中国青年报·中青在线记者胡春艳 通讯员 吴军辉
人们每天都离不开的电池，也许就在我们身边。在南开大学化学学院教授陈永胜的设想中，未来的太阳能电池的样子是百变的，它可以是柔软的，亦或是透明的，附着在窗户上、墙壁上、汽车上……随时随地转化阳光为人类补充能量。
不久前，陈永胜教授团队设计、制备的具有高效、宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池材料和器件，实现了17.3%的光电转化效率，这个数字刷新了文献报道的有机/高分子太阳能电池光电转化效率的世界纪录。这一成果让有机太阳能电池向产业化迈进了一大步。陈永胜教授团队“面向能源转化与存储的有机和碳纳米材料研究”项目也荣获国家自然科学奖二等奖。
地球上有限的化石能源的开采与使用导致了日益严峻的能源危机和环境污染，开发利用绿色可持续的能源已经成为人类社会发展的方向。
目前，已商业化应用的太阳能电池主要是以晶硅等为无机原料制备的，但因其原材料及电池构筑生产工艺复杂，存在生成成本高、能耗大、污染严重等问题，很大程度上限制了其应用和发展。发展成本低、环境友好、高效的新型太阳能技术成为新能源领域的重大课题。
“如果能利用地球上最丰富的元素——碳及其材料为基本原料实现高效低成本的绿色能源技术，将对解决目前人类面临的重大能源问题具有重大的意义。”陈永胜介绍，从上世纪70年代开始的有机电子学及有机（高分子）功能材料的研究的为这一领域提供了重大机遇。
基于有机高分子材料作为光敏活性层的有机太阳能电池，具有材料结构多样性、可大面积低成本印刷制备、柔性、半透明甚至全透明等优点，具备其它太阳能电池技术所不具有的许多优良特性。除了作为正常的发电装置外，在其它领域如节能建筑一体化，可穿戴设备等方面亦具有巨大的应用潜力，引起了学术界和工业界的大量研究。“近五年来，有机太阳能电池的研究获得了突飞猛进的发展，光电转化效率不断刷新，目前普遍认为有机太阳能电池已经到了商业化的‘黎明前夕’。”陈永胜说，作为世界各国在新能源研究中竞争最为激烈的领域之一，开发并引领具有独立的自主知识产权的有机太阳能电池材料和技术，为我国赢得先机，一直是这一领域内中国科学家的努力方向。
有机太阳能电池发展的“瓶颈”在于光电转化效率低。提高光电转化效率是有机太阳能电池研究首要解决的问题，也是其实现产业化的关键。2004年，陈永胜从美国回到母校南开大学任教，建立了以碳材料为基础的绿色能源材料和应用研究团队，并在2007年开始进行有机太阳能发电和以碳纳米材料为基础的储电方面的研究。
“当时整个领域处于低谷，光电转化效率在5%左右。许多研究者对有机太阳能电池的未来发展不抱信心，甚至纷纷退出。而作为最重要的碳纳米材料石墨烯的研究国内当时还是空白。”陈永胜回忆说。
凭借对该领域敏锐的洞察力和审慎分析，陈永胜果断选择了在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其团队的太阳能发电的主要突破点。从分子材料设计到光伏器件的制备优化，陈永胜带领团队夜以继日，马不停蹄地展开科研攻关。经过十多年的不懈努力，他们终于发展出了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2018年《科学》杂志报道的17.3%，陈永胜团队多次刷新了有机太阳能电池领域光电转换效率的世界记录。他们提出的设计理念和方法，发展的结构单元等被广泛应用。十几年来，他们在国际著名杂志发表了近300篇学术论文，申请了超过50篇发明专利，使中国真正引领了有机太阳能电池领域研究和发展。
“17.3%的研究结果缩小了有机太阳能电池与其它光伏技术效率之间的差距，大大提升了人们对有机太阳能电池的信心。它同时表明，有机太阳能电池可以实现和无机材料同样的效率。”陈永胜算了一笔账，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，就意味着每年减少使用4000千万吨标准煤，与之相应地可减少二氧化碳排放约1.6亿吨。
“我们在进一步提高有机太阳能效率的同时，将进一步研究柔性可穿戴的包括透明的有机太阳能电池，同时和储能设备结合，发展发电储电一体化材料和技术。”陈永胜说，团队已开始布局并实施下一步的研究规划。为了适应快速更迭的应用需求，陈永胜团队已经在有机太阳能电池应用的关键部分—柔性透明电极方面开展了研究工作，同样取得了较好的研究进展，发展的可适用于有机太阳能电池的柔性透明电极有望进入大面积生产制备，从而在有机太阳能电池柔性印刷制备这一关键技术问题上获得突破，并取得独立的知识产权。
陈永胜希望研究团队和中国企业紧密合作，实现这一领域中国的全产业链的独立自主的太阳能电池制备技术，“在有机太阳能电池这一领域，是为数不多我们中国人处于比较领先位置的领域，我们有自己最核心的材料和完全自主的制备技术，虽然还有很多事要做，但我们完全有能力在这一绿色能源领域的竞争中为国家提供独立自主和具有国际领先的完全的技术方案”。
