在科技的發(fā)展道路上，離不開能源的助力，特別是再科技飛速發(fā)展的今天，而地球上的能源有限，就需要科研人員不斷開發(fā)新能源，這就再當下最需要研發(fā)太陽能的使用。近日，國家自然科學(xué)基金委員會發(fā)布了2019年度國家杰出青年科學(xué)基金資助名單，全國共有296名專家學(xué)者入選，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員葛子義名列其中。
這個基金對入選者要求極高，為國內(nèi)僅次于兩院院士的第二層次高端人才。葛子義主要從事有機太陽能電池和OLED研究，此次獲得400萬元資助基金的項目叫“有機太陽能電池”。該項目在便攜式電子產(chǎn)品、光伏建筑一體化和國防軍工等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，多個國家均開展了一系列應(yīng)用基礎(chǔ)研究。十年磨一劍在葛子義的辦公桌上，放著一卷透明且印有條紋的“有機太陽能電池”。
之所以說是一卷，是因為它不同于我們常見的電池，而是可以像衛(wèi)生紙一樣卷起來，拉出來以后像紙一樣薄，只有一兩百微米厚。雖然輕薄，但它的技術(shù)含量卻極高，有鋁陰極、陰極界面層、活性層、陽極界面層和ITO陽極等多達5層組成。目前，市場上的太陽能電池主要以晶硅等無機半導(dǎo)體材料為活性層制備而成，存在工藝復(fù)雜、成本高、原材料生產(chǎn)過程能耗大和污染重等缺點。這類太陽能電池由于無機半導(dǎo)體本身的剛性結(jié)構(gòu)，難以制備柔性電子器件。柔性電子器件，特別是基于有機材料的光電器件，是未來電子器件發(fā)展的一大趨勢。
因此，制備成本低、效率高、柔性強、環(huán)境友好的新型有機太陽能電池，正成為各國科學(xué)家的研究目標。1976年出生的葛子義，1999年本科畢業(yè)于蘭州大學(xué)，2004年獲中科院化學(xué)所博士學(xué)位，2005年前往日本東京工業(yè)大學(xué)從事有機光電研究。2009年，33歲的葛子義回國，受聘華東理工大學(xué)教授。2010年，加入中科院寧波材料所，擔任“有機光電化學(xué)”學(xué)科帶頭人、有機光電材料與器件課題組組長至今。“光是有機太陽能電池的活性層研究我們就做了將近8年。”葛子義說，“2014年，我們在國際上率先突破有機太陽能電池10%的光電轉(zhuǎn)換效率瓶頸時，很多人建議我們可以產(chǎn)業(yè)化，但我覺得還不夠，需要研究得更深，繼續(xù)改進和提升電池效率。”就這樣，葛子義在有機光電材料領(lǐng)域這個“冷板凳”上一坐就是十年。
他始終認為，只有把基礎(chǔ)研究搞好了，才會對其他領(lǐng)域的研究帶來有力支撐。劍指大挑戰(zhàn)2015年，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然-光子學(xué)》(NaturePhotonics)報道了葛子義領(lǐng)導(dǎo)的有機光電材料與器件團隊在有機太陽能電池領(lǐng)域取得的重要研究進展。這是中科院有機光電方向研究成果首次在該期刊發(fā)布，也是寧波市首次在《自然》子刊上發(fā)表第一通訊單位研究論文。葛子義說，對于有機太陽能電池而言，界面修飾層對器件性能起著極為重要的作用，它不僅可以優(yōu)化活性層吸收和調(diào)節(jié)其光場分布，而且還能調(diào)節(jié)電極的電荷收集勢壘，實現(xiàn)光生載流子的有效傳輸，是提高有機太陽能電池效率和穩(wěn)定性的關(guān)鍵核心技術(shù)。“目前廣泛使用的傳統(tǒng)金屬或化合物界面材料，空氣穩(wěn)定性差，且需通過蒸鍍、濺射方法成膜，能耗高，不利于有機太陽能電池的低成本大面積制備。”葛子義說，為突破這一缺陷，目前國際上開發(fā)了一些可濕法成膜的有機共軛聚合物如聚芴類界面材料，雖然能夠有效提高器件效率，但是這類材料合成復(fù)雜、價格昂貴，難以在有機太陽能電池領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。
如何實現(xiàn)高效、低成本的有機太陽能電池界面調(diào)控一直是科研界關(guān)注的重點。“考慮到有機太陽能電池的商業(yè)化應(yīng)用對低成本大面積化的迫切需求，我們的團隊在前期大量研究工作的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地開發(fā)了一種制備工藝簡單、價格低廉、可用醇類溶劑濕法加工的有機非共軛小分子作為有機太陽能電池的陰極界面。”葛子義說。團隊成員彭瑞祥、歐陽新華等利用這類材料對有機太陽能電池器件界面和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，把單結(jié)正型聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高至10.02%，突破了單結(jié)有機太陽能電池10%的效率瓶頸。與目前廣泛使用的金屬界面相比，電池的光電轉(zhuǎn)換效率提高了近25%，也明顯優(yōu)于有機共軛類界面材料。這也是當時報道的有機太陽能電池的最高效率之一。
