南开大学突破有机太阳能电池效率瓶颈，17.3%转化率创世界纪录
南开大学突破有机太阳能电池效率瓶颈，17.3%转化率创世界纪录
2018年，南开大学化学学院陈永胜教授团队在有机太阳能电池领域取得重大突破，设计并制备出具有高效、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，刷新了当时有机/高分子太阳能电池光电转化效率的世界最高纪录。这一突破性成果发表在国际顶级学术期刊《Science》上，标志着有机太阳能电池技术向产业化应用迈出了重要一步。
创新突破：叠层结构与溶液加工工艺
有机太阳能电池是解决环境污染、能源危机的有效途径之一，其在质轻、柔软、半透明、可大面积低成本印刷、环境友好等方面都远远优于传统太阳能电池，被认为是具有重大产业前景的新一代绿色能源技术。然而，实现高效率的太阳能电能转化是有机太阳能电池研究的核心难题。而这一难题能否解决也直接决定着有机太阳能电池能否走出实验室、走进人类的实际生产生活。
近年来，虽然有机太阳能电池研究获得了迅猛发展，实现了14%~15%的光电转化效率，但仍远远落后于其它主要以无机材料(如硅)为主的太阳能电池转化效率。“主要原因在于，有机高分子材料本身较低的载流子迁移率限制了活性层厚度，因此太阳光不能够获得充分和有效的利用。”陈永胜说。
据介绍，叠层太阳能电池不仅可以克服上述难题，还可以充分发挥有机和高分子材料结构和性质优良的可调性特征，通过叠层电池中前后电池里活性材料互补的光吸收，更有效地利用太阳光，从而实现更高的能量转换效率。
陈永胜教授团队与中科院国家纳米科学中心丁黎明教授、华南理工大学叶轩立教授研究团队合作，首先利用半经验模型，从理论上预测了有机太阳能电池实际可以达到的最高效率和理想活性层材料的参数要求。在此基础上，他们以在可见光区域和近红外区域具有良好互补吸收的PBDB-T:F-M和PTB7-Th:O6T-4F:PC71BM分别作为前电池和后电池的活性层材料，采用成本低廉、与工业化生产兼容的溶液加工方法，制备得到了高效的有机太阳能垫层器件，获得了17.3%的验证效率。
商业化前景：柔性特征与广泛应用
有机太阳能电池的柔性特征和本工作主要结果
有机太阳能电池的柔性特征和本工作主要结果
这一突破不仅提升了有机太阳能电池的光电转换效率，还展示了其在多个领域的巨大应用潜力。由于其柔性、质轻、可弯曲的特性，有机太阳能电池在建筑一体化、可穿戴设备、便携式电源等领域具有独特优势。例如，它们可以集成到建筑物的窗户、墙壁上，实现光伏建筑一体化；也可以应用于可穿戴电子设备，为智能手表、健康监测设备等提供持续能源。
未来展望：持续创新与产业化
“依据我们提出的半经验模型预测，有机太阳能电池(垫层)的最高转化效率理论上可以达到20%以上。本次工作中，我们同时也对电池的寿命进行了初步试验，发现166天实验后电池效率仅降低4%。未来，我们将继续设计新的材料，在进一步提高能量转化效率的同时，针对电池寿命问题进行系统的实验，争取让有机太阳能电池早日从实验室走向实际应用。”陈永胜说。
这一突破性进展不仅展示了有机太阳能电池技术的巨大潜力，也为中国在新能源领域赢得了重要的话语权。随着技术的不断进步和商业化应用的推进，有机太阳能电池有望成为推动全球能源转型的重要力量。