De l'utilisation du feu naturel ancien à l'utilisation du bois de forage pour le feu, en passant par l'utilisation du charbon et du pétrole, le développement de la civilisation humaine est essentiellement le développement de la capacité d'utilisation de l'énergie. Jusqu’à présent, la civilisation humaine et le développement économique reposent en grande partie sur le développement et l’utilisation des énergies fossiles. Au 21ème siècle, en raison de l'inquiétude suscitée par les réserves d'énergie fossile non renouvelables sur terre, ainsi que par la pollution environnementale de plus en plus grave dérivée de l'exploitation et de l'utilisation de l'énergie fossile, les gens exploreront le domaine de l'énergie verte durable, comme énergie solaire, énergie éolienne, énergie hydraulique...
"C'est seulement en résolvant le problème scientifique de l'utilisation efficace de l'énergie solaire que l'on pourra parvenir au développement durable de l'humanité." Le professeur Chen Yongsheng, de l'École de chimie de l'Université de Nankai, a affirmé : « Le soleil est la mère de toutes choses et la « source » d'énergie. Si l'énergie solaire qui atteint la Terre à tout moment pouvait être exploitée à hauteur de deux parties pour 10 000, la totalité de la demande énergétique de la société humaine pourrait être satisfaite. C'est pour cette raison que le professeur Chen Yongsheng et son équipe ont condensé leur mission de recherche scientifique en une phrase : « au soleil pour l'énergie » !
1. Des cellules solaires organiques devraient être commercialisées
Dans l'utilisation humaine des technologies de l'énergie solaire, les cellules solaires, c'est-à-dire l'utilisation de « l'effet photovoltaïque » pour convertir directement l'énergie lumineuse en appareils à énergie électrique, sont actuellement largement utilisées, mais elles constituent également l'une des technologies les plus prometteuses.
Pendant longtemps, les gens se sont davantage appuyés sur des matériaux inorganiques tels que le silicium cristallin pour préparer les cellules solaires. Cependant, la production de ce type de batterie présente des inconvénients tels qu’un processus compliqué, un coût élevé, une consommation d’énergie élevée et une forte pollution. Trouver un nouveau matériau organique à faible coût, à haut rendement, très flexible et respectueux de l'environnement pour développer un nouveau type de cellule solaire devient désormais l'objectif des scientifiques du monde entier.
"En utilisant le carbone le plus abondant sur terre comme matière première de base, l'obtention d'une énergie verte efficace et peu coûteuse par des moyens techniques est d'une grande importance pour résoudre les problèmes énergétiques majeurs auxquels l'humanité est actuellement confrontée." Chen Yongsheng a expliqué que la recherche sur l'électronique organique et les matériaux fonctionnels organiques (polymères), lancée dans les années 1970, a offert des opportunités pour la réalisation de cet objectif.
Comparés aux matériaux semi-conducteurs inorganiques représentés par le silicium, les semi-conducteurs organiques présentent de nombreux avantages tels qu'un faible coût, une diversité de matériaux, une fonction réglable et une impression flexible. À l’heure actuelle, des écrans basés sur des diodes électroluminescentes organiques (OLed) ont été produits commercialement et sont largement utilisés dans les écrans de téléphones portables et de téléviseurs.
La cellule solaire organique basée sur un matériau polymère organique en tant que couche active photosensible présente les avantages d'une diversité de structures de matériaux, d'une préparation d'impression à faible coût sur une grande surface, d'une flexibilité, d'une translucidité et même d'une transparence totale, et présente de nombreuses excellentes caractéristiques que la technologie des cellules solaires inorganiques n'offre pas. avoir. En plus d'être un dispositif de production d'énergie normal, il présente également un grand potentiel d'application dans d'autres domaines tels que l'intégration de bâtiments économes en énergie et les appareils portables, ce qui a suscité un grand intérêt dans le monde universitaire et l'industrie.
"Surtout ces dernières années, la recherche sur les cellules solaires organiques a connu un développement rapide et l'efficacité de la conversion photoélectrique est constamment actualisée." À l'heure actuelle, la communauté scientifique estime généralement que les cellules solaires organiques ont atteint « l'aube » de la commercialisation », a déclaré Chen Yongsheng.
2. Briser le goulot d'étranglement : s'efforcer d'améliorer l'efficacité de la conversion photoélectrique
Le goulot d’étranglement limitant le développement de cellules solaires organiques réside dans le faible rendement de conversion photoélectrique. L’amélioration de l’efficacité de la conversion photoélectrique est l’objectif principal de la recherche sur les cellules solaires organiques et la clé de leur industrialisation. Par conséquent, la préparation de matériaux actifs traitables en solution présentant un rendement élevé, un faible coût et une bonne reproductibilité constitue la base de l’amélioration de l’efficacité de la conversion photoélectrique.
Chen Yongsheng a présenté que les premières recherches sur les cellules solaires organiques se concentraient principalement sur la conception et la synthèse de matériaux donneurs de polymères, et que la couche active était basée sur l'hétérostructure globale des récepteurs dérivés du fullerène. Avec l’avancement continu de la recherche connexe et les exigences plus élevées des matériaux dans la technologie des dispositifs, les matériaux oligomoléculaires solubilisables avec une structure chimique déterminable ont attiré une attention intense.
"Ces matériaux présentent les avantages d'une structure simple, d'une purification facile et d'une bonne reproductibilité des résultats des dispositifs photovoltaïques." Chen Yongsheng a déclaré qu'au début, la plupart des solutions de petites molécules n'étaient pas efficaces pour former des films, de sorte que l'évaporation était principalement utilisée pour préparer des dispositifs, ce qui limitait considérablement leurs perspectives d'application. Comment concevoir et synthétiser des matériaux de couche active photovoltaïque avec de bonnes performances et une structure moléculaire déterminée est un problème clé reconnu par les scientifiques.
