試制的有機薄膜太陽能電池(攝影:日本理化學研究所) |
——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。