2013年11月11日09:02
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為了實現在昏暗的室內也能高效發電、成本僅為1000日元的“粘貼型傳感器”，柔性太陽能電池的開發正在進行之中。將把採用可降低成本的有機半導體制造的薄膜太陽能電池制成nm（10-9m）級微細纖維狀，再編織成“布”。計劃將這種太陽能電池用於植物工廠。日本NMEMS技術研究機構綠色傳感器網絡研究所大岡山研究中心主任谷岡明彥以《傳感器網絡系統中納米纖維獨立電源的開發》為題發表演講，介紹了這種太陽能電池的開發詳情。
NMEMS技術研究機構綠色傳感器網絡研究所大岡山研究中心主任谷岡明彥
目前正在開發的太陽能電池的目標是，面向傳感器網絡終端用途，實現安裝后無需更換的自給電源，無需再更換電池。作為傳感器網絡終端的電源，也可使用現有的紐扣型電池，但是達到使用壽命之后必須更換。
谷岡正在開發的是在室內光線下也能充分發電的太陽能電池。據介紹，一般室內的照度為窗前1000lux、桌上400lux、桌下100lux。谷岡的目標是開發出隻要達到桌上400lux的照度，就能驅動傳感器網絡終端的太陽能電池（圖1）。
圖1 開發在桌面照度為400lux的環境下能發揮功能的發電元件。
適合傳感器網絡終端使用環境的特性
為了使太陽能電池具備適合創可貼型傳感器網絡終端的特性，谷岡使用了有機半導體中的高分子型材料。
採用有機半導體的太陽能電池的特點是，使用樹脂基板而非硅基板，從而可將太陽能電池做得輕、薄而且柔軟。如果能夠粘貼在物體上，便可實現自由布局。而且，即便在安裝時及安裝后施加外力也不易損壞。這種太陽能電池不僅厚度薄，而且可簡化安裝夾具，因此安裝時也不佔地方。
使用有機半導體還易於降低量產成本。因為無需使用昂貴的、龐大的真空制造設備，隻需在空氣條件下涂覆高分子材料並形成薄膜半導體即可。而且，可靠性及壽命也可充分滿足需求。因為可使其具備蓄電功能，所以在達不到所需照度的環境中也能穩定供應電力。
採用有機半導體的太陽能電池的發電效率已達到並不遜色於住宅及工業使用的非晶（多晶）硅型太陽能電池的水平。在目前已公開的產品中，有機半導體太陽能電池最高水平的效率為12％。在室內低於1000lux的照度條件下，其效率高於非晶硅太陽能電池等（圖2）。在室內環境中，有機薄膜太陽能電池在效率方面也十分有利。
圖2 在室內照度環境下有機薄膜太陽能電池的轉換效率較高。
將光能有效地轉換為電能
此次的有機薄膜太陽能電池採用了p型半導體與n型半導體的接觸面積大、可提高發電效率的本體異質結。而且採用了使p型半導體變成納米級微細纖維狀、在其他部分填充了n型半導體的結構（圖3）。
圖3 採用容易提高效率的結構。
這樣就能減少現有本體異質結的電子傳輸損失。採用現有本體異質結構時，受到光照后產生的電子中有很多不會轉化為發電能量的電子。這是因為結構內部存在孤立領域，此處產生的電子無法到達電極。而此次的太陽能電池通過使p型半導體變成纖維狀，形成了使接觸面產生的電子能夠到達電極的路徑，從而減少了輸送損失。
此次的開發目標是輸出功率達到現有太陽能電池的兩倍以上，即150μW以上，轉換效率達到7％以上。電池尺寸為10cm2以下（圖4）。
圖4 開發目標。
首先應用於植物工廠，然后擴大至住宅及服裝用途
採用納米級微細纖維結構的有機半導體是向溶解有高分子的溶液施加高電壓，然后紡織纖維制成的。這種方法被稱為電場紡絲法（圖5）。
圖5 採用纖維構造的有機半導體的制造方法。
將來，谷岡打算將採用這種方法制作的纖維狀有機薄膜太陽能電池紡織或編織成布（紡織品），作為可以自由折疊的平面狀電源使用。雖然以樹脂為基板的有機太陽能電池也可以彎曲，但織成布的太陽能電池不僅可以彎曲，還能像普通布料一樣折疊，收放時佔用空間很小。
谷岡介紹說，“（這種太陽能電池）的優點是，因為是纖維狀元件的集合體，因此，不僅作為電源的可靠性更高，而且能夠理想地引入從多個方向照射的室內照明的光線”（圖6）。
圖6 全方位引入光線。
目前，谷岡正在利用約5cm寬、2cm厚的纖維狀太陽能電池試制品進行驗証。今后將安裝在傳感器網絡終端上，用於植物工廠。估計將來還會發展成布狀太陽能電池，用途擴大至窗帘、壁紙、地毯及服裝等（圖7）。（作者：加藤伸一，日經能源環境網 供稿）
圖7 用途將擴大至窗帘、壁紙、地毯、服裝。