Grâce à sa perspicacité et à son analyse minutieuse du domaine de recherche, Chen Yongsheng a sélectionné de manière décisive les nouvelles petites molécules organiques et les matériaux actifs oligomères qui pouvaient être traités avec une solution, ce qui présentait des risques et des défis majeurs à l'époque, comme point de rupture dans la production d'énergie solaire. recherche. De la conception de matériaux moléculaires à l'optimisation de la préparation de dispositifs photovoltaïques, Chen Yongsheng a dirigé l'équipe de recherche scientifique pour mener des recherches scientifiques jour et nuit, et après 10 ans d'efforts inlassables, a finalement construit un matériau solaire organique unique à petites molécules d'oligomère. système.
D'un rendement de 5% à plus de 10%, puis à 17,3%, ils continuent de battre le record mondial dans le domaine du rendement de conversion photovoltaïque des cellules solaires organiques. Leurs concepts et méthodes de conception ont été largement utilisés par la communauté scientifique. Au cours de la dernière décennie, ils ont publié près de 300 articles universitaires dans des magazines de renommée internationale et déposé plus de 50 brevets d'invention.
3. Un petit pas vers l’efficacité, un pas de géant pour l’énergie
Chen Yongsheng s'est demandé dans quelle mesure l'efficacité des cellules solaires organiques pouvait être atteinte et si elles pouvaient enfin rivaliser avec les cellules solaires à base de silicium ? Où est le « problème » de l’application industrielle des cellules solaires organiques et comment le résoudre ?
Au cours des dernières années, bien que la technologie des cellules solaires organiques se soit développée rapidement, l'efficacité de la conversion photoélectrique a dépassé 14 %, mais comparée aux matériaux inorganiques et pérovskites constitués de cellules solaires, l'efficacité est encore faible. Bien que l’application de la technologie photovoltaïque doive prendre en compte un certain nombre d’indicateurs tels que l’efficacité, le coût et la durée de vie, l’efficacité est toujours la première. Comment exploiter les avantages des matériaux organiques, optimiser la conception des matériaux et améliorer la structure et le processus de préparation de la batterie, afin d'obtenir une efficacité de conversion photoélectrique plus élevée ?
Depuis 2015, l'équipe de Chen Yongsheng a commencé à mener des recherches sur les cellules solaires à stratification organique. Il estime que pour atteindre, voire dépasser l'objectif de performance technique des cellules solaires à base de matériaux inorganiques, la conception de cellules solaires laminées est une solution très potentielle - les cellules solaires laminées organiques peuvent exploiter pleinement et exploiter les avantages. de matériaux organiques/polymères, tels que la diversité structurelle, l'absorption de la lumière solaire et l'ajustement du niveau d'énergie. Un matériau de couche active de sous-cellule présentant une bonne absorption complémentaire de la lumière solaire est obtenu, permettant ainsi d'obtenir un rendement photovoltaïque plus élevé.
Sur la base des idées ci-dessus, ils ont utilisé une série de petites molécules oligomères conçues et synthétisées par l'équipe pour préparer des cellules solaires laminées à 12,7 % de matières organiques, rafraîchissant ainsi l'efficacité du domaine des cellules solaires organiques à l'époque. Les résultats de la recherche ont été publiés dans le domaine. de la revue de premier plan « Nature Photonics », et l'étude a été sélectionnée comme « Top Ten Advances in Chinese Optics in 2017 ».
Quelle marge pour améliorer l’efficacité de conversion photoélectrique des cellules solaires organiques ? Chen Yongsheng et son équipe ont systématiquement analysé des milliers de publications et de données expérimentales sur les matériaux et dispositifs dans le domaine de l'énergie solaire organique, et, combinés à leurs propres recherches et résultats expérimentaux, ont prédit l'efficacité maximale réelle de conversion photoélectrique des cellules solaires organiques, y compris les multi- dispositifs de couche, ainsi que les exigences de paramètres pour les matériaux de couche active idéaux. Sur la base de ce modèle, ils ont sélectionné les matériaux des couches actives de la cellule avant et de la cellule arrière présentant une bonne capacité d'absorption complémentaire dans les régions visible et proche infrarouge, et ont obtenu une efficacité de conversion photoélectrique vérifiée de 17,3 %, ce qui représente la conversion photoélectrique la plus élevée au monde. efficacité rapportée dans la littérature actuelle sur les cellules solaires organiques/polymères, poussant la recherche sur les cellules solaires organiques à un nouveau sommet.
"Selon la demande énergétique de la Chine de 4,36 milliards de tonnes d'équivalent charbon standard en 2016, si l'efficacité de conversion photoélectrique des cellules solaires organiques est augmentée d'un point de pourcentage, la demande énergétique correspondante est générée par les cellules solaires, ce qui signifie que les émissions de dioxyde de carbone peuvent être réduit d'environ 160 millions de tonnes par an. Chen Yongsheng a dit.
Certains disent que le silicium est le matériau de base le plus important à l’ère de l’information, et son importance va de soi. Cependant, selon Chen Yongsheng, les matériaux en silicium ont également leurs inconvénients : « Sans parler des énormes coûts énergétiques et environnementaux que les matériaux en silicium doivent payer dans le processus de préparation, leurs caractéristiques dures et cassantes sont difficiles à répondre aux exigences flexibles des futurs humains. appareils « portables ». Par conséquent, les produits techniques basés sur des matériaux en carbone flexibles avec un bon pliage constitueront l’orientation prévisible du développement de la nouvelle discipline des matériaux. »
