2014年06月16日10:09
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起居室的墙壁、窗帘、摆设及汽车、电车……，凡光线照到的地方都能发电。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受到了人们的关注。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。
日本理化学研究所创发特性科学研究中心超分子功能化学部门创发分子功能研究组高级研究员尾坂格
但目前有机薄膜太阳能电池的光电转换效率还比较低，能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。因转换效率提高与用印刷技术制造彼此矛盾，所以两者很难兼顾。
然而，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。记者就实现涂布型制造并兼顾高转换效率的关键，采访了该研究组的高级研究员尾坂格。
——因何要研究只需涂布就能制作的太阳能电池？
尾坂：因为想要用有机电子制作出优秀的产品，并想基于有机合成来制造，所以在作研究。我所在研究组的泷宫和男组长一直在研究低分子材料，而我一直研究高分子材料。
其实，涂布型有机薄膜太阳能电池使用的半导体高分子是从有机晶体管开发的派生材料。研究得知在有机晶体管半导体高分子的开发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，需要结晶性优良的有机半导体。我们想利用聚合物来实现这一点，所以设计了各种分子结构。在研究的过程中，我们发现，在保持优秀的结晶性的同时，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（摄影：理化学研究所提供）
——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。
与最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10-3cm2/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。（作者：大久保 聪，日经技术在线！供稿）
