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| 追光“換”電，助力能源革命 |
| 來源：中國科學報 作者：韓揚眉 時間：2023/6/26 |
以清潔低碳、安全高效作為底色的新一輪能源革命悄然到來。
如何更好地獲取清潔低碳能源并實現高效利用，是當前人類面臨的重大挑戰。能夠高效實現光電互相轉換的光電材料，吸引了全球科學家的目光。
自2011年以來，中國科學家在國家自然科學基金重大研究計劃“面向能源的光電轉換材料”的持續支持下開展系列科研攻關，在理論和實驗的源頭創新上同時發力，在有機發光二極管、有機光伏材料及無機光電材料等方面取得了豐碩成果，提高了我國在該領域的國際影響力。
在能源與環境問題成為人類所面臨的重大挑戰的今天，以清潔低碳、安全高效為關鍵的新一輪能源革命悄然到來。如何更好地獲取清潔低碳能源并實現高效利用，是亟待解決的難題。能夠實現高效光電互相轉換的光電材料，吸引了全球科學家的目光。
2011年，國家自然科學基金委員會（以下簡稱自然科學基金委）啟動“面向能源的光電轉換材料”重大研究計劃（以下簡稱重大研究計劃）。在項目執行期，重大研究計劃在理論和實驗的源頭創新上實現了突破，取得了多項高水平研究成果，提高了我國在光電材料與器件研究領域的整體創新能力和國際影響力。
“要敢于嘗試由重大戰略目標牽引的科學前沿探索研究，更要把科學研究聚焦到國家重大戰略和人類生存的迫切需求上�！痹撝卮笱芯坑媱澲笇＜医M組長、中國科學院院士許寧生接受《中國科學報》采訪時表示，這是整個研究計劃的首要“主張”。
醞釀：十年又十年
光電材料與器件的開發是科學前沿難題，但其成功研發能造福人類。
太陽能電池、電子顯示屏等生活中隨處可見的設備都是光電材料的實際應用。鑒于這種材料的重要性，國際上不少發達國家和地區對太陽能電池與半導體照明相關材料和器件的研究給予了長期支持。
20世紀90年代末，許寧生作為年輕科學家受邀參加“光電信息功能材料”相關項目的重要性與可行性論證研討，有機會學習老一輩科學家和同行們在重要科學前沿不斷進取的精神。很快，科學家們在科學問題上達成共識，并于2001年啟動了“光電信息功能材料”重大研究計劃。這是自然科學基金委啟動的首個重大研究計劃。
依托“光電信息功能材料”重大研究計劃，我國搭建起一個以“光電信息功能材料”為中心的學科交叉研究平臺，研發獲得一批擁有自主知識產權的光電材料和技術，穩定支持了具有創新意識、活躍思維的中青年人才隊伍，為發展擁有自主核心技術的產業提供了技術、知識和人才儲備。
“這一重大研究計劃持續資助了8年，使我國在該領域具備了一定的研究基礎，但總體上還是呈‘跟跑’狀態�！痹S寧生告訴《中國科學報》，當時，指導專家組一致認為，科學家們還得繼續干。
大約從2008年開始，新一輪重大研究計劃進入“醞釀期”�？茖W家們注意到時代發展帶來的新變化：由于燃煤發電給城市帶來了嚴重的環境污染問題，熱電廠從城市遷出；化石能源燃燒導致溫室氣體排放，加速全球變暖，清潔低碳能源成為人類可持續發展的必然選擇；能源消費結構正在發生變化，例如大面積的太陽能電池發電應用越來越多�？傊�，能源與環境問題越來越嚴峻，如何發展清潔能源成為人類社會面臨的重大挑戰。
“我們要把光電材料的科學研究聚焦到國家重大戰略和人類生存的迫切需求上來。”許寧生這樣說。這一理念得到了同行一致贊同。
經過兩年多的研討論證，2011年，自然科學基金委啟動了“面向能源的光電轉換材料”重大研究計劃，由許寧生等科學家組成專家團隊，從前輩科學家手中接過“接力棒”，聚焦能源領域，助力國家把能源安全牢牢掌握在自己手中。
如今，團隊科學家們欣喜地看到，當年的這一研究布局極具前瞻性，為我國實現“雙碳”目標奠定了堅實基礎。
難題：光與電的轉換效率
太陽能取之不盡，用之不竭，是儲量最大的清潔可再生能源。
太陽能光伏發電是利用太陽能電池將太陽光能直接轉化為電能的技術�！鞍l電更光伏，發光更省電�！边@是許寧生一直以來的理念，也是期待。
根據國家發展改革委能源研究所預測，2050年光伏發電將成為我國第一大電力來源，占當年全國用電量的40%左右，2021年這一數字僅為4%。然而，光電轉換效率是太陽能光伏應用的瓶頸之一。
