在科納卡技術(shù)公司和Heliatek公司2010年相繼實(shí)現(xiàn)8.3％的轉(zhuǎn)換效率后不久，2011年3月三菱化學(xué)達(dá)到了9.26％，一舉超過(guò)約1個(gè)百分點(diǎn)，突破了9％大關(guān)。有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率之所以能夠突破9％大關(guān)，是因?yàn)槭褂昧藢?duì)涂布后的材料進(jìn)行加熱轉(zhuǎn)換的涂布轉(zhuǎn)換技術(shù) 注4）。由于達(dá)到9.26％轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)細(xì)節(jié)目前尚未公布，因此下面以達(dá)到7.8％轉(zhuǎn)換效率的成果為基礎(chǔ)，對(duì)涂布轉(zhuǎn)換技術(shù)做一介紹。

　　注4）與東京大學(xué)教授中村榮一聯(lián)手，從2004年起在日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)（JST）發(fā)起的ERATO（Exploratory Research for Advanced Technology，先進(jìn)技術(shù)的探索研究）計(jì)劃下實(shí)施開(kāi)發(fā)，如今是S-革新（戰(zhàn)略性革新創(chuàng)造推進(jìn)）業(yè)務(wù)的一部分。

　　涂布轉(zhuǎn)換類(lèi)有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池使用四苯并卟啉（BP）和富勒烯衍生物作為發(fā)電層（圖4）。通過(guò)使用BP和新型富勒烯衍生物的元件，獲得了7.8％的轉(zhuǎn)換效率。電池單元以p層、i層、n層的順序構(gòu)成，與電極間有緩沖層。

圖4：涂布后通過(guò)加熱獲得良好特性（點(diǎn)擊放大）

　　三菱化學(xué)研發(fā)的涂布轉(zhuǎn)換類(lèi)有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池（a），其特點(diǎn)在于通過(guò)在涂布前驅(qū)本后進(jìn)行150℃以上的加熱，使用前驅(qū)本轉(zhuǎn)換為結(jié)晶性高的、具有良好半導(dǎo)體特性的材料（b）。

　　其中，p層為BP，i層為BP與富勒烯衍生物的體異質(zhì)結(jié)混合層，n層為富勒烯衍生物。所有的層均以涂布法成膜。其中，i層使用通用有機(jī)溶劑將BP前驅(qū)體和富勒烯衍生物制成了墨水，凃布后通過(guò)180℃加熱將BP前驅(qū)體轉(zhuǎn)換成了BP。

　　BP是在日本愛(ài)媛大學(xué)與三菱化學(xué)共同實(shí)施有機(jī)晶體管的研究中誕生的。BP的結(jié)構(gòu)與酞菁類(lèi)似注5），擁有四個(gè)苯環(huán)，將雙環(huán)結(jié)構(gòu)*的可涂布成膜的前驅(qū)體進(jìn)行150℃以上的加熱，就會(huì)通過(guò)逆狄爾斯－阿爾德反應(yīng)（retro-Diels-Alder reaction）注6）使乙烯基分解，轉(zhuǎn)換成具有高結(jié)晶性及良好半導(dǎo)體特性的BP。對(duì)BP的FET（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）特性進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，其載流子遷移率為0.92cm2/Vs（最大為1.8cm2/Vs），通過(guò)使用BP獲得了特性出色的TFT（薄膜晶體管）。

　　注5）作為一種牢固的難溶性顏料，酞菁很早就得以推廣。而作為有機(jī)半導(dǎo)體，酞菁具有較高的光電轉(zhuǎn)換特性，被廣泛應(yīng)用為電子照片感光體材料。

　　*雙環(huán)（bicyclo）結(jié)構(gòu)＝由兩個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物聚合而成的雙環(huán)性的結(jié)構(gòu)。

