编辑：小柒
对付当今人类来说，能源险些意味着统统——我们的吃穿住行都离不开各种能源的支持，而随着煤炭、石油等石化资源的连忙花费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
不过，缕一缕当前常见的可再生能源，彷佛都存在着这样那样的问题，运用起来总是没那么“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定；核能非常高效，但本钱大风险高，又可能带来放射污染。
太阳能作为来源最广、受限定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运用到极致，也成为办理未来能源紧缺的主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
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%）。这一结果揭橥在国际顶级期刊《科学》（Science）杂志上[1]。
17.3%是个若何的观点呢？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[2]，创下了新的天下记录——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差异？下面就来为大家详细解读吧！
太阳能电池这个观点，或许大家都不陌生。但详细说到制造太阳能电池的材料，可能理解的人就不多了。目前，已做生意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）、接管光谱宽、能量转化效率高档上风。
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办理方案，缘故原由在于——它们太脆了！
无机半导体材料常日属于脆性材料，延展性差，险些无法弯折，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须要花费大量的能量，这么多能耗须要这块电池事情数年的韶光才能偿还。而且，考虑到电池板在长期的风吹日晒下性能有所衰减，其利用寿命每每也不过数年。因此就会涌现这样的局势——辛辛劳苦造出一块儿电池板，制造它花费的能量超过了它这一辈子所产出的能量，可以说“得不偿失落”了！
以上这些成分都会制约无机太阳能电池板的大规模运用，因此也使科学家们必须不断去开拓和探求可替代的办理方案。
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”，科学家们彷佛总会带来一些超乎人们猜想的创造。
和很多“不经意间的”创造类似，导电有机材料的出身，最初也源自一个有时——1967年，日本化学家白川英树团队的一位研究职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玄色粉末）。
这一意外事宜引起了Alan Heeger 和 Alan MacDiarmid 二位科学家的把稳，随后他们与白川英树互助，成功地开拓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。从那往后，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，由于这次有时和他们多年的坚持不懈，他们三人共同得到了2000年诺贝尔化学奖。
聚乙炔的化学构造式（上）和球棍模型图（下）。图片来源：wikipedia
当有机半导体重逢太阳能导电聚乙烯的创造，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，它的半导体性子也逐步为人们所认知，大量有机半导体材料呈现了出来。
这时也有人忽然遐想到，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的打破。
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上风和运用前景：
质轻且“优柔”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。
制造工艺大略有机太阳能电池常日采取溶液加工的办法形成有机薄膜。比起须要刻蚀、高温烧灼的无机硅电池比较，有机太阳能电池的制造工艺其实大略多了。
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）放开，随着面糊中水分（溶剂）的挥发，逐渐形成了一张完全的煎饼（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，制造可以波折的柔性电池。大概在未来，我们随身携带的“充电宝”便是一张有机太阳能电池做成的“纸”，找个有阳光的地方把它放开，就可以充电了！
可波折的柔性太阳能电池。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，研发出了半透明乃至险些完备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，专门接管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，不仅可以为建筑供应电能，还依旧担保室内的采光，岂不是一石二鸟？
透明有机太阳能电池。图片来源：参考文献[5]
正由于有这么多上风和诱人的“黑科技”存在，有机太阳能电池一贯是近年来学术界和工业界的研究热点。此外，科学家们经由剖析后普遍认为，如果连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打破25%[1]。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靠近它。
不过，我们间隔真正的有机太阳能电池的商品化产品还是有着一段间隔，仍有一些问题须要战胜——比如，很多有机材料在太阳光的照射下并不那么稳定，制作过程中利用的溶剂毒性较大，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”的有机太阳能电池大概真的能够晋级为清洁环保又高能的产品，在不久后的某天“步入平凡百姓家”。
作者名片
排版：小爽
题图来源：pixabay
参考文献：
1. Organic and solution-processed tandem solar cells with 17.3% efficiency, Science, 2018, DOI:10.1126/science.aat2612 (2018).
2. Organic Solar Cells with an Efficiency Approaching 15%, Acta Polymerica Sinica, 2018, DOI: 10.11777/j.issn1000-3304.2018.17297
3. Two layer organic photovoltaic cell, Appl. Phys. Lett. 48 (2), 1986, DOI: 10.1063/1.96937.
4. Roll-Coating Fabrication of Flexible Organic Solar Cells: Comparison of Fullerene and Fullerene-Free Systems, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 1044−1051. DOI: 10.1039/c5ta07357j.
5. Emergence of highly transparent photovoltaics for distributed applications, Nature Energy, 2017, 2, 849–860, DOI: 10.1038/s41560-017-0016-9.
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