光電材料主要包括兩大類，即實現太陽能高效獲取的光伏材料和實現能源高效利用的發光與照明材料，這恰好對應著能源的“開源”和“節流”兩個方面。開源，即獲取能源；節流，即高效利用能源。事實上，當前世界各國正從這兩方面推動新一輪能源變革。
在能源獲取方面，太陽能光伏逐漸成為世界能源供應的重要組成部分，開發低成本、環境友好、資源豐富的光伏電池是太陽能光伏的目標；在能源高效利用方面，開發綠色環保、長壽命和節能的半導體照明技術，是實現節能降耗、保護環境的一個重要途徑。
“核心難題是光電轉換效率�！痹S寧生告訴《中國科學報》，一方面是如何提高太陽能轉化為電能的效率，另一方面是如何提高電能轉化為光能的效率，而解決這兩個難題，依賴于光電材料這個媒介。
難題擺在了面前，不同學科背景的專家多次研討凝練，提出了重大研究計劃的總體科學目標：瞄準學科前沿，面向當前的能源短缺和環境污染等重大戰略問題，以高效光-電和電-光轉換為核心，以材料設計和制備為基礎，解決高性能光電轉換材料與器件制備方面的關鍵科學與技術問題，在理論和實驗的源頭創新上取得突破，提高了我國在光電材料與器件研究領域的整體創新能力和國際影響力。
同時，該重大研究計劃聚焦三大關鍵科學問題：光-電/電-光轉換基本過程與新原理，高效、穩定光電轉換材料的理性設計與可控制備，以及光電材料與器件中的結構和表界面設計與調控。
突破：用之于民的科學研究
“基礎研究和應用基礎研究一定要扎實，研究成果要能實現轉化，只有轉化才能對社會有貢獻，老百姓才能受益�！痹S寧生說。
10余年來，科學家們努力攻關，取得了一系列具有國際影響力的重大突破和原創性成果，在光伏和發光領域的若干方向上實現了從“跟跑”到“領跑”的跨越式發展，部分領域長期引領國際前沿和發展方向，極大提高了我國在這些領域的整體創新能力和國際影響力，為我國能源光電材料產業的發展升級提供了理論支撐和技術儲備。
例如，我國學者原創設計新型有機光伏材料體系，將國際有機光伏領域全面引入“小分子受體”時代，頻繁刷新有機光伏電池效率大于19%的世界紀錄；創造了熱活化延遲螢光（TADF）材料紅、藍、綠光有機發光半導體性能的世界紀錄；提出的穩定性提升策略推動了我國在鈣鈦礦光伏穩定性方面達到國際先進水平；闡明量子點發光機制，創造了量子點發光二極管（QLED）性能的世界紀錄，夯實了QLED的科學基礎……
在理論創新、材料制備、器件設計的研究基礎上，科學家們還取得了成果轉化的多項突破。開發的理論模擬和材料性能預測的商業化軟件，被國內外幾十家國際知名公司和學術機構采購；有機光伏成果開始轉化，初步建成5000平方米中試產線，相關產品實現銷售額數千萬元等。
豐碩的研究成果遠超預期，這給科學家們帶來極大的信心。
接受《中國科學報》采訪時，許寧生談到了重大研究計劃的第二個“主張”，即把國家戰略目標與重大科學問題研究緊密結合在一起。他表示，重大研究計劃在實施過程中一直堅持探索如何做好這一點。
在重大研究計劃實施過程中，科研工作者們胸懷祖國、服務人民、潛心研究，提出了光伏前沿領域系列理論，實現了多種材料和器件的性能突破，努力為經濟社會發展作貢獻。
合作：有組織科研與自由探索結合
光電材料是多學科交叉的前沿，涉及材料、化學、物理、電子、數學、生物等學科，合作是必須的。
“盡管有自由探索，但自由不是漫無邊際。整體上，我們開展有組織的重大科學問題的研究。”許寧生表示，在重大研究計劃執行期間，他們有意識地探索了“有組織的科研組織”模式。
“有組織的科研組織”推動了多學科深度交叉融合集成創新：有機合成化學、高分子科學與材料學的交叉融合；凝聚態物理學、半導體物理學與新興的有機半導體科學的交叉融合；物理建模與化學結構模擬的交叉融合；半導體器件物理和新興的印刷電子學的交叉融合。
科研不止，創新無盡。
談及未來計劃，許寧生已有思考，光電轉換的效率還需要進一步在理論上突破，技術上要抓住不同性能材料形成的“結”這個“牛鼻子”，合成出更多新材料。這里的“結”可以通俗理解為在微納尺度上將不同電子結構的材料拼在一起形成的界面，材料之間會發生相互作用，并產生單一材料所不具備的新性質。例如，半導體的“PN結”，即P型半導體過渡到N型半導體的交界面。同時，工程上要做更大面積、更柔性的太陽能電池板；經濟上要更便宜，才能更好地推進產業應用。