《自然-光子學(xué)》審稿人對此予以高度評價，認為該研究成果“對于聚合物太陽能電池有非常重要的貢獻”，有望促進有機太陽能電池的低成本、大面積化制備，加快推進有機太陽能電池的商業(yè)化進程。“有機太陽能電池目前遇到的最大挑戰(zhàn)是效率和壽命。”葛子義說，目前電池的光電轉(zhuǎn)換效率普遍在14%-16%，他們的目標是達到18%-20%。目前其領(lǐng)導(dǎo)的實驗室已經(jīng)達到17%左右。電池的壽命目前普遍在3年-5年，遠期目標是能達到10年，該實驗室也正在攻關(guān)。產(chǎn)業(yè)化可期“十三五”戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃以及國家發(fā)展改革委能源局新近發(fā)布的《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030)》明確指出，將重點發(fā)展基于有機、鈣鈦礦半導(dǎo)體材料的太陽能電池。
“有機太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率與硅基、薄膜太陽能電池的效率仍有較大差距。”葛子義說，但它在柔性和半透明器件方面獨特的優(yōu)勢，為其產(chǎn)業(yè)化提供了很大的空間，有助于實現(xiàn)與其他太陽能電池形成互補，以及填補光伏市場在柔性和半透明器件方面的缺位。“有機太陽能電池具有獨特的輕質(zhì)、半透明、多彩化、可彎曲以及可卷的特性，可在建筑物或服裝內(nèi)彎曲和扭曲，并可以制成任何顏色，甚至半透明，從而與周圍環(huán)境相匹配，融為一體。”葛子義說，在未來的可穿戴設(shè)備供電、建筑光伏一體化、太陽能飛機等領(lǐng)域的應(yīng)用上將會大放異彩。柔性、半透明有機太陽能電池的研究將成為一個熱點。目前我國有很多課題組已從事相關(guān)內(nèi)容的研究。在未來的幾年內(nèi)，我國在該領(lǐng)域應(yīng)該會有更大的突破、會有很多科研成果出現(xiàn)。談到柔性有機太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化，葛子義說，柔性有機太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化需要一步一步向前推進，預(yù)計未來3年-5年可以產(chǎn)業(yè)化。“目前應(yīng)該是產(chǎn)業(yè)化的‘黎明前夕’。”
葛子義說，不過需要具備很多條件，除了有機太陽能電池的效率和壽命提高外，還要具備高效和低成本有機光伏材料的開發(fā)和放大合成，以及高性能柔性透明電極的開發(fā)和大面積制備;需要開展柔性器件的大面積制備工藝、器件穩(wěn)定性以及封裝材料和工藝的研究;需要與公司合作，制備柔性有機太陽能電池組件，并建立柔性有機太陽能電池生產(chǎn)線，實現(xiàn)柔性有機太陽能電池的大規(guī)模應(yīng)用。
“目前，我們的有些技術(shù)已經(jīng)超過了國外，可以說這是我們中國人引領(lǐng)的一個研究領(lǐng)域。”葛子義說，應(yīng)該在中國率先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。“不過即使如此，也不能急，首要還是要做好基礎(chǔ)研究。”葛子義說。“與很多短平快的技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品創(chuàng)新相比，基礎(chǔ)研究往往需要長期積累，取得成果的周期較長，其應(yīng)用價值顯現(xiàn)沒那么快。”
葛子義說，風物長宜放眼量，我國基礎(chǔ)研究領(lǐng)域要想取得更多原創(chuàng)性、開創(chuàng)性的重大科研成果，認識到基礎(chǔ)研究的重要性是關(guān)鍵，這也是我國科技事業(yè)穩(wěn)固堅實的基礎(chǔ)。相信再過幾年到幾十年，當人類利用太陽能的技術(shù)很成熟的時候，這樣就有了無窮盡的能源供給社會的使用，再當下就需要研究者更加努力研究新技術(shù)。
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