太陽能電池" title="有機薄膜太陽能電池">有機薄膜太陽能電池因無需真空工序而有望降低成本，這一點備受業(yè)界期待。雖然目前仍存在如何提高轉換效率和耐久性的課題，但轉換效率已接近10％。為了達到實用水平，風險企業(yè)等的開發(fā)也日趨活躍。在有機薄膜太陽能電池的轉換效率方面，三菱化學創(chuàng)下了9.26％的全球最高數值。在本文中，該公司的業(yè)務負責人將介紹有機薄膜太陽能電池的工作機制及技術開發(fā)動向。
有機薄膜太陽能電池具有重量輕、產品柔軟、設計自由度高的特點。有望為太陽能電池開辟出新的應用領域，今后的發(fā)展備受期待。風險企業(yè)及太陽能電池廠商的開發(fā)活動也日趨活躍。
實用化方面的課題是如何來提高轉換效率和耐久性。其中，在轉換效率方面，三菱化學已于2011年3月達到9.26％，向實現兩位數轉換效率邁進了一步。
下面將介紹有機薄膜太陽能電池的工作機制、開發(fā)動向及企業(yè)動向，同時還對實現9.26％轉換效率的涂布轉換技術做部分介紹。
激子的生成和分解
有機薄膜太陽能電池采用在透明電極與Al電極之間夾入p型半導體、p-n混合層（i層）及n型半導體的構造（圖1）。電極與半導體材料之間設置有可選擇性透過電子及空穴的緩沖層。
圖1：在p型半導體與n型半導體之間加入p-n混合層（點擊放大）
有機薄膜太陽能電池主要由p型半導體、p-n混合層及n型半導體構成（a）。在柔性基板上形成的話，可提高形狀的自由度（b）。
有機薄膜太陽能電池的工作原理大致如下（圖2）。①由施主（p型）或受主（n型）的有機分子吸收光生成激子。②激子擴散，向施主與受主的界面移動。③激子在界面分解，由此引起電子與空穴的電荷分離，電子和空穴由電極向外部電路輸出。
有機薄膜太陽能電池因無需真空工序而有望降低成本，這一點備受業(yè)界期待。雖然目前仍存在如何提高轉換效率和耐久性的課題，但轉換效率已接近10％。為了達到實用水平，風險企業(yè)等的開發(fā)也日趨活躍。在有機薄膜太陽能電池的轉換效率方面，三菱化學創(chuàng)下了9.26％的全球最高數值。在本文中，該公司的業(yè)務負責人將介紹有機薄膜太陽能電池的工作機制及技術開發(fā)動向。
有機薄膜太陽能電池具有重量輕、產品柔軟、設計自由度高的特點。有望為太陽能電池開辟出新的應用領域，今后的發(fā)展備受期待。風險企業(yè)及太陽能電池廠商的開發(fā)活動也日趨活躍。
實用化方面的課題是如何來提高轉換效率和耐久性。其中，在轉換效率方面，三菱化學已于2011年3月達到9.26％，向實現兩位數轉換效率邁進了一步。
下面將介紹有機薄膜太陽能電池的工作機制、開發(fā)動向及企業(yè)動向，同時還對實現9.26％轉換效率的涂布轉換技術做部分介紹。
激子的生成和分解
有機薄膜太陽能電池采用在透明電極與Al電極之間夾入p型半導體、p-n混合層（i層）及n型半導體的構造（圖1）。電極與半導體材料之間設置有可選擇性透過電子及空穴的緩沖層。
圖1：在p型半導體與n型半導體之間加入p-n混合層（點擊放大）
有機薄膜太陽能電池主要由p型半導體、p-n混合層及n型半導體構成（a）。在柔性基板上形成的話，可提高形狀的自由度（b）。
有機薄膜太陽能電池的工作原理大致如下（圖2）。①由施主（p型）或受主（n型）的有機分子吸收光生成激子。②激子擴散，向施主與受主的界面移動。③激子在界面分解，由此引起電子與空穴的電荷分離，電子和空穴由電極向外部電路輸出。
圖2：吸收陽光生成激子（點擊放大）
有機薄膜太陽能電池經過以下步驟進行發(fā)電：①通過吸收光生成激子，②激子擴散、③激子分解、④載流子擴散、⑤用電極捕獲載流子。