此外，值得一提的是，為保證項目評審客觀公正，避免“干擾雜音”，重大研究計劃也做出了創新探索和協同努力：在評審機制保障上，根據指導專家組和管理工作組的職責，建立了分工不同、相互協調、相互制約的有序工作關系，會議評審采取聽取答辯的方式，資助項目須獲得半數以上贊成票，集成項目會評投票采取記名投票。
在項目管理上，指導專家組對重大研究計劃項目實施動態管理并進行學術指導，不定期組織部分項目專題研討，選擇有突出進展或存在問題的項目進行實地考察。同時，指導專家組可中止實施過程中存在嚴重問題的項目。此外，年度學術交流活動，有助于做好戰略調研與規劃，既可交流學術，也可相互監督，保障公平性。
基于新原理的高性能有機發光材料研發成功
有機發光二極管（OLED）是新一代信息顯示技術，具有低能耗、柔性輕薄、超強感官體驗等優勢，可滿足豐富的場景化應用，為可穿戴、車載、教育、醫療等智能終端提供了新的可能。
在國家自然科學基金重大研究計劃“面向能源的光電轉換材料”支持下，科學家提出了突破現有發光理論框架的新發光機制，制備出大面積柔性白光OLED照明器件，在國際上首次實現了晶圓級有機半導體單晶制備。
高效率OLED是提升能源利用效率、實現綠色低碳及實施“雙碳”戰略的重要助力。當前，在有機半導體發光材料體系發展中，第二代磷光材料和第三代TADF材料的核心技術專利均被日本、美國、德國等外國公司所掌握，關鍵的OLED發光材料及器件制備設備的國產化程度還很低。
中國科學院院士、華南理工大學教授馬於光表示，應當首先探尋新發光原理、發展新研究方法，并基于此開發系列新發光材料，從源頭上創新，突破國外核心專利壁壘。
科研人員突破現有光物理理論框架，利用“高能反系間竄越”的原理，實現100%單線態激子發光的“熱激子”機制，研制出擁有獨立知識產權的有機發光材料新體系，為新一代低成本光材料的設計制備提供了全新路徑。
基礎研究促進產業發展。基于該機制的熱激子藍光材料在主要性能上優于現有產線材料，已開始在京東方、華星光電等企業開展產線上驗證，并成立東莞伏安光電科技有限公司推進量產應用。
同時，他們發現一類全新的高穩定性、高發光效率自由基發光材料體系。其具有雙線態特征，從而在源頭上規避了暗態（T）的形成，并由此提出了“自由基雙線態發光”這一全新原理�；诖祟惒牧显O計的新器件在性能上取得重大突破，是當時報道中效率最高的紅光材料。
科研人員發現了激活T的聚集體結構及室溫磷光材料，建立和發展了室溫磷光的理論模型，引領了純有機室溫磷光研究方向。
此外，科研人員還提出了“H聚集穩態三線態激子”的分子設計策略，實現純有機分子三線態激子的高效利用，開發出單一有機晶體材料下的多彩長余輝顯示，創制出首例多彩有機“夜明珠”。
白光OLED作為新一代固體照明光源，具有高能效、綠色環保、面光源、發光均勻、光線柔和、色溫可調、低成本、大面積、可實現柔性化等優點。然而，高效率、大面積、柔性白光OLED照明器件集成是發展白光OLED照明器件面臨的挑戰。
對此，科學人員通過合作攻關，研制出大面積、高導電率、高透光性的銀柔性透明電極，實現了納米尺度的光學耦合調控，最終將柔性透明電極與光學器件耦合集成，獲得了創紀錄的高效柔性白光照明器件。
高效有機光伏材料與器件成功制備
有機太陽能電池利用有機半導體光伏活性材料實現太陽光能向電能轉化利用，是具有重要應用潛力的新型光伏技術，包含大量的基礎科學與技術問題，也是國際競爭最為激烈的研究前沿之一。
其中，給體、受體光伏材料和電極界面修飾層材料是有機太陽能電池的關鍵材料，而如何提升光-電能量轉換效率是材料研究的核心問題。
在國家自然科學基金重大研究計劃“面向能源的光電轉換材料”支持下，我國科學家設計合成了系列新型高效有機光伏材料，制備了高效有機太陽能電池器件。
中國科學院院士、中國科學院化學研究所研究員李永舫表示，研發新型電子受體材料以及與之匹配的新型聚合物電子給體材料，優化相應活性層形貌，從而提升器件光伏性能，是該領域的迫切需求。重大研究計劃立項之初，富勒烯衍生物在有機受體光伏材料中占有支配性地位。但是，這類受體材料的光吸收性能較差、電子能級難以調控、能量損失大，這導致有機太陽能電池的能量轉換效率最高只能達到12%。
