“用爱发电”?不存在的，我们用有机太阳能电池

　　北京时间2018年8月10日，国际顶级学术期刊《科学》（Science）上发表了一篇重大科研进展，由中国南开大学陈永胜教授团队设计和制备的具有高效、宽光谱吸收特性的叠层有机太阳能电池材料和器件，能实现17.3%的光电转化效率，刷新了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。

　　哎哎哎别关别关，不是标题党，这文章背后好多有意思的事儿呢，比如这么爆炸性的科研成果，论文的第一作者居然只是一个研二的学生，你坐下听笔者给你讲讲呗。

　　图片来源：science　 

　　你知道吗？去年这时候宝岛台湾发生大规模停电，我们的台湾同胞不知道是不是因为天热烧糊涂了，居然提出要“用爱发电”。。。虽然这事儿挺好玩，但笑过以后我们也应该思考思考，面对日益严重的能源危机，我们以后该何去何从？　 

　　神奇的用爱发电大队（图片来源：台湾《联合报》）　　 

　　坎坷的太阳能电池研究历程

　　实际上为了应对能源危机，我国的科学家早就开始研究既可持续利用又清洁环保的新能源，太阳能就是其中之一。众所周知，太阳通过持续聚变，源源不断地给地球送来巨大能量，如果能利用其中的万分之一，就不存在能源危机了。　　 

　　世界能源消耗与太阳辐射到地球的能量的比值　　 

　　那如何利用太阳这个大宝库呢？这就要靠太阳能电池了。太阳能电池的基本原理就是把光变成电，这早在1839年，就被法国科学家贝克勒尔发现并命名为“光生伏特效应”。

　　直到一百年多后的1954年，光伏效应才被美国贝尔实验室的Chapin和Fuller利用，首次制成了实用的无机单晶太阳能电池，光电转化效率为6%。　　 

　　图片来源：applied physics letters.　　 

　　随后，这种比新中国晚几年出生的电子器件，由于结构简单、使用方便，技术迅速扩散，走进了千家万户。　　 

　　   但是随着广泛的应用，这种无机晶硅太阳能电池（以下称无机电池）的许多毛病也暴露出来。

　　其一，电池易损，运营成本大。这种无机电池主要用的是硅，这玩意属于脆性材料，易损且延展性不好，很可能辛辛苦苦造出一块儿电池板，却没用多久就坏了。

　　其二，无机电池的制造成本高，这使得它不能真正代替火电。到底怎么个贵法呢？光伏发电成本折算下来，平均一度要比火电贵3~5倍，那肯定大家还是用便宜的火电嘛。

　　其三，带隙限制太阳能电池效率。就是说无机电池只能吸收一部分频段的太阳光，这个留在后面讲。　　 

　　晶体硅太阳能电池面板（pixabay.com）　　 

　　针对这三个问题，研发新型的太阳能电池迫在眉睫。在寻找太阳能电池新材料时，科学家们想找一种延展性好又便宜的材料，仔细一想，那不就是塑料嘛（高分子聚合物）。塑料确实完美符合要求，但它有个致命的问题--它不导电啊！电都不导，怎么做电池？　　 

　　图片来源：pixabay.com　　 

　　但唯物辩证法告诉我们，事物没有绝对。塑料不导电只是相对不导电，有些情况下也是可以导电的。1967年日本化学家在合成聚乙炔的过程中，一个不留神，加入了超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。

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

　　然后神奇的事出现了，这种高分子材料导电了，而且导电率堪比金属银！

　　三位科学家也因此获得2000年诺贝尔化学奖（图片来源：wikipedia）　　    

　　这种有机导电材料出现后，迅速与当时发展的如火如荼的半导体行业结合，正式拉开了有机半导体材料的研究篇章。此后大量有机半导体材料涌现了出来，故事到这，离有机太阳能电池只有一步之遥。

　　    也许是天意，最后推动有机导电材料与太阳能电池结合的，正是一位华人--美国柯达公司的美籍华裔科学家邓青云博士，要么说有机太阳能电池与我们华人有缘呢。

　　1986年，邓博士在研究有机半导体材料时，创造性想到，是不是可以拿它来制造太阳能电池呢？随后通过他的努力，第一块有机太阳能电池就诞生了，其能量转化效率为1%，虽然转化效率很低，却实现了有机太阳能电池从0到1的突破。　　 

　　OLED之父-邓青云博士（图片来源：OLED论坛）　　 

　　   之后，有机太阳能电池（以下称有机电池）迅速发展，各种新技术新成果层出不穷，而最新进展便是由本文开头提到的南开大学的化学学院陈永胜教授领衔的团队做出的。

　　说到这大家可能一头雾水，陈教授他们到底做了啥啊？什么叫高效？什么叫宽光谱吸收？什么叫叠层？最最关键的是，这个有机电池它到底长什么样啊？下面笔者给大家介绍介绍。　　 

　　此次突破性进展，亮点都在这里

　　这份工作里最亮眼的成就在于它超高的光电转化效率。本来因为有机材料载流子迁移率低，导致其能量转化效率一般都很低。但通过努力研究，陈老师他们克服了这个难题，将转化效率提高到17.3%，大大超越了之前13.8%的有机光伏电池的世界纪录（中科院化学所侯剑辉课题组）。

　　迁移率说的是电子跑的快慢　　 

　　要知道提高光电转化率这事儿和减体重一样，每一个百分点的进步都极其不易。更为难能可贵的是，这种电池的寿命还长，经过166天实验后电池效率仅降低4%，这在无机电池中也是不多见的，更凸显了这项研究的价值。

