2014年06月17日08:29
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要像印制海報一樣“印刷”太陽能電池——能實現這一理想的是一種“涂布型”有機薄膜太陽能電池，日本理化學研究所創發分子功能研究組正在進行相關研發。但這種太陽能電池很難提高將光轉化成電的轉換效率，為解決這一問題，該研究組開發出了能夠控制分子排列（配向）的半導體高分子材料。這次，該研究組的高級研究員尾?格接受採訪，介紹了所開發的半導體高分子的特點以及全球有機薄膜太陽能電池開發狀況等信息。
試制的有機薄膜太陽能電池（攝影：日本理化學研究所）
——在有機薄膜太陽能電池上使用半導體高分子有什麼好處？
尾?：好處有好幾個。首先，因為使用溶液制作涂布型元件很容易，因此能夠簡化印刷等制造工藝。使用低分子型有機半導體也能制作涂布型元件，但半導體高分子用於涂布型元件更容易。並且，使用半導體高分子制造的有機薄膜太陽能電池的耐熱性更高。
而且，使用半導體高分子的話，在有機薄膜太陽能電池內受光激發產生的載流子更容易被電極提取。我們研發的有機薄膜太陽能電池採用的是“體異質結（Bulk Heterojunction）”結構，p型半導體採用我們開發的半導體高分子，n型半導體採用富勒烯材料，使二者相互滲透。p型半導體使用的材料分子越大，越容易形成載流子遷移的網絡，載流子越不容易被封閉，因此轉換效率就越容易提高。
——能夠控制半導體高分子配向的現象是偶然發現的嗎？
尾?：我們把用於有機薄膜太陽能電池、使半導體高分子相對於基板橫向層疊的排列方法稱作“face-on（面朝上）”，而把用於有機晶體管、使半導體高分子縱向鋪在基板上的配置方法稱作“edge-on（邊朝上）”。雖然現在可以分別制作出face-on和edge-on結構，不過最初卻經歷了多次失敗。
我們並沒有盲目開發材料。我們在以前用半導體高分子的幾種材料進行研究的過程中，發現了“如果這樣做的話，配向會變成這樣”的現象，從而最終找出了半導體高分子的配向規律。這個規律並不是通過數值計算導出的，而是憑經驗找到的。為了做成face-on而引入烷基也是基於經驗。
——由Naphtho-dithiophene與Naphtho-bis-thiadiazole組成的半導體高分子在結晶時，分子呈edge-on排列，在該分子內的Naphtho-dithiophene中引入兩個烷基，就會變成face-on。為什麼會這樣呢？
尾?：結晶性越高的半導體高分子，越容易變成edge-on結構。這是因為，半導體高分子極力排斥與異質的基板接觸，而半導體高分子分子之間卻有著相互接觸的傾向。引入烷基后，會阻礙分子的結晶化運動。
我們認為，在烷基作用下，分子間的相互作用減弱，排斥基板的力也會減弱。適當選擇半導體高分子中引入的烷基的位置和密度，可以在不太影響高結晶性的同時改變配向。
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| 用於晶體管的edge-on配向（左）和用於太陽能電池的face-on配向（右） （圖摘自理化學研究所的發布資料） |
——有人指出有機薄膜太陽能電池還不是很耐用，您怎麼看？
尾?：我們研發的有機薄膜太陽能電池比以前發布的產品都要出色。因為半導體高分子的結晶性高，有機薄膜太陽能電池的耐用性可通過提高有機半導體的結晶性來提高。耐用性跟結晶性是相關聯的，可以通過提高半導體高分子晶體的剛性來降低受熱和受光引起的劣化，還可以利用面向有機EL等開發的封裝技術。
——全球都在熱火朝天地研發有機薄膜太陽能電池，果真如此嗎？
尾?：這個領域確實發展得很快。最近一年，有很多研究小組都發布了轉換效率很高的有機薄膜太陽能電池。2013年的時候，轉換效率達到8％就可以說是很高了，但現在看來這並不算高。前段時間，我參加了在美國舉行的學會“Materials Research Society”，會議上發布的有機薄膜太陽能電池達到8％轉換效率的多得是，還有很多達到了9％。
以前,有了好的成果以后不會很快被其他研究組超越。但現在情況不同了，全球的開發熱情都很高，開發速度非常快。
——美國對有機薄膜太陽能電池的期望值高不高？
尾?：我個人看來，美國對有機薄膜太陽能電池的期望值比以前低了。大概因為頁岩氣革命使能源供應形勢發生了變化。
雖說期望值降低，但研發的腳步並未放緩，反而在加快。據我推測，受頁岩氣革命影響，“有機薄膜太陽能電池研發費用可能會減少”這樣的危機感在相關研發人員中增強，反而促使了研究速度進一步加快。
——您所在的研究組在有機薄膜太陽能電池方面制定了什麼樣的開發目標？
尾?：轉換效率達到12％是我們的一個目標。為了實現這個目標，希望1年后將現在已超過9％的轉換效率提高到10％以上。（作者：大久保 聰，日經技術在線！供稿）