　　注6）共軛二烯與烯烴加成，生產(chǎn)六員環(huán)結(jié)構(gòu)的有機(jī)化學(xué)反應(yīng)就是狄爾斯－阿爾德反應(yīng)。由德國(guó)化學(xué)家?jiàn)W托·狄爾斯（Otto Diels）和庫(kù)爾特·阿爾德（Kurt Alder）于1928年發(fā)現(xiàn)（1950年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)）。通過(guò)該反應(yīng)的逆反應(yīng)，由六員環(huán)生成共軛二烯與烯烴的反應(yīng)稱為逆狄爾斯－阿爾德反應(yīng)。

　　在有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池中，BP以直徑數(shù)十nm的柱狀結(jié)晶形式存在（圖5）。憑借在柱狀結(jié)晶間以富勒烯衍生物按數(shù)十nm間隔填充、排列的界面，形成了適于激子高效分解成空穴和電子，并使分解成的空穴和電子在不復(fù)合的情況下穿過(guò)p層（BP）和n層（富勒烯衍生物）向兩極移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。因此推測(cè)轉(zhuǎn)換效率由此得到了提高。最后，通過(guò)在涂布、加熱i層后用甲苯提取i層中的富勒烯衍生物，并用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察剩下的BP，證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖5：微細(xì)的柱狀結(jié)晶對(duì)效率的提高做出了貢獻(xiàn)（點(diǎn)擊放大）

　　BP以直徑為數(shù)十nm的柱狀結(jié)晶狀態(tài)存在。公認(rèn)具有促進(jìn)激子分解以及防止載流子復(fù)合等作用。

　　三菱化學(xué)在這些成果中使用了自主開(kāi)發(fā)的p型和n型半導(dǎo)體，并進(jìn)行了光學(xué)設(shè)計(jì)，結(jié)果成功獲得了轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.26％的電池單元。

　　15％的效率目標(biāo)要靠串聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)

　　要想使有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池實(shí)用化，首先要以電池單元的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10％為目標(biāo)。而要進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，使之達(dá)到15％以上的話，就必須開(kāi)發(fā)對(duì)吸收波長(zhǎng)不同的多個(gè)電池單元進(jìn)行重疊的串聯(lián)結(jié)構(gòu)（圖6）。

圖6：力爭(zhēng)2015年使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15％（點(diǎn)擊放大）

　　三菱化學(xué)提出了2015年使轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15％，并在將來(lái)提高至20％以上的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，目前正在推進(jìn)對(duì)吸收波長(zhǎng)不同的材料進(jìn)行重疊，以及利用納米材料的研究。

　　要想實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的提高，必須在多方面做扎實(shí)的努力，比如使吸收光譜與陽(yáng)光光譜相匹配；提高激子的移動(dòng)和電荷分離功能（通過(guò)控制界面來(lái)增加電荷生成的可能性）；提高電荷分離后的載流子傳輸效率；防止再結(jié)合，等等。這些方面主要是靠材料和元件的設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行改進(jìn)。

　　在實(shí)用化面臨的另一課題，即耐久性的提高上，除了提高有機(jī)半導(dǎo)體的耐久性之外，提高氣密材料及密封材料的性能也是重要因素（圖7）。

圖7：以卷到卷工藝實(shí)現(xiàn)低成本（點(diǎn)擊放大）

　　要想使有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池實(shí)用化，必須要使用涂布技術(shù)及卷到卷技術(shù)來(lái)降低制造成本。另外，還必須充分利用高密度薄膜技術(shù)等來(lái)提高可靠性。

　　在解決技術(shù)課題的同時(shí)，還需要在商業(yè)化時(shí)充分利用有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的特長(zhǎng)創(chuàng)造新的需求。比如，充分利用輕量柔軟特性的建材一體型太陽(yáng)能電池（Building Integrated PV：BIPV），以及輕量薄型的車(chē)載太陽(yáng)能電池等。三菱化學(xué)將力爭(zhēng)在不破壞對(duì)象商品的設(shè)計(jì)性的情況下開(kāi)辟新的用途。

　　另外，有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池還有望應(yīng)用于在沒(méi)有電源的室外使用的便攜終端的充電用途以及帳篷等救災(zāi)用途。