　　那宽光谱吸收特性是什么呢？太阳能电池要用的光，可不仅是我们常见的可见光，还要用电磁波谱里的好多频段。

　　可见光只是电磁波中很小的一部分(图片来源：wikipedia)　　 

　　电磁波很宽分为很多频率区间，通常频率越高则能量越大。这个很好理解，就比如女声频率高，所以听起来会比男声刺耳。

　　而把这些光转化为电的原理，其实很简单。就是有一种叫半导体的材料会吸收光的能量，放出电子，从而产生电流。这就好比我们把光当作一个锤子，拿这个锤子去锤半导体，就能锤出电来。

　　图片来源：wikipedia

　　有意思的是，如果有大锤子(紫外线)、中锤子(可见光)和小锤子（红外线），对有些半导体材料，只有频率高、能量大的大锤子才能锤出电来，而能量小的小锤子，再怎么锤也不能产生电。很不幸，无机电池就是这样。而有机电池却是三把锤子都能使，这就是有机电池的宽光谱吸收。

　　而采用叠层结构，就是像千层饼一样有很多层，有的吸收紫外线，有的吸收可见光，大家分工合作，这样就把太阳光充分利用了起来。

　　有机太阳能电池叠层结构（图片来源：Science）

　　那这个有机电池长啥样呢？其实它的结构很简单。和所有太阳能电池一样，有机电池也是由一个P型区（positive）与一个N型区（negative）组成的pn结构成的。

　　pn结的P型区带正电的空穴多，N型区带负电的自由电子多

　　所谓“有机”就是指它的pn结组成材料用了有机的导电聚合物，而不是传统的无机材料。

　　在N型区电子受体是富勒烯及衍生物材料，而在P型区用的电子供体则是PC71BM、F-M等共轭的高分子聚合物　　 

　　当然不仅材料与无机电池不同，在结构上有机电池也很有创新。由下图可以看到，无机的电池pn结有明显的层级结构，像一个夹层奥利奥。而有机电池则有一种奇特的三维结构，像个葱花饼。

　　无机电池和有机电池的结构优缺点比较　　  

　　    总结一下，陈教授做的这个有机电池长的像个葱花饼千层，能用好多把光锤子锤出电，还特善于把光变成电，是不是超级厉害！

　　还有更厉害的呢，这么做出来的有机电池就像塑料一样，质轻且“柔软”、耐撕耐捏，简直完美。

　　因为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），而单晶硅的密度大约是2.3克/立方厘米，所以相同体积下有机电池要比无机电池轻 （图片来源：台湾中央大学）　　 

　　还有就是制造工艺简单，往常无机电池要倒腾7步才能做出来，我们有机电池只要3步，而且还能用印刷机嗖嗖的印刷出来了。

　　无机电池工艺流程与有机电池工艺流程对比

　　新型太阳能电池的应用前景

　　讲这么多，那你说这有机电池到底能用来干嘛？那可多了去了，比如利用它 “软”的特性，来制造柔性电池。

　　可弯曲的柔性太阳能电池（图片来源：半导体所）

　　这种柔性电池具有良好延展性，使得它可用来给机器人供电、给皮肤传感器充电等等，就像个电池创可贴，哪里缺电“贴”哪里。

　　图片来源：半导体所　 

　　还有就是可制造透明电池。如果用紫外光区域和近红外区域具有良好互补吸收的两种材料分别作为前电池和后电池的活性层材料，那么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。

　　    试想一下，如果把房屋的窗户换成这种透明电池，不仅可以享受阳光而且会让人晒黑的紫外线等光还能被窗户吸收，为屋子供电，简直美滋滋。

　　透明有机太阳能电池 （图片来源：Richard Lunt / 密西根州立大学）　　   

　　    当然有机电池还将在许多方面得到广泛的应用，比如手机显示、大型平板显示、可折叠电脑屏幕和还有仿生学电子皮肤上，只有你敢想，我就敢给你实现！

　　    不久前中兴被美国制裁时，不少人对国内的集成电路的落后痛心疾首，甚至有人说中国做科研的都是吃干饭的。实际上作为一个大国，方方面面都要发展，各行各业的发展速度有快有慢是很正常的。就比如很少有人知道，我国在太阳能电池领域，就是当之无愧的霸主。

　　不仅在研究上我们处于世界前列，而且在产业上全世界光伏前十的企业里，七家是中国公司，排名前三的都被中国包揽了。科技实力的提升离不开国家的大力支持，也离不开像陈教授这样的科研人员的努力工作。我们写科普也是希望告诉大家，在你看不见的地方，确实有人在为你负重前行。　　 

　　参考资料：

　　Organic and solution-processed tandem solar cells with 17.3% efficiency, Science, 2018, DOI:10.1126/science.aat2612 (2018).

　　沈文忠. 太阳能光伏技术与应用[M]. 上海交通大学出版社, 2013.

　　新华网：《南开大学有机太阳能电池研究获新突破刷新世界文献记录》.

　　中国科学院网站：《中科院化学所叠层有机太阳能电池材料与器件制备取得系列进展》.

　　我是科学家iScientist（ID：lamaScientist）：《中国科学家造出新型“高能电池”：晒太阳就“来电”》.　　 

　　（本文中标明来源的图片均已获得授权）　　

　　出品：科普中国 

　　制作：中国科学院半导体研究所 苏涛  

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心