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要像印制海報(bào)一樣“印刷”太陽(yáng)能電池——能實(shí)現(xiàn)這一理想的是一種“涂布型”有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，日本理化學(xué)研究所創(chuàng)發(fā)分子功能研究組正在進(jìn)行相關(guān)研發(fā)。但這種太陽(yáng)能電池很難提高將光轉(zhuǎn)化成電的轉(zhuǎn)換效率，為解決這一問(wèn)題，該研究組開(kāi)發(fā)出了能夠控制分子排列（配向）的半導(dǎo)體高分子材料。這次，該研究組的高級(jí)研究員尾坂格接受采訪，介紹了所開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體高分子的特點(diǎn)以及全球有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)狀況等信息。

——在有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池上使用半導(dǎo)體高分子有什么好處？

尾坂：好處有好幾個(gè)。首先，因?yàn)槭褂萌芤褐谱魍坎夹驮苋菀?，因此能夠?jiǎn)化印刷等制造工藝。使用低分子型有機(jī)半導(dǎo)體也能制作涂布型元件，但半導(dǎo)體高分子用于涂布型元件更容易。并且，使用半導(dǎo)體高分子制造的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的耐熱性更高。

而且，使用半導(dǎo)體高分子的話，在有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池內(nèi)受光激發(fā)產(chǎn)生的載流子更容易被電極提取。我們研發(fā)的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池采用的是“體異質(zhì)結(jié)（Bulk Heterojunction）”結(jié)構(gòu)，p型半導(dǎo)體采用我們開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體高分子，n型半導(dǎo)體采用富勒烯材料，使二者相互滲透。p型半導(dǎo)體使用的材料分子越大，越容易形成載流子遷移的網(wǎng)絡(luò)，載流子越不容易被封閉，因此轉(zhuǎn)換效率就越容易提高。

——能夠控制半導(dǎo)體高分子配向的現(xiàn)象是偶然發(fā)現(xiàn)的嗎？

尾坂：我們把用于有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池、使半導(dǎo)體高分子相對(duì)于基板橫向?qū)盈B的排列方法稱(chēng)作“face-on（面朝上）”，而把用于有機(jī)晶體管、使半導(dǎo)體高分子縱向鋪在基板上的配置方法稱(chēng)作“edge-on（邊朝上）”。雖然現(xiàn)在可以分別制作出face-on和edge-on結(jié)構(gòu)，不過(guò)最初卻經(jīng)歷了多次失敗。

我們并沒(méi)有盲目開(kāi)發(fā)材料。我們?cè)谝郧坝冒雽?dǎo)體高分子的幾種材料進(jìn)行研究的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了“如果這樣做的話，配向會(huì)變成這樣”的現(xiàn)象，從而最終找出了半導(dǎo)體高分子的配向規(guī)律。這個(gè)規(guī)律并不是通過(guò)數(shù)值計(jì)算導(dǎo)出的，而是憑經(jīng)驗(yàn)找到的。為了做成face-on而引入烷基也是基于經(jīng)驗(yàn)。

——由Naphtho-dithiophene與Naphtho-bis-thiadiazole組成的半導(dǎo)體高分子在結(jié)晶時(shí)，分子呈edge-on排列，在該分子內(nèi)的Naphtho-dithiophene中引入兩個(gè)烷基，就會(huì)變成face-on。為什么會(huì)這樣呢？

尾坂：結(jié)晶性越高的半導(dǎo)體高分子，越容易變成edge-on結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)?，半?dǎo)體高分子極力排斥與異質(zhì)的基板接觸，而半導(dǎo)體高分子分子之間卻有著相互接觸的傾向。引入烷基后，會(huì)阻礙分子的結(jié)晶化運(yùn)動(dòng)。

我們認(rèn)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(huì)減弱。適當(dāng)選擇半導(dǎo)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(jié)晶性的同時(shí)改變配向。