記者 王婧
近日，國家自然科學基金委發佈了2019年度國家傑出青年科學基金資助通知，全國共有296名專家學者入選，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員葛子義名列其中。這個基金對於入選者要求極高，入選者為國內僅次於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品、光伏建築一體化和國防軍工等領域應用前景廣闊，多個國家均開展了一系列國際領先的應用基礎研究。
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十年磨一劍
在葛子義的辦公桌上，放著一卷透明且印刷著條紋的“有機太陽能電池”。之所以說是一卷，是因為它不同於我們常見的電池，而是可以像衛生紙一樣捲起來，拉出來以後像紙一樣薄，只有一兩百微米厚。
雖然輕薄，但它的技術含量卻極高，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是以晶硅等無機半導體材料為活性層製備而成，存在工藝複雜、成本高、原材料生產過程能耗大和汙染重等缺點。這類太陽能電池由於無機半導體本身的剛性結構，難以製備柔性電子器件。
柔性電子器件，特別是基於有機材料的光電器件，是未來電子器件發展的一大趨勢。因此，製備成本低、效率高、柔性強、環境友好的新型有機太陽能電池，正成為各國科學家的研究目標。
1976年出生的葛子義說到自己的專業領域，眼睛裡總是閃著光。他1999年本科畢業於蘭州大學，2004年獲中科院化學所博士學位，2005年前往日本東京工業大學從事有機光電研究。
“當時，日本在光電材料研究方面比我們先進很多，我就想著多學點知識，提高我們的技術水平。”葛子義說，日本很重視基礎研究，這點對他的影響尤其大，“對於日本的科研人員來說，沉下心十幾年或幾十年做一項基礎研究是太正常不過的事。”
2009年，33歲的葛子義回國，受聘華東理工大學教授。“教書育人固然好，但我還是想在科研一線學以致用。”2010年，他加入中科院寧波材料所，擔任“有機光電化學”學科帶頭人、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，活性層具有接受光能並且轉化成電能的作用，其中包含兩種材料，工藝要做到納米級別，一個是給電子材料，一個是接收電子材料，兩者之間的能級和光譜如果匹配得恰到好處的話，電子的傳輸就更暢通，也就能提高光電轉化率，提高發電量。
“2014年，我們在國際上率先突破有機太陽能電池10%的光電轉換效率瓶頸時，很多人建議我們可以產業化，但是我覺得還不夠，需要研究得更深，繼續改進和提升電池效率。”葛子義說，基礎研究是一切創新研究的基石，地基打不好蓋起來的樓也不會穩。
就這樣，葛子義在有機光電材料領域這個“冷板凳”上一坐就是十年。源浚者流長，根深者葉茂。他始終認為，只有把基礎研究搞好了，才會對其他領域的研究帶來有利支撐。
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劍指大挑戰
2015年，國際頂級學術期刊《自然-光子學》（Nature Photonics）報道了葛子義領導的有機光電材料與器件團隊在有機太陽能電池領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佈，也是寧波市首次在《自然》子刊上發表第一通訊單位研究論文。
葛子義說，對於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，它不僅可以優化活性層吸收和調節其光場分佈，而且還能夠調節電極的電荷收集勢壘，實現光生載流子的有效傳輸，是提高有機太陽能電池效率和穩定性的關鍵核心技術。
“目前廣泛使用的傳統金屬或化合物界面材料，空氣穩定性差，且需通過蒸鍍、濺射方法成膜、能耗高，不利於有機太陽能電池的低成本大面積製備。”葛子義說，為突破這一缺陷，目前國際上開發了一些可溼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，但是這類材料合成複雜、價格昂貴，難以在有機太陽能電池領域大規模應用。
如何實現高效、低成本的有機太陽能電池界面調控一直是科研界關注的重點。
“考慮到有機太陽能電池的商業化應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上，創新性地開發了一種製備工藝簡單、價格低廉、可用醇類溶劑溼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構進行優化，把單結正型聚合物太陽能電池的光電轉換效率提高至10.02%，突破了單結有機太陽能電池10%的效率瓶頸。同目前廣泛使用的金屬界面相比，電池的光電轉換效率提高了近25%，也明顯優於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》審稿人對此予以高度評價，認為該研究成果“對於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、大面積化製備，加快推進有機太陽能電池的商業化進程。
“有機太陽能電池目前遇到的最大的挑戰是效率和壽命。”葛子義說，目前電池的光電轉換效率普遍在14%－16%，他們的目標是達到18%－20%。目前其領導的實驗室已經達到17%左右的效率。電池的壽命目前普遍在3年－5年，遠期目標是使用壽命能達到10年，該實驗室也正在攻關。
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產業化可期
“十三五”戰略性新興產業發展規劃以及國家發展改革委能源局新近發佈的《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030）》明確指出，將重點發展基於有機、鈣鈦礦半導體材料的太陽能電池。
“有機太陽能電池的光電轉化效率與硅基、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勢，為其產業化提供了很大的空間，有助於實現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、半透明、多彩化、可彎曲以及可卷對卷大規模生產的特性，可在建築物或服裝內彎曲和扭曲，並可以製成任何顏色，甚至半透明，從而與周圍環境相匹配，融為一體。”葛子義說，在未來的可穿戴設備供電、建築光伏一體化、太陽能飛機等領域的應用上將會大放異彩。
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內容的研究。在未來的幾年內，我國在該領域應該會有更大的突破、會有很多科研成果出現。
談到柔性有機太陽能電池的產業化，葛子義說，柔性有機太陽能電池的產業化需要一步一步向前推進，預計未來3年—5年可以產業化。
“目前應該是產業化的‘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，還要首先具備高效和低成本有機光伏材料的開發和放大合成，以及高性能柔性透明電極的開發和大面積製備；其次需要開展柔性器件的大面積製備工藝、器件穩定性以及封裝材料和工藝的研究；最後需要與公司合作，製備柔性有機太陽能電池組件，並建立柔性有機太陽能電池生產線，實現柔性有機太陽能電池的大規模應用。
“目前，我們的有些技術已經超過了國外，可以說是我們中國人引領的一個研究領域，”葛子義說，應該在中國率先實現產業化。
“不過即使如此，也不能急，首要還是要做好基礎研究。”葛子義說，不能讓這項技術像我國其他關鍵核心技術一樣因為基礎研究跟不上，而受制於人。
“與很多短平快的技術開發和產品創新相比，基礎研究往往需要長期積累，取得成果的週期較長，其應用價值顯現沒那麼快。”葛子義說，風物長宜放眼量，我國基礎研究領域要想取得更多原創性、開創性的重大科研成果，認識到基礎研究的重要性是關鍵，這也是我國科技事業穩固堅實的基礎。
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