有机太阳能电池：企业纷纷涉足，转换效率竞争白热化
[转贴 2010-01-28 01:23:48]
美国英特尔2009年6月成立了生产太阳能电池的新公司SpectraWatt，宣布涉足太阳能发电业务。英特尔2008年下半年在美国俄勒冈州建设了工厂，预定在2009年中期前开始供货。SpectraWatt表示，将把生产的太阳能电池供应给太阳能发电装置企业（参阅）。
英特尔在从事现行太阳能电池业务的同时，还在该公司主办的展会上作为新一代技术展示了有机太阳能电池的试制品（参阅）。虽然并未公布研究细节及成果，但从解说展板（图1）来看，产品为有机太阳能电池中也由p型和n型有机半导体构成的有机薄膜太阳能电池。材料和体异质结构造（通过混合p型半导体和n型半导体分子形成的三维p-n结构造）为有机薄膜太阳能电池中的常见做法，但通过改进电极，提高了特性。
连{zd0}的半导体厂商英特尔也开始研究的有机太阳能电池到底具有怎样的可能性呢？简单地说，与此前见到的有机TFT驱动的显示器及有机EL照明等有机器件一样，有机太阳能电池的形状及外观自由度高，通过使用印刷技术，有望大幅降低加工成本。
与其他有机器件一样，有机太阳能电池也存在性能及寿命低的瓶颈问题。但其独特之处在于，已有风险企业在开拓在性能及寿命较低情况下也可实现的应用，并着手实施量产。
限定用途的量产
有机太阳能电池分色素增感型和有机薄膜型两种，首先开始量产的是色素増感型。
英国风险企业G24 Innovations（G24i）已从2007年10月起采用卷对卷式印刷技术以25MW/年的规模开始量产柔性色素増感型太阳能电池模块（图2（a））。该公司设想的用途是手机及小型个人电脑的便携充电器，产品已于2008年上市。充电器的价格为20～40美元，销售对象是电力基础设施建设相对滞后的印度、中国、非洲及南美等新兴市场国家和地区。
继G24i之后，日本Peccell Technologies也于2008年11月开始样品供货采用柔性底板的色素増感型太阳能电池模块，并计划在2009年春季以后采用卷对卷方式以1MW/年的规模实施量产。该公司最初锁定的用途是家电辅助电源市场。
继色素增感型太阳能电池之后，美国科纳卡技术（Konarka Technologies）开始量产有机薄膜太阳能电池。该公司于2008年开始量产薄膜底板仅厚100μm的有机薄膜太阳能电池模块“Power Plastic”。制造时采用基于卷对卷及喷墨方式的印刷技术。该公司不打算单独上市太阳能电池模块，而是销售应用有机薄膜太阳能电池的产品。
科纳卡技术在2009年2月于日本举行的“PV EXPO 2009 第二届国际太阳能电池展”上展出了利用卷对卷方式制造的多种有机薄膜太阳能电池模块（图3（a））。展示了利用柔性特点封装于皮包中，或作为电子纸的电源加以利用的试制品（图3（b））（参阅）。
不过，上述量产的现在的有机太阳能电池性能及寿命还较低，转换效率估计在3％左右。
{zg}数值接连公布
因此，为了实现与目前主流的硅类太阳能电池相同的应用，各研究机构提高性能及寿命的研发日趋活跃。
近年来尤为突出的是不断有报告称在有机薄膜太阳能电池的转换效率上获得了{zg}数值。2007年7月，美国加利福尼亚大学在科学杂志《科学（Science）》上公布，“单元转换效率达到了全球{zg}的6.5％”（参阅）。在日本厂商中，住友化学2009年2月也宣布获得了6.5％的转换效率。
另外，东丽在2009年3月举行的春季应用物理学相关联合演讲会上宣布，通过新开发p型（施主）有机半导体材料，使转换效率达到了5.5％（参阅）。该p型有机半导体材料的要点为两个方面：（1）通过加大与n型（受主）有机半导体材料的能级（空间电位）差，实现了约1V的高开路电压；（2）通过涂覆与n型半导体材料的分散混合液形成pn结时，能够扩大单位体积中pn结界面的表面积（参阅）。该公司将力争在2015年前使转换效率达到7％。
大日本印刷于2009年6月宣布，通过在电阻较大的透明电极上安装辅助电极，减小了损耗，使有机薄膜太阳能电池5cm见方单元的能量转换效率达到了4％以上（参阅）。
第三种制作方法：“涂布转换型”
有机薄膜太阳能电池按照材料及制造工艺分类，大致有两种，一种是通过蒸镀不溶于溶媒的低分子有机半导体制成，另一种通过涂布可溶于溶媒的高分子制成。前者在有机器件的优点——可采用印刷技术制造方面存在不利因素，而后者则在选择可溶于溶媒的材料时存在限制。因此，近年来一种称为“涂布转换型”的方法引起了关注，该方法通过用可溶于溶媒的前驱体进行涂布后加热，然后 在结构上转换成具有半导体特性的材料。
比如，三菱化学与“ERATO中村活性碳簇项目”合作，共同开发出了以聚3-己基噻吩为有机半导体，并结合使用富勒烯衍生物作为n型半导体的涂布转换型有机薄膜太阳能电池。聚3-己基噻吩前驱体可溶于溶媒制成墨水，在涂布后进行加热，便可在结构上转换成具有半导体特性有材料。目前已获得4.5％的转换效率，今后力争2010年度达到10％，2015年度达到15％。
