巧妙设计分子,提高薄膜太阳能电池性能

在2014年7月10～11日举办的研讨会“思考有机电子新方向”(主办：《日经电子》)上，日本理化学研究所创发分子功能研究组高级研究员尾坂格登台发表演讲，介绍了旨在应用于有机薄膜太阳能电池的高分子半导体的开发情况，演讲题目为“基于分子设计的高分子半导体高阶结构控制”。

一般来说，作为应用于有机薄膜太阳能电池和有机晶体管的半导体材料，低分子材料的载流子迁移率更高，容易使器件表现出高性能。与非晶硅相比，低分子有机半导体的载流子迁移率要高出一位数，达到了10cm2/Vs。

而高分子有机半导体的载流子迁移率目前仅为0.1～0.5cm2/Vs。应用于薄膜太阳能电池时只能实现5～7％的较低水平发电效率。因此，尾坂等人的小组一直致力于利用高分子半导体实现高载流子迁移率和高发电效率，并尝试通过改进高分子半导体的分子设计来实现这一目标。

提高载流子迁移率，控制取向

提高高分子半导体的载流子迁移率的基本方针是提高分子间的相互作用。以前，采用稠环π电子体系曾被认为是一种有效方式，但研究结果表明，这与载流子迁移率的提高并没有必然联系。为此，尾坂等人开发出了分别制作具有π电子体系的Naphthodithiophene(NDT)分子的4种异构体的方法。将使用这些异构体作为主链的高分子(NDT聚合物)合成，并检测其载流子迁移率。结果显示，主链形状接近直线的NDT聚合物的载流子迁移率较高，为0.8cm2/Vs。

在应用于薄膜太阳能电池时，必须要扩大光吸收波长。尾坂等人把重点放在能够缩小带隙的Donor-Acceptor型聚合物上，最终选定了其中一种具有缺电子体系的材料，这种分子名叫Naphthobisthiadiazole(NTz)。尾坂等人开发了具有NTz结构的聚合物，成功制作出了发电效率达到8％左右的有机薄膜太阳能电池。

此外，尾坂等人还合成了具备含有烷基的NDT(烷基置换NDT)的聚合物。在引入烷基后，观察到了聚合物的取向从edge-on(聚合物垂直于基板、呈横向相连的配置)向face-on(聚合物平行于基板层层叠加)转变的现象。face-on配置能够在膜厚增加的情况下实现高载流子迁移率，在应用于太阳能电池时具有优势。