有機半導體與Si半導體的最大不同點在于激子的庫侖力非常大。有機薄膜太陽能電池的庫侖力為數百meV，而Si僅為15meV。因此，Si即使在室內的熱能環(huán)境下，只要照射光，電子與空穴也容易分離。而有機半導體不同，由于電子與空穴間的庫侖力非常強，因此生成的激子不移動到施主與受主的界面的話，就無法分離。界面的能量差使電子與空穴分離后，空穴會穿過p型半導體向陽極移動，電子會穿過n型半導體向陰極移動。
有機薄膜太陽能電池的激子擴散距離為數十nm，中間不存在p型與n型半導體的界面的話，就不能充分分離。另外，即便激子能夠在界面分離，電子與空穴也必須在不復合的情況下向電極移動。這時，電子和空穴的遷移率系數尤為重要。
所以，要想提高有機薄膜太陽能電池的轉換效率，重要的就是要提高與光電轉換相關的所有過程的特性。具體包括光吸收效率（激子生成效率）、擴散效率、激子分解中電子和空穴的生成效率、電子和空穴的遷移率，以及將電荷移至電極的捕獲效率，等等。
在實際的開發(fā)過程中，技術人員一直以開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）、填充系數（fill factor：FF ）*的數值為指標來尋找改進的方向。這是因為轉換效率可通過Voc、Isc、FF相乘算出。比如，Voc跟p型HOMO（最高占據軌道）能級與n型LUMO（最低空轉道）能級間的能隙成比例。要想提高Voc，只需加大該能隙即可。而要想提高Isc的話，則需要減小吸收光的p型半導體的帶隙，使長波長的光得到高效吸收，并充分控制界面以使激子高效分離。
*填充系數＝用最大輸出功率除以開路電壓和短路電流得到的數值。開路電壓是太陽能電池形成的最大電壓。短路電流是太陽能電池能輸出的最大電流量。
1986年以1％的轉換效率起步
有機薄膜太陽能電池的開發(fā)從1986年起全面展開。契機源于有機EL發(fā)明人美國伊士曼柯達（Eastman Kodak）的鄧青云博士（Dr.C.W.Tang）的研究注）。當時的轉換效率只有1％，但之后經過大量改進，現已突破9％。
注）本文中的研究人員所在企業(yè)均為其當時所在單位。
鄧青云于1986年開發(fā)出了使用p型半導體銅酞菁（CuPc）和n型半導體苝類衍生物（PV）的有機薄膜太陽能電池。這種電池采用以真空蒸鍍法分別形成p型半導體層與n型半導體層后接合形成的異質結型構造。
此后，大阪大學的平本昌宏等提出了通過對CuPc和PV共蒸鍍以混合狀態(tài)形成的體異質結型有機薄膜太陽能電池方案，為轉換效率的提高開辟了道路。美國普林斯頓大學（Princeton University）的Stephen Forrest和新日本石油的內田聰一等也通過向i層導入共蒸鍍層，使低分子有機太陽能電池的轉換效率達到了5％。在此基礎上，平本等使用將富勒烯（C60）提純至99.99999％的C60和H2Pc形成共蒸鍍層，將轉換效率進一步提高到了5.3％。這時，短路電流密度（Jsc）為19mA/cm2，達到了可與結晶Si型太陽能電池的20mA/cm2相匹敵的數值 注1～2）。
注1）此外還有研究稱，通過使戊省和C60以多個分子為單位逐一交替層積，可形成體異質結。其目的是解決原來將戊省與C60共蒸鍍時微結晶化導致無法順利形成薄膜的課題。
注2）在p型半導體使用高分子材料的成果方面，其中之一就是通過用PPV（聚對苯亞乙烯）等導電性高分子組合以富勒烯衍生物為代表的n型低分子半導體而實現的體異質結型有機薄膜太陽能電池。
在改進元件構造所取得的成果方面，其中之一就是通過使用高分子型p型半導體并層積兩個單元形成串聯(lián)構造的有機薄膜太陽能電池。2007年6月，美國加州大學圣塔芭芭拉分校（University of California， SantaBarbara，UCSB）的Alan Heeger與韓國光州科學技術院的李光熙（Kwanghee Lee）實現了6.5％的轉換效率 注3）。