為攻克富勒烯衍生物受體存在的問題，我國科研人員于2015年原創開發了具有稠環給電子（D）中心單元和強吸電子（A）末端的A-D-A型有機小分子受體光伏材料。這類受體材料具有窄帶隙、寬吸收、合適的電子能級和易加工制備等突出優點。基于這類小分子受體和寬帶隙聚合物給體材料的有機太陽能電池能量轉換效率達到了11%～14%的水平。
在此基礎上，科研人員進一步合成了A-DAD-A結構的新型小分子受體光伏材料，尤其是以苯并噻二唑為A單元的受體Y6，吸收邊紅移至900多納米，還具有合適的電子能級、強的聚集性能、低的激子束縛能�；赮6及其衍生物受體的有機太陽能電池的能量轉換效率已從2019年報道的15.7%迅速提升至最近的超過19%，達到了可以向實際應用發展的水平。這類新型窄帶隙有機小分子受體光伏材料得到了國際同行的普遍認可，并被廣泛使用，引領和推動了有機光伏領域的發展。
此外，開發與窄帶隙受體匹配的高效聚合物給體光伏材料對提升有機太陽能電池的能量轉換效率十分重要�？蒲腥藛T原創設計了多種基于帶噻吩共軛側鏈的苯并二噻吩給電子解耦給單元的D-A寬帶隙共聚物給體光伏材料，與受體高度匹配，獲得了優異的有機光伏性能。尤其值得一提的是，2018年報道的具有簡單結構的低成本聚合物給體PTQ10，其二元有機太陽能電池的能量轉換效率超過18.5%，三元器件的能量轉換效率超過19%。
基于聚合物給體和聚合物受體的全聚合物太陽能電池具有成膜性好、柔韌性好和穩定性好的突出優點。然而，早期的全聚合物太陽能電池由于缺少高效的聚合物受體，效率較低。2017年，科研人員提出了窄帶隙小分子受體高分子化的策略，基于A-D-A型和A-DAD-A型小分子受體制備了高效聚合物受體光伏材料，尤其是基于A-DAD-A型小分子受體的聚合物受體光伏材料，使全聚合物太陽能電池的能量轉換效率超過18%。
科學家制備出新一代無機光電關鍵材料
新一代無機光電材料具有低成本、高性能的優勢，在光伏發電及柔性顯示與照明領域應用潛力巨大。在國家自然科學基金重大研究計劃“面向能源的光電轉換材料”支持下，科學家基于溶液法制備出新型無機光電材料，并探索新機制、新結構，實現高效、穩定、可大面積制備的光電器件。
鈣鈦礦是新興的變革性光伏材料來源，避免了由濕法工藝帶來的材料晶體質量低、缺陷密度大的問題。在專家們看來，獲得高穩定、高效率、大面積器件是鈣鈦礦光伏產業化的關鍵�？蒲腥藛T提出了新原理、新工藝、新器件結構，多次實現器件性能重大突破，使我國鈣鈦礦光伏在穩定性與效率方面均處于世界先進水平。
科研人員提出了鈣鈦礦材料的取向生長及缺陷鈍化方法，實現了組分、相態、維度、生長過程、缺陷態密度以及半導體特性的調控；通過調控鈣鈦礦材料的半導體性質，創造了反式結構鈣鈦礦光伏器件效率的世界紀錄；基于循環“氧化還原梭”的策略，實現缺陷對的可循環修復，極大延長了鉛鹵鈣鈦礦材料及器件在工況條件下的本征穩定性。
同時，科研人員還研制出基于印刷工藝及低成本原材料的無空穴傳輸材料型可印刷鈣鈦礦太陽能電池，大大提升了鈣鈦礦電池的穩定性。
南京工業大學教授王建浦表示，當前發展發光二極管（LED）器件面臨的挑戰是厘清材料維度與性能的構效關系，制備低缺陷、高熒光產率薄膜，實現高效、穩定的發光器件。
對此，科研人員提出了材料維度調控與自發形成微結構的光場調控等研究思路，多次刷新器件性能紀錄，使我國在鈣鈦礦LED領域長期領跑世界。科研人員利用添加劑自組裝形成低缺陷、亞微米結構的鈣鈦礦薄膜，提高了器件光提取效率，刷新了鈣鈦礦LED效率的世界紀錄。
此外，量子點是人類迄今發現最好的發光材料之一，基于量子點的電發光則是下一代顯示技術的未來之星。針對現存的技術瓶頸難題，科研人員提出“量子點激發態合成控制”和“熵配體”模型，解決了量子點墨水穩定性難題，制備了可滿足大屏顯示應用需求的高穩定量子點發光二極管（QLED）原型器件。如今，量子點激發態合成控制技術成果已全面實現轉化，建成了全球最大的量子點材料生產基地，總銷售額超過3億元。 |
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