日本东丽开发出可实现5.5%转换效率的薄膜太阳能电池

东丽开发出了可在有机薄膜太阳能电池上实现5.5％转换效率的p型（供体）有机半导体材料。此次p型有机半导体材料的亮点在于，通过在分子设计及合成方面下工夫，实现了2个目标。一是通过扩大与n型（受体）有机半导体材料之间的能级（空间电位）差，实现了约1V的较高开路电压。二是通过涂覆与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（图1）。

之所以扩大p型及n型材料的能级差，是为了得到较高的开路电压。此次的p型有机半导体材料是在已有的噻吩（Thiophene）类材料上通过重组分子结构实现的。

在有机薄膜太阳能电池中，通过光吸收形成的激子（电子与空穴成对存在的分子激发状态）在pn结的界面上扩散，由于pn结界面的能级不同，使得电子与空穴发生分离（图2）。在一般状态下，激子不会分离出电子及空穴。形成p型及n型材料的异种分子间能级差异越大，则越容易分离（图3）。

之所以扩大单位体积的pn结界面的表面积，是为了缩短激子的扩散距离。pn结的界面增大，通过光照射在p型有机半导体中激发的激子，能够立即到达n型半导体材料。

此次的p型有机半导体材料通过增加附属置换基，同时实现了较高的结晶性能、以及与n型有机半导体材料的溶解性。由此更为理想地实现了通过n型及p型有机半导体材料的混合、扩大pn结表面积的“本体异质（Bulk Heterojunction）”结构。

东丽采用此次的n型半导体材料试制成功的有机薄膜太阳能电池（图4）的数据如下。在采用模拟阳光的测定中，元件面积为0.25cm2时，转换效率为5.52％，短路电流为9.72mA/cm2，开路电压为0.99V，曲线因数为0.574。元件面积为0.04cm2时，转换效率为6.0％，短路电流为10.58mA/cm2，开路电压为0.99V，曲线因数为0.573。而在采用白色光的测定中，元件面积为0.25cm2时，转换效率为10.8％，短路电流为22.16mA/cm2，开路电压为1.02V，曲线因数为0.477。

 　　与此相比，作为由国际性评估机构测定的有机薄膜型太阳能电池的特性，美国Konarka Technologies发布的转换效率5.15％是迄今为止的全球最高的效率值。不过，Konarka的数据是在元件面积大得多的1cm2条件下的测定值。如果东丽要强调已经超过该数值，就有必要公布在相同面积下测定的数据。
 
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