注3）底電池是主鏈含環(huán)戊二噻吩和苯并噻唑的PCPDTBT與PCBM的混合層。頂電池采用PC700BM（C70的衍生物）與聚3-己基噻吩（P3HT）的混合層。中間層為利用凝膠法制造的TiOx（氧化鈦材料）和PEDOT（聚3，4-乙撐二氧噻吩）。
另外，京都大學的吉川暹等通過向聚3-己基噻吩（P3HT）及富勒烯C60衍生物（PCBM）電池單元導入納米構造的TiOx層作為負責電子傳輸的電子傳輸層（ELT），獲得了4.1％的轉換效率。經證實，通過導入TiOx層，FF提高到了0.7，并且載流子壽命也延長到了約2倍。另外，還確認TiOx層具有防止Al電極與體異質結層的P3HT及（或）PCBM發(fā)生反應的緩沖層效果。面積為0.25cm2的電池單元即使在大氣環(huán)境下放置100小時，轉換效率的下降也只有約6％。
科納卡公司2010年獲得8.3％的效率
隨著轉換效率和耐久性逐步提高，各行業(yè)的廠商開始涉足有機薄膜太陽能電池開發(fā)，力爭形成相關業(yè)務。在涂布使用導電性高分子材料的高分子涂布類有機薄膜太陽能電池方面，從事開發(fā)的企業(yè)有美國科納卡技術（Konarka Technologies）、美國Plextronics及美國Solarmer Energy等。在這些廠商的相互競爭下，轉換效率得到了進一步提高（圖3）。
圖3：轉換效率迅速提高（點擊放大）
除大學等的研究機構外，風險企業(yè)也開始涉足，有機薄膜太陽能電池的轉換效率在2000年以后迅速提高。三菱化學也在2008年以后不斷刷新自己的紀錄。
其中的科納卡技術公司是2001年美國麻省大學（University of Massachusetts）創(chuàng)辦的風險企業(yè)。該公司開發(fā)了高分子類有機薄膜太陽能電池，2010年實現了轉換效率為8.3％的電池單元。在此之前，該公司2007年為推進名為“Power Plastic”的有機薄膜太陽能電池面市與日本的凸版資訊（TOPPAN FORMS）展開合作，2010年還與柯尼卡美能達控股（Konica Minolta Holdings）展開了合作。
Plextronics公司同樣開發(fā)出了高分類的太陽能電池，2007年利用P3HT和C60衍生物實現了轉換效率為5.4％的電池單元。2010年又利用新型聚合物實現了7.0％的轉換效率。另外，Solarmer Energy公司曾宣布，利用高分子p型半導體PBDTTT，于2010年實現了轉換效率為8.1％的電池單元。
在日本，東麗通過利用名為N-P7的新型施主高分子半導體來控制分子的取向及結構形態(tài)，開發(fā)出了轉換效率為5.5％的電池單元。另外，住友化學還利用新型高分子半導體，試制出了轉換效率為7.2％的電池單元。
要實現量產，還必須開發(fā)能夠以低成本進行大量生產的制造方法。在瞄準大量生產的印刷法研究方面，松下電工以絲網印刷法研究了由高分子型聚對苯亞乙烯衍生物（MDMO-PPV）和PCBM構成的體異質結型有機薄膜太陽能電池。另外，科納卡技術公司進行了在P3HT及PCBM類有機薄膜太陽能電池中使用噴黑法的研究。該公司表示，使用噴墨法時的特性與涂布形成時相同。這樣，便有望實現有機薄膜太陽能電池可通過大量印刷來低成本制造的特點。
在蒸鍍使用有機顏料等低分子材料的低分子蒸鍍類有機薄膜太陽能電池方面，德國Heliatek公司2010年實現了轉換效率為8.3％的電池單元。該公司除了以德累斯頓工業(yè)大學（Technical University of Dresden）的技術為開發(fā)基礎之外，還接受了德國博世（Bosch）及德國巴斯夫（BASF）實施的160萬歐元出資，與這兩家公司展開了密切合作。