三菱化學2011年4月宣布，在有望成為“新一代太陽能電池”的“有機薄膜太陽能電池”領域，實現(xiàn)了世界最高的9.2％能源轉換效率。三菱化學的有機薄膜太陽能電池的特點是，可利用印刷技術進行高效生產(chǎn)。不久的將來，也許房間的壁紙、窗簾、汽車車身以及衣服等都能實現(xiàn)太陽能發(fā)電。

　　“在不久的將來，除了房頂外，或許還能利用房子的墻壁、房間的壁紙、窗簾、汽車的車身以及衣服等多種物品進行太陽能發(fā)電”。

　　說這番話的是三菱化學的執(zhí)行董事、OPV（有機薄膜太陽能電池）業(yè)務推進室長星島時太郎。

能源轉換效率達到9.2％

三菱化學OPV（有機薄膜太陽能電池）業(yè)務推進室長星島時太郎

　　經(jīng)歷了福島第一核電站的事故，人們對自然能源、尤其是對太陽能發(fā)電的期待越來越高。在這一背景下，三菱化學于2011年4月宣布，作為有望成為“新一代太陽能電池”的、該公司的“有機薄膜太陽能電池”的能源轉換效率達到了世界最高值——9.2％。

　　星島介紹說，“這一效率還被美國《科學》雜志進行了介紹。將迄今為止8％出頭的最高值一舉提高了1％，海外的研究人員們也為之大吃一驚”。

　　目前，設置在家中房頂?shù)忍幍奶柲苊姘宕蠖酁闊o機類“結晶硅太陽能電池”。這類電池價格昂貴，因此遲遲未能普及開來。價格昂貴的主要原因在于原料使用了高純度硅。而且，日本全部依賴從中國進口，還存在資源風險的問題。

　　因此，需要開發(fā)采用低價格和低資源風險原料的新一代太陽能電池。最佳候選就是日本目前正在快速推進開發(fā)的有機類太陽能電池。

薄型、輕量、可彎曲

　　有機類太陽能電池物如其名，是以碳等有機物為材料的太陽能電池。目前大致可分為“色素增感型太陽能電池”和“有機薄膜太陽能電池”兩種。 三菱化學研究開發(fā)的是后者。有機薄膜太陽能電池采用易于采購的原料，與以往的結晶硅太陽能電池相比，可大幅降低生產(chǎn)成本。另外，還具備薄型、輕量、可彎曲等特點，應用范圍廣泛，能夠加工成多種形狀。

　　有機類太陽能電池性能提高的關鍵在于其有機物等主要原料。為此，近年來，為了將公司長年積累的材料相關知識和技術用于太陽能電池，住友化學、三井化學、東麗以及東洋紡等材料廠商紛紛涉足該市場。三菱化學也是其中之一。

　　此前有機類太陽能電池存在的課題是，能源轉換效率只有5％左右，產(chǎn)品壽命短。因此，為進一步提高能源轉換效率和產(chǎn)品壽命，眾多企業(yè)和研究機構展開了激烈競爭。在這種情況下，三菱化學發(fā)布了“能源轉換效率達到9.2％”的試制品。

　　星島稱，“如果能源轉換效率能達到10％，就可以決定實用化了。此次的成功讓我們看到了在2012年實用化的希望”。

　　另外，星島還補充道，“不過，本公司的有機薄膜太陽能電池的真正價值并不在于能源轉換效率高，而在于可采用印刷技術的制造方法”。

可印刷在薄膜基板上進行制造

　　此前，有機薄膜太陽能電池的制造方法一般采用“真空蒸鍍法”。真空蒸鍍法需要大型制造裝置，因此存在生產(chǎn)成本高，而且難以實現(xiàn)大面積化的缺點。

　　而三菱化學開發(fā)的產(chǎn)品可印刷在薄膜基板等上簡單制造。因此，采用相對較小的制造裝置即可，還能進行大量生產(chǎn)，可輕松實現(xiàn)大面積化。

