试制的有机薄膜太阳能电池(摄影:日本理化学研究所) |
——在有机薄膜太阳能电池上使用半导体高分子有什么好处?
尾坂:好处有好几个。首先,因为使用溶液制作涂布型元件很容易,因此能够简化印刷等制造工艺。使用低分子型有机半导体也能制作涂布型元件,但半导体高分子用于涂布型元件更容易。并且,使用半导体高分子制造的有机薄膜太阳能电池的耐热性更高。
而且,使用半导体高分子的话,在有机薄膜太阳能电池内受光激发产生的载流子更容易被电极提取。我们研发的有机薄膜太阳能电池采用的是“体异质结(Bulk Heterojunction)”结构,p型半导体采用我们开发的半导体高分子,n型半导体采用富勒烯材料,使二者相互渗透。p型半导体使用的材料分子越大,越容易形成载流子迁移的网络,载流子越不容易被封闭,因此转换效率就越容易提高。
——能够控制半导体高分子配向的现象是偶然发现的吗?
尾坂:我们把用于有机薄膜太阳能电池、使半导体高分子相对于基板横向层叠的排列方法称作“face-on(面朝上)”,而把用于有机晶体管、使半导体高分子纵向铺在基板上的配置方法称作“edge-on(边朝上)”。虽然现在可以分别制作出face-on和edge-on结构,不过最初却经历了多次失败。
我们并没有盲目开发材料。我们在以前用半导体高分子的几种材料进行研究的过程中,发现了“如果这样做的话,配向会变成这样”的现象,从而最终找出了半导体高分子的配向规律。这个规律并不是通过数值计算导出的,而是凭经验找到的。为了做成face-on而引入烷基也是基于经验。
——由Naphtho-dithiophene与Naphtho-bis-thiadiazole组成的半导体高分子在结晶时,分子呈edge-on排列,在该分子内的Naphtho-dithiophene中引入两个烷基,就会变成face-on。为什么会这样呢?
尾坂:结晶性越高的半导体高分子,越容易变成edge-on结构。这是因为,半导体高分子极力排斥与异质的基板接触,而半导体高分子分子之间却有着相互接触的倾向。引入烷基后,会阻碍分子的结晶化运动。
我们认为,在烷基作用下,分子间的相互作用减弱,排斥基板的力也会减弱。适当选择半导体高分子中引入的烷基的位置和密度,可以在不太影响高结晶性的同时改变配向。
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