2014年06月16日10:09
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起居室的牆壁、窗帘、擺設及汽車、電車……，凡光線照到的地方都能發電。實現這一目標的技術，使用有機半導體的有機薄膜太陽能電池受到了人們的關注。除了薄、輕、可彎曲等特點，有機薄膜太陽能電池還有可能利用印刷等技術，像印制海報一樣制造。
日本理化學研究所創發特性科學研究中心超分子功能化學部門創發分子功能研究組高級研究員尾?格
但目前有機薄膜太陽能電池的光電轉換效率還比較低，能利用印刷等方式制造的涂布型有機薄膜太陽能電池的轉換效率更低。因轉換效率提高與用印刷技術制造彼此矛盾，所以兩者很難兼顧。
然而，仍然有研究組向這個難題發起了挑戰。日本理化學研究所的創發分子功能研究組就是其中之一。2013年，該研究組開發出了轉換效率為8.2％的涂布型有機薄膜太陽能電池。記者就實現涂布型制造並兼顧高轉換效率的關鍵，採訪了該研究組的高級研究員尾?格。
——因何要研究隻需涂布就能制作的太陽能電池？
尾?：因為想要用有機電子制作出優秀的產品，並想基於有機合成來制造，所以在作研究。我所在研究組的瀧宮和男組長一直在研究低分子材料，而我一直研究高分子材料。
其實，涂布型有機薄膜太陽能電池使用的半導體高分子是從有機晶體管開發的派生材料。研究得知在有機晶體管半導體高分子的開發過程中發現的化合物衍生物可以用於太陽能電池。
為了實現高性能有機晶體管，需要結晶性優良的有機半導體。我們想利用聚合物來實現這一點，所以設計了各種分子結構。在研究的過程中，我們發現，在保持優秀的結晶性的同時，還可以控制分子排列的方向（取向）。而且，採用某一種取向時，將其用於有機薄膜太陽能電池可以提高性能。
——怎樣的取向適合太陽能電池？
尾?：就有機晶體管而言，以基板為水平面，載流子沿水平方向移動的速度越快，性能越高。因為在這樣的狀態下可以提高晶體管的開關速度。換做有機太陽能電池的話，以基板為水平面，載流子沿垂直方向移動的速度越快，性能越高。因為在這樣的狀態下，受光激發產生的載流子能夠快速地移動到基板側的電極和半導體高分子膜上的電極。
無論是有機晶體管，還是有機薄膜太陽能電池，都是有機半導體膜的結晶性越好，性能就越高。但二者提高載流子移動性（載流子遷移率）的方向卻截然不同。半導體高分子的載流子遷移率取決於分子排列的方向（取向），在用於有機晶體管的時候，以基板為水平面，半導體高分子的取向要使載流子遷移率沿水平方向增大，而在用於有機薄膜太陽能電池時，則要沿垂直方向增大。
試制的有機薄膜太陽能電池（攝影：理化學研究所提供）
——涂布型有機太陽能電池使用的是什麼樣的半導體高分子？性能如何？
尾?：是在Naphtho-dithiophene與Naphtho-bis-thiadiazole組成的半導體高分子Naphtho-dithiophene中加入了兩個烷基的物質。加入烷基后，分子將“橫躺”在基板上，載流子遷移率約為0.1cm2/Vs。
與最近發表的有機半導體相比，載流子遷移率看上去比較低，但這是為了使分子的取向適合有機薄膜太陽能電池，犧牲了一些載流子遷移率。另外，如果不加入烷基，載流子遷移率約為0.5cm2/Vs。沒有烷基時，分子是豎立在基板上。我們可以通過調整烷基的有無，分別制作適合晶體管和適合太陽能電池的半導體高分子。
使用這種半導體高分子的有機薄膜太陽能電池的轉換效率方面，不加入烷基時為5％，而加入烷基后，效率一舉提高到了8.2％。這是2013年公開的數值，通過進一步優化，這一數字現在已經提高到了9％以上。
——企業對此有何反響？
尾?：我們接到了不少關於“能否觸摸”等咨詢。我們希望自己開發的有機薄膜太陽能電池得到廣泛採用，想要得到採用，就必須接受企業的測評，使任何企業在試用時都能獲得再現性強的出色性能。我們會做好准備，對外提供自己開發的材料的樣品。
——太陽能電池的主流是硅類，有機薄膜太陽能電池的用途有哪些？
尾?：有機薄膜太陽能電池的特點是呈片狀，薄而且能彎曲。按照開發有機薄膜太陽能電池的企業的設想，這種電池將用於現有硅類太陽能電池難以實現的用途，例如設置在牆面和曲面上、做成透明狀與窗戶融為一體、與卷帘一體化等等。我們研發的有機薄膜太陽能電池也能用於這些用途。
——請介紹一下用於有機晶體管的半導體高分子的開發情況。
尾?：現在，載流子遷移率超過1cm2/Vs的半導體高分子已經開始出現。與過去的10-3cm2/Vs左右相比，遷移率大大提高。我參與的日本科學技術振興機構（JST）的研究項目提出的目標，是要穩定實現2∼3cm2/Vs的載流子遷移率。該項目瞄准的方向是利用有機晶體管驅動有機EL，這需要2∼3cm2/Vs的載流子遷移率。
即使材料的載流子遷移率高，受晶體管制造工藝的影響，制成的晶體管的載流子遷移率也會有所下降。因此，除了調整分子結構等材料方面的開發之外，改進半導體高分子膜與材料接觸的界面等努力同樣必不可少。（作者：大久保 聰，日經技術在線！供稿）
