarmid 二位科学家的注意,随后他们与白川英树合作,成功地开发出导电率堪比金属银的导电聚乙炔材料,并阐明了材料的导电机理。从那以后,人们便意识到,像这样由连续的单双键交替(专业术语叫共轭)的有机物是有潜力成为导电材料的。值得一提的是,因为这次偶然和他们多年的坚持不懈,他们三人共同获得了2000年诺贝尔化学奖。 

聚乙炔的化学结构式(上)和球棍模型图(下)。图片来源:wikipedia聚乙炔的化学结构式(上)和球棍模型图(下)。图片来源:wikipedia

  当有机半导体邂逅太阳能

  导电聚乙烯的发现,也正式拉开了有机导体材料的研究篇章。随着人们对有机材料的持续研究,它的半导体性质也逐步为人们所认知,大量有机半导体材料涌现了出来。

  这时也有人忽然联想到,是不是可以拿这些有机半导体材料来制造太阳能电池呢?终于,在1986年,美国柯达公司的邓青云博士利用有机半导体材料制备了一种太阳能电池器件[3],能量转化效率达到了1%,实现了有机太阳能电池从0到1的突破。

  这种有机太阳能电池具备了很多无机太阳能电池不可比拟的优势和应用前景:

  质轻且“柔软”

  单晶硅的密度大约是2.3克/立方厘米,而大多数有机半导体材料的密度是比水小的(小于1克/立方厘米)。此外,有机半导体材料的延展性要优于无机半导体材料。

  制造工艺简单

  有机太阳能电池通常采用溶液加工的办法形成有机薄膜。比起需要刻蚀、高温烧灼的无机硅电池相比,有机太阳能电池的制造工艺着实简单多了。

有机太阳能电池的制作过程可以和“摊煎饼”进行类比——在平底锅(玻璃基底)上倒入面糊(有机半导体材料的溶液),并将面糊(溶液)摊开,随着面糊中水分(溶剂)的挥发,逐渐形成了一张完整的煎饼(有机薄膜)。图片来源:http://solarmer.com/videos/(制图:小柒)  有机太阳能电池的制作过程可以和“摊煎饼”进行类比——在平底锅(玻璃基底)上倒入面糊(有机半导体材料的溶液),并将面糊(溶液)摊开,随着面糊中水分(溶剂)的挥发,逐渐形成了一张完整的煎饼(有机薄膜)。图片来源:http://solarmer.com/videos/(制图:小柒)

  可制造柔性电池

  利用有机半导体材料“软”的特性,人们可以像印刷报纸那样,把有机半导体材料的溶液打印到塑料基底上去,制造可以弯曲的柔性电池。也许在未来,我们随身携带的“充电宝”就是一张有机太阳能电池做成的“纸”,找个有阳光的地方把它摊开,就可以充电了!

可弯曲的柔性太阳能电池。图片来源:参考文献[4]可弯曲的柔性太阳能电池。图片来源:参考文献[4]

  可制造半透明/透明电池

  化学家们通过对材料的不断改进,研发出了半透明甚至几乎完全透明的有机太阳能电池——这样的电池可以让大部分可见光透过,专门吸收肉眼不可见的紫外线和红外线。这样的材料有什么用呢?试想一下,如果把房屋的窗户换成这样的透明电池,不仅可以为建筑提供电能,还依旧保证室内的采光,岂不是一举两得?

透明有机太阳能电池。图片来源:参考文献[5]透明有机太阳能电池。图片来源:参考文献[5]

  正因为有这么多优势和诱人的“黑科技”存在,有机太阳能电池一直是近年来学术界和工业界的研究热点。此外,科学家们经过分析后普遍认为,如果继续优化电池器件构型和材料选择,有机太阳能电池的能量转化效率理论上可以突破25%。尤其在过去的十年间,有机太阳能电池更是经历了跃迁式的发展,其性能已经可以与商品化的无机硅电池媲美,像高处的王冠一样鼓舞着科学家们不断地接近它。

  不过,我们距离真正的有机太阳能电池的商品化产品还是有着一段距离,仍有一些问题需要克服——比如,很多有机材料在太阳光的照射下并不那么稳定,制作过程中使用的溶剂毒性较大,以及大规模生产工艺也尚未成熟。

  但我们相信,在科学家们的不断努力下,作为“潜力股”的有机太阳能电池也许真的能够晋级为清洁环保又高能的产品,在不久后的某天“步入寻常百姓家”。

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