该研究小组认为，要想使转换效率达到15％，需要采用串联结构。高分子涂布型难以嵌入串联结构所需要的层叠结构，而如果是涂布转换型的话，通过在涂布后加热便可形成不溶于溶媒的层，因此能够制成层叠结构，实现串联结构正是其优点之一。（记者：藤堂 安人）
英特尔在从事现行太阳能电池业务的同时，还在该公司主办的展会上作为新一代技术展示了有机太阳能电池的试制品（参阅）。虽然并未公布研究细节及成果，但从解说展板（图1）来看，产品为有机太阳能电池中也由p型和n型有机半导体构成的有机薄膜太阳能电池。材料和体异质结构造（通过混合p型半导体和n型半导体分子形成的三维p-n结构造）为有机薄膜太阳能电池中的常见做法，但通过改进电极，提高了特性。
连{zd0}的半导体厂商英特尔也开始研究的有机太阳能电池到底具有怎样的可能性呢？简单地说，与此前见到的有机TFT驱动的显示器及有机EL照明等有机器件一样，有机太阳能电池的形状及外观自由度高，通过使用印刷技术，有望大幅降低加工成本。
与其他有机器件一样，有机太阳能电池也存在性能及寿命低的瓶颈问题。但其独特之处在于，已有风险企业在开拓在性能及寿命较低情况下也可实现的应用，并着手实施量产。
限定用途的量产
有机太阳能电池分色素增感型和有机薄膜型两种，首先开始量产的是色素増感型。
英国风险企业G24 Innovations（G24i）已从2007年10月起采用卷对卷式印刷技术以25MW/年的规模开始量产柔性色素増感型太阳能电池模块（图2（a））。该公司设想的用途是手机及小型个人电脑的便携充电器，产品已于2008年上市。充电器的价格为20～40美元，销售对象是电力基础设施建设相对滞后的印度、中国、非洲及南美等新兴市场国家和地区。
继G24i之后，日本Peccell Technologies也于2008年11月开始样品供货采用柔性底板的色素増感型太阳能电池模块，并计划在2009年春季以后采用卷对卷方式以1MW/年的规模实施量产。该公司最初锁定的用途是家电辅助电源市场。
继色素增感型太阳能电池之后，美国科纳卡技术（Konarka Technologies）开始量产有机薄膜太阳能电池。该公司于2008年开始量产薄膜底板仅厚100μm的有机薄膜太阳能电池模块“Power Plastic”。制造时采用基于卷对卷及喷墨方式的印刷技术。该公司不打算单独上市太阳能电池模块，而是销售应用有机薄膜太阳能电池的产品。
科纳卡技术在2009年2月于日本举行的“PV EXPO 2009 第二届国际太阳能电池展”上展出了利用卷对卷方式制造的多种有机薄膜太阳能电池模块（图3（a））。展示了利用柔性特点封装于皮包中，或作为电子纸的电源加以利用的试制品（图3（b））（参阅）。
不过，上述量产的现在的有机太阳能电池性能及寿命还较低，转换效率估计在3％左右。
{zg}数值接连公布
因此，为了实现与目前主流的硅类太阳能电池相同的应用，各研究机构提高性能及寿命的研发日趋活跃。
近年来尤为突出的是不断有报告称在有机薄膜太阳能电池的转换效率上获得了{zg}数值。2007年7月，美国加利福尼亚大学在科学杂志《科学（Science）》上公布，“单元转换效率达到了全球{zg}的6.5％”（参阅）。在日本厂商中，住友化学2009年2月也宣布获得了6.5％的转换效率。
另外，东丽在2009年3月举行的春季应用物理学相关联合演讲会上宣布，通过新开发p型（施主）有机半导体材料，使转换效率达到了5.5％（参阅）。该p型有机半导体材料的要点为两个方面：（1）通过加大与n型（受主）有机半导体材料的能级（空间电位）差，实现了约1V的高开路电压；（2）通过涂覆与n型半导体材料的分散混合液形成pn结时，能够扩大单位体积中pn结界面的表面积（参阅）。该公司将力争在2015年前使转换效率达到7％。
大日本印刷于2009年6月宣布，通过在电阻较大的透明电极上安装辅助电极，减小了损耗，使有机薄膜太阳能电池5cm见方单元的能量转换效率达到了4％以上（参阅）。
第三种制作方法：“涂布转换型”
有机薄膜太阳能电池按照材料及制造工艺分类，大致有两种，一种是通过蒸镀不溶于溶媒的低分子有机半导体制成，另一种通过涂布可溶于溶媒的高分子制成。前者在有机器件的优点——可采用印刷技术制造方面存在不利因素，而后者则在选择可溶于溶媒的材料时存在限制。因此，近年来一种称为“涂布转换型”的方法引起了关注，该方法通过用可溶于溶媒的前驱体进行涂布后加热，然后 在结构上转换成具有半导体特性的材料。
比如，三菱化学与“ERATO中村活性碳簇项目”合作，共同开发出了以聚3-己基噻吩为有机半导体，并结合使用富勒烯衍生物作为n型半导体的涂布转换型有机薄膜太阳能电池。聚3-己基噻吩前驱体可溶于溶媒制成墨水，在涂布后进行加热，便可在结构上转换成具有半导体特性有材料。目前已获得4.5％的转换效率，今后力争2010年度达到10％，2015年度达到15％。
该研究小组认为，要想使转换效率达到15％，需要采用串联结构。高分子涂布型难以嵌入串联结构所需要的层叠结构，而如果是涂布转换型的话，通过在涂布后加热便可形成不溶于溶媒的层，因此能够制成层叠结构，实现串联结构正是其优点之一。（记者：藤堂 安人）
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