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東麗p型有機薄膜太陽能電池 實現5.5%的轉換效率

   2009-03-26 日經BP社21世紀新能源36120

     東麗開發出了可在有機薄膜太陽能電池上實現5.5%轉換效率的p型(供體)有機半導體材料。此次p型有機半導體材料的亮點在于,通過在分子設計及合成方面下工夫,實現了2個目標。一是通過擴大與n型(受體)有機半導體材料之間的能級(空間電位)差,實現了約1V的較高開路電壓。二是通過涂覆與n型半導體材料的分散混合液形成pn結時,能夠擴大單位體積中pn結界面的表面積(圖1)。

  之所以擴大p型及n型材料的能級差,是為了得到較高的開路電壓。此次的p型有機半導體材料是在已有的噻吩(Thiophene)類材料上通過重組分子結構實現的。

  在有機薄膜太陽能電池中,通過光吸收形成的激子(電子與空穴成對存在的分子激發狀態)在pn結的界面上擴散,由于pn結界面的能級不同,使得電子與空穴發生分離(圖2)。在一般狀態下,激子不會分離出電子及空穴。形成p型及n型材料的異種分子間能級差異越大,則越容易分離(圖3)。

  之所以擴大單位體積的pn結界面的表面積,是為了縮短激子的擴散距離。pn結的界面增大,通過光照射在p型有機半導體中激發的激子,能夠立即到達n型半導體材料。

  此次的p型有機半導體材料通過增加附屬置換基,同時實現了較高的結晶性能、以及與n型有機半導體材料的溶解性。由此更為理想地實現了通過n型及p型有機半導體材料的混合、擴大pn結表面積的“本體異質(Bulk Heterojunction)”結構。

  東麗采用此次的n型半導體材料試制成功的有機薄膜太陽能電池(圖4)的數據如下。在采用模擬陽光的測定中,元件面積為0.25cm2時,轉換效率為5.52%,短路電流為9.72mA/cm2,開路電壓為0.99V,曲線因數為0.574。元件面積為0.04cm2時,轉換效率為6.0%,短路電流為10.58mA/cm2,開路電壓為0.99V,曲線因數為0.573。而在采用白色光的測定中,元件面積為0.25cm2時,轉換效率為10.8%,短路電流為22.16mA/cm2,開路電壓為1.02V,曲線因數為0.477。

   與此相比,作為由國際性評估機構測定的有機薄膜型太陽能電池的特性,美國Konarka Technologies發布的轉換效率5.15%是迄今為止的全球最高的效率值。不過,Konarka的數據是在元件面積大得多的1cm2條件下的測定值。如果東麗要強調已經超過該數值,就有必要公布在相同面積下測定的數據。(記者:加藤 伸一)

 
標簽: 太陽能
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