要像印制海報一樣“印刷”太陽能電池——能實現(xiàn)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(chuàng)發(fā)分子功能研究組正在進行相關(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)的半導體高分子的特點以及全球有機薄膜太陽能電池開發(fā)狀況等信息。
——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(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型半導體采用我們開發(fā)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(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:我們把用于有機薄膜太陽能電池、使半導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(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。我們在以前用半導體高分子的幾種材料進行研究的過程中,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體高分子的配向規(guī)律。這個規(guī)律并不是通過數(shù)值計算導出的,而是憑經(jīng)驗找到的。為了做成face-on而引入烷基也是基于經(jīng)驗。
——由Naphtho-dithiophene與Naphtho-bis-thiadiazole組成的半導體高分子在結(jié)晶時,分子呈edge-on排列,在該分子內(nèi)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(jié)晶性越高的半導體高分子,越容易變成edge-on結(jié)構(gòu)。這是因為,半導體高分子極力排斥與異質(zhì)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(jié)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(jié)晶性的同時改變配向。