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2019年05月15日 来源:

用半导体高分子挑战“涂布型”太阳能电池(上)

包括起居室的墙壁、窗帘、摆设,以及汽车、电车在内,人们身边能照射到光线的所有地方都能生产电力 作为实现这一目标的技术,使用有机半导体的有机薄膜太阳能电池备受关注。除了薄、轻、可弯曲等特点,有机薄膜太阳能电池还有可能利用印刷等技术,像印制海报一样制造。

不过,目前有机薄膜太阳能电池的光电转换效率还比较低,能够利用印刷等方式制造的涂布型有机薄膜太阳能电池的转换效率更低。提高转换效率与利用印刷技术制造呈此消彼长的关系,很难兼顾。

然而,面对困难,仍然有研究组向这个难题发起了挑战。日本理化学研究所的创发分子功能研究组就是其中之一。2013年,该研究组开发出了转换效率为8.2%的涂布型有机薄膜太阳能电池。围绕实现涂布型制造并兼顾高转换效率的关键,该研究组的高级研究员尾坂格接受了的采访。(采访人:大久保 聪,日经BP半导体调查,野泽哲生,《日经电子》)

您为何要研究只需涂布就能制作的太阳能电池?

尾坂:我从事这项研究,是因为想要利用有机电子制作出的产品,并希望以有机合成为基础来制造。在我所在的研究组,泷宫和男组长和我从很早以前就在分别研究低分子材料和高分子材料。

其实,涂布型有机薄膜太阳能电池使用的半导体高分子是由为有机晶体管开发的材料派生而来。研究表明,在为有机晶体管开发半导体高分子的过程中发现的化合物衍生物可以用于太阳能电池。

为了实现高性能有机晶体管,结晶性优良的有机半导体必不可少。为了利用聚合物达到这个目的,我们设计了许多不同的分子结构。在研究的过程中,我们发现,在保持的结晶性的同时,还可以控制分子排列的方向(取向)。而且,采用某一种取向时,将其用于有机薄膜太阳能电池可以提高性能。

怎样的取向适合太阳能电池?

尾坂:就有机晶体管而言,以基板为水平面,载流子沿水平方向移动的速度越快,性能越高。因为在这样的状态下可以提高晶体管的开关速度。换做有机太阳能电池的话,以基板为水平面,载流子沿垂直方向移动的速度越快,性能越高。因为在这样的状态下,受光激发产生的载流子能够快速地移动到基板侧的电极和半导体高分子膜上的电极。

无论是有机晶体管,还是有机薄膜太阳能电池,都是有机半导体膜的结晶性越好,性能就越高。但二者提高载流子移动性(载流子迁移率)的方向却截然不同。半导体高分子的载流子迁移率取决于分子排列的方向(取向),在用于有机晶体管的时候,以基板为水平面,半导体高分子的取向要使载流子迁移率沿水平方向增大,而在用于有机薄膜太阳能电池时,则要沿垂直方向增大。

试制的有机薄膜太阳能电池

涂布型有机太阳能电池使用的是什么样的半导体高分子?性能如何?

尾坂:是在Naphtho-dithiophene与Naphtho-bis-thiadiazole组成的半导体高分子Naphtho-dithiophene中加入了两个烷基的物质。加入烷基后,分子将 横躺 在基板上,载流子迁移率约为0.1cm2/Vs。

与近发表的有机半导体相比,载流子迁移率看上去比较低,但这是为了使分子的取向适合有机薄膜太阳能电池,牺牲了一些载流子迁移率。另外,如果不加入烷基,载流子迁移率约为0.5cm2/Vs。没有烷基时,分子是竖立在基板上。我们可以通过调整烷基的有无,分别制作适合晶体管和适合太阳能电池的半导体高分子。

使用这种半导体高分子的有机薄膜太阳能电池的转换效率方面,不加入烷基时为5%,而加入烷基后,效率一举提高到了8.2%。这是2013年公开的数值,通过进一步优化,这一数字现在已经提高到了9%以上。

企业对此有何反响?

尾坂:我们接到了不少关于 能否触摸 等咨询。我们希望自己开发的有机薄膜太阳能电池得到广泛采用,想要得到采用,就必须接受企业的测评,使任何企业在试用时都能获得再现性强的出色性能。我们会做好准备,对外提供自己开发的材料的样品。

太阳能电池的主流是硅类,有机薄膜太阳能电池的用途有哪些?

尾坂:有机薄膜太阳能电池的特点是呈片状,薄而且能弯曲。按照开发有机薄膜太阳能电池的企业的设想,这种电池将用于现有硅类太阳能电池难以实现的用途,例如设置在墙面和曲面上、做成透明状与窗户融为一体、与卷帘一体化等等。我们研发的有机薄膜太阳能电池也能用于这些用途。

请介绍一下用于有机晶体管的半导体高分子的开发情况。

尾坂:现在,载流子迁移率超过1cm2/Vs的半导体高分子已经开始出现。与过去的cm2/Vs左右相比,迁移率大大提高。我参与的日本科学技术振兴机构(JST)的研究项目提出的目标,是要稳定实现2~3cm2/Vs的载流子迁移率。该项目瞄准的方向是利用有机晶体管驱动有机EL,这需要2~3cm2/Vs的载流子迁移率。

即使材料的载流子迁移率高,受晶体管制造工艺的影响,制成的晶体管的载流子迁移率也会有所下降。因此,除了调整分子结构等材料方面的开发之外,改进半导体高分子膜与材料接触的界面等努力同样必不可少。

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