中國儲能網(wǎng)訊：要像印制海報(bào)一樣“印刷”太陽能電池——能實(shí)現(xiàn)這一理想的是一種“涂布型”有機(jī)薄膜太陽能電池，日本理化學(xué)研究所創(chuàng)發(fā)分子功能研究組正在進(jìn)行相關(guān)研發(fā)。但這種太陽能電池很難提高將光轉(zhuǎn)化成電的轉(zhuǎn)換效率，為解決這一問題，該研究組開發(fā)出了能夠控制分子排列（配向）的半導(dǎo)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(fā)的半導(dǎo)體高分子的特點(diǎn)以及全球有機(jī)薄膜太陽能電池開發(fā)狀況等信息。（采訪人：大久保 聰、日經(jīng)BP半導(dǎo)體調(diào)查，野澤哲生、《日經(jīng)電子》）
——在有機(jī)薄膜太陽能電池上使用半導(dǎo)體高分子有什么好處？
尾坂：好處有好幾個(gè)。首先，因?yàn)槭褂萌芤褐谱魍坎夹驮苋菀?，因此能夠簡化印刷等制造工藝。使用低分子型有機(jī)半導(dǎo)體也能制作涂布型元件，但半導(dǎo)體高分子用于涂布型元件更容易。并且，使用半導(dǎo)體高分子制造的有機(jī)薄膜太陽能電池的耐熱性更高。
而且，使用半導(dǎo)體高分子的話，在有機(jī)薄膜太陽能電池內(nèi)受光激發(fā)產(chǎn)生的載流子更容易被電極提取。我們研發(fā)的有機(jī)薄膜太陽能電池采用的是“體異質(zhì)結(jié)（Bulk Heterojunction）”結(jié)構(gòu)，p型半導(dǎo)體采用我們開發(fā)的半導(dǎo)體高分子，n型半導(dǎo)體采用富勒烯材料，使二者相互滲透。p型半導(dǎo)體使用的材料分子越大，越容易形成載流子遷移的網(wǎng)絡(luò)，載流子越不容易被封閉，因此轉(zhuǎn)換效率就越容易提高。
——能夠控制半導(dǎo)體高分子配向的現(xiàn)象是偶然發(fā)現(xiàn)的嗎？
尾坂：我們把用于有機(jī)薄膜太陽能電池、使半導(dǎo)體高分子相對于基板橫向?qū)盈B的排列方法稱作“face-on（面朝上）”，而把用于有機(jī)晶體管、使半導(dǎo)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(xiàn)在可以分別制作出face-on和edge-on結(jié)構(gòu)，不過最初卻經(jīng)歷了多次失敗。
我們并沒有盲目開發(fā)材料。我們在以前用半導(dǎo)體高分子的幾種材料進(jìn)行研究的過程中，發(fā)現(xiàn)了“如果這樣做的話，配向會變成這樣”的現(xiàn)象，從而最終找出了半導(dǎo)體高分子的配向規(guī)律。這個(gè)規(guī)律并不是通過數(shù)值計(jì)算導(dǎo)出的，而是憑經(jīng)驗(yàn)找到的。為了做成face-on而引入烷基也是基于經(jīng)驗(yàn)。
——由Naphtho-dithiophene與Naphtho-bis-thiadiazole組成的半導(dǎo)體高分子在結(jié)晶時(shí)，分子呈edge-on排列，在該分子內(nèi)的Naphtho-dithiophene中引入兩個(gè)烷基，就會變成face-on。為什么會這樣呢？
尾坂：結(jié)晶性越高的半導(dǎo)體高分子，越容易變成edge-on結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)椋雽?dǎo)體高分子極力排斥與異質(zhì)的基板接觸，而半導(dǎo)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(jié)晶化運(yùn)動(dòng)。
我們認(rèn)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(dāng)選擇半導(dǎo)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(jié)晶性的同時(shí)改變配向。
——有人指出有機(jī)薄膜太陽能電池還不是很耐用，您怎么看？
尾坂：我們研發(fā)的有機(jī)薄膜太陽能電池比以前發(fā)布的產(chǎn)品都要出色。因?yàn)榘雽?dǎo)體高分子的結(jié)晶性高，有機(jī)薄膜太陽能電池的耐用性可通過提高有機(jī)半導(dǎo)體的結(jié)晶性來提高。耐用性跟結(jié)晶性是相關(guān)聯(lián)的，可以通過提高半導(dǎo)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(jī)EL等開發(fā)的封裝技術(shù)。
——全球都在熱火朝天地研發(fā)有機(jī)薄膜太陽能電池，果真如此嗎？
尾坂：這個(gè)領(lǐng)域確實(shí)發(fā)展得很快。最近一年，有很多研究小組都發(fā)布了轉(zhuǎn)換效率很高的有機(jī)薄膜太陽能電池。2013年的時(shí)候，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到8％就可以說是很高了，但現(xiàn)在看來這并不算高。前段時(shí)間，我參加了在美國舉行的學(xué)會“Materials Research Society”，會議上發(fā)布的有機(jī)薄膜太陽能電池達(dá)到8％轉(zhuǎn)換效率的多得是，還有很多達(dá)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(xiàn)在情況不同了，全球的開發(fā)熱情都很高，開發(fā)速度非?？?。
——美國對有機(jī)薄膜太陽能電池的期望值高不高？
尾坂：我個(gè)人看來，美國對有機(jī)薄膜太陽能電池的期望值比以前低了。大概因?yàn)轫搸r氣革命使能源供應(yīng)形勢發(fā)生了變化。
雖說期望值降低，但研發(fā)的腳步并未放緩，反而在加快。據(jù)我推測，受頁巖氣革命影響，“有機(jī)薄膜太陽能電池研發(fā)費(fèi)用可能會減少”這樣的危機(jī)感在相關(guān)研發(fā)人員中增強(qiáng)，反而促使了研究速度進(jìn)一步加快。
——您所在的研究組在有機(jī)薄膜太陽能電池方面制定了什么樣的開發(fā)目標(biāo)？
尾坂：轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12％是我們的一個(gè)目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，希望1年后將現(xiàn)在已超過9％的轉(zhuǎn)換效率提高到10％以上。（記者：大久保 聰，日經(jīng)BP半導(dǎo)體調(diào)查）
