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用半導體高分子挑戰“涂布型”太陽能電池(下)

   2014-06-16 日經BP社14740
核心提示: 試制的有機薄膜太陽能電池(攝影:日本理化學研究所) 要像印制海報
試制的有機薄膜太陽能電池(攝影:日本理化學研究所)
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坂格接受采訪,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。(采訪人:大久保 聰、日經BP半導體調查,野澤哲生、《日經電子》)

——在有機薄膜太陽能電池上使用半導體高分子有什么好處?

尾坂: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,但半導體高分子用于涂布型元件更容易。并且,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采用的是“體異質結(Bulk Heterojunction)”結構,p型半導體采用我們開發的半導體高分子,n型半導體采用富勒烯材料,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?

尾坂:我們把用于有機薄膜太陽能電池、使半導體高分子相對于基板橫向層疊的排列方法稱作“face-on(面朝上)”,而把用于有機晶體管、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。

       我們并沒有盲目開發材料。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。這個規律并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而引入烷基也是基于經驗。

——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。為什么會這樣呢?

尾坂: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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