　　所以，“利用房間的壁紙和窗簾發(fā)電”等便有望成為現(xiàn)實。

　　使采用印刷技術的制造方法成為現(xiàn)實的，是該公司開發(fā)的有機半導體材料。

　　有機薄膜太陽能電池需要兩種有機半導體材料。一種是照射光后會釋放出電子的“p型有機半導體”。另一種是，獲取電子后傳輸給電極的“n型有機半導體”。

連續(xù)涂布（卷對卷）制膜工藝的介紹

　　三菱化學開發(fā)的有機薄膜太陽能電池在p型有機半導體中采用了名為“四苯并卟啉（Tetrabenzoporphyrin）”的有機物，在n型有機半導體中采用了“富勒烯（Fullerene）衍生物”。富勒烯衍生物是在由60個碳原子構成的足球狀分子富勒烯上攜帶有機分子的化合物。

利用與“有機EL”相反的物理現(xiàn)象

　　四苯并卟啉是在2006年由當時還是三菱化學公司與愛媛大學理學部名譽教授小野升作為有機EL和電子紙的驅動用薄膜晶體管材料而開發(fā)的。這種材料的特性正好與有機薄膜太陽能電池的條件吻合，因此開始應用于太陽能電池。順便一提，有機薄膜太陽能電池利用的是與通電后發(fā)光的“有機EL”材料正好相反的物理現(xiàn)象。

　　其中，三菱化學注意到了四苯并卟啉擁有的兩個特性。一個是，雖然不溶于有機溶劑，但其上一階段的物質“前驅體”溶于有機溶劑。另一個是，為前驅體加熱后，在約180度時會形成結晶，之后形成的四苯并卟啉薄膜具有良好的半導體特性，平面性也非常出色。

　　將四苯并卟啉的前驅體溶于有機溶劑使之變成油墨，然后將其涂布到薄膜基板上進行加熱，就能輕松制造出有機薄膜太陽能電池了……。

　　為此，三菱化學開發(fā)團隊與東京大學研究生院理學系研究科教授中村榮一等合作，正式開始了有機薄膜太陽能電池的研究開發(fā)。

將四苯并卟啉的前驅體加熱至150～180度會顯示半導體特性

　　在共同研究中，東京大學為了高效獲取四苯并卟啉釋放出的電子，新開發(fā)出了富勒烯衍生物。

　　就這樣，2007年，三菱化學和東京大學共同采用在薄膜基板上涂布四苯并卟啉低分子有機半導體材料后進行加熱的方法，全球首次成功制造出了有機薄膜太陽能電池。

　　開發(fā)成功后，三菱化學于2008年4月將有機薄膜太陽能電池定位為公司的“7大扶植業(yè)務”之一。之后，開始全面致力于有機薄膜太陽能電池的實用化進程。

　　從2009年4月起，三菱化學在東京大學研究生院理學系研究科的協(xié)助下，開設了為期3年的社會合作講座“光電轉換化學講座”。通過改良有機半導體材料和改進光學設計，穩(wěn)步提高了能源轉換效率。2011年4月，實現(xiàn)了9.2％的能源轉換效率。

　　星島自信地表示，“作為提高有機薄膜太陽能電池性能的計劃，本公司制定了使能源轉換效率在2010年達到10％、2015年達到15％、2020年達到20％以上的目標。目前基本在按計劃推進”。

2012年實現(xiàn)實用化

　　今后，三菱化學計劃進一步提高四苯并卟啉的制造技術，以吸收更大波長范圍的光，從而進一步提高能源轉換效率。另外，還將改良富勒烯衍生物、開發(fā)元件技術、確立采用在薄膜基板上涂布有機半導體材料后加熱的“連續(xù)涂布（卷對卷）制膜工藝”的制造方法、擴充制造工廠等，力爭2012年實現(xiàn)實用化。產(chǎn)品壽命目前為10年以上，完全可以實現(xiàn)實用化。

　　另外，星島表示，“先于其他公司盡早開拓新一代太陽能電池市場也是本公司的一大課題。為此，目前我們還在致力于非晶硅太陽能電池的產(chǎn)品開發(fā)”。

　　非晶硅太陽能電池是與有機薄膜太陽能電池同屬薄膜型的太陽能電池。二者可共用部分生產(chǎn)線，而且市場也相同。因此，三菱化學計劃將目前大力拓展的非晶硅太陽能電池作為開拓有機薄膜太陽能電池市場的踏板。（特約撰稿人：山田久美，本文由Nikkei Business Online特別提供）