在科納卡技術(shù)公司和Heliatek公司2010年相繼實現(xiàn)8.3％的轉(zhuǎn)換效率后不久，2011年3月三菱化學達到了9.26％，一舉超過約1個百分點，突破了9％大關。有機薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率之所以能夠突破9％大關，是因為使用了對涂布后的材料進行加熱轉(zhuǎn)換的涂布轉(zhuǎn)換技術(shù) 注4）。由于達到9.26％轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)細節(jié)目前尚未公布，因此下面以達到7.8％轉(zhuǎn)換效率的成果為基礎，對涂布轉(zhuǎn)換技術(shù)做一介紹。

　　注4）與東京大學教授中村榮一聯(lián)手，從2004年起在日本科學技術(shù)振興機構(gòu)（JST）發(fā)起的ERATO（Exploratory Research for Advanced Technology，先進技術(shù)的探索研究）計劃下實施開發(fā)，如今是S-革新（戰(zhàn)略性革新創(chuàng)造推進）業(yè)務的一部分。

　　涂布轉(zhuǎn)換類有機薄膜太陽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：涂布后通過加熱獲得良好特性（點擊放大）

　　三菱化學研發(fā)的涂布轉(zhuǎn)換類有機薄膜太陽能電池（a），其特點在于通過在涂布前驅(qū)本后進行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180℃加熱將BP前驅(qū)體轉(zhuǎn)換成了BP。

　　BP是在日本愛媛大學與三菱化學共同實施有機晶體管的研究中誕生的。BP的結(jié)構(gòu)與酞菁類似注5），擁有四個苯環(huán)，將雙環(huán)結(jié)構(gòu)*的可涂布成膜的前驅(qū)體進行150℃以上的加熱，就會通過逆狄爾斯－阿爾德反應（retro-Diels-Alder reaction）注6）使乙烯基分解，轉(zhuǎn)換成具有高結(jié)晶性及良好半導體特性的BP。對BP的FET（場效應晶體管）特性進行研究后發(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。而作為有機半導體，酞菁具有較高的光電轉(zhuǎn)換特性，被廣泛應用為電子照片感光體材料。

　　*雙環(huán)（bicyclo）結(jié)構(gòu)＝由兩個環(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)的有機化學反應就是狄爾斯－阿爾德反應。由德國化學家奧托·狄爾斯（Otto Diels）和庫爾特·阿爾德（Kurt Alder）于1928年發(fā)現(xiàn)（1950年獲諾貝爾化學獎）。通過該反應的逆反應，由六員環(huán)生成共軛二烯與烯烴的反應稱為逆狄爾斯－阿爾德反應。

　　在有機薄膜太陽能電池中，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合的情況下穿過p層（BP）和n層（富勒烯衍生物）向兩極移動的結(jié)構(gòu)。因此推測轉(zhuǎn)換效率由此得到了提高。最后，通過在涂布、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，證實了這一點。

圖5：微細的柱狀結(jié)晶對效率的提高做出了貢獻（點擊放大）

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

　　三菱化學在這些成果中使用了自主開發(fā)的p型和n型半導體，并進行了光學設計，結(jié)果成功獲得了轉(zhuǎn)換效率達到9.26％的電池單元。

　　15％的效率目標要靠串聯(lián)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)

　　要想使有機薄膜太陽能電池實用化，首先要以電池單元的轉(zhuǎn)換效率達到10％為目標。而要進一步提高轉(zhuǎn)換效率，使之達到15％以上的話，就必須開發(fā)對吸收波長不同的多個電池單元進行重疊的串聯(lián)結(jié)構(gòu)（圖6）。

圖6：力爭2015年使轉(zhuǎn)換效率達到15％（點擊放大）

　　三菱化學提出了2015年使轉(zhuǎn)換效率達到15％，并在將來提高至20％以上的目標。為實現(xiàn)這一目標，目前正在推進對吸收波長不同的材料進行重疊，以及利用納米材料的研究。

　　要想實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率的提高，必須在多方面做扎實的努力，比如使吸收光譜與陽光光譜相匹配；提高激子的移動和電荷分離功能（通過控制界面來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計來進行改進。

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

圖7：以卷到卷工藝實現(xiàn)低成本（點擊放大）

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

　　在解決技術(shù)課題的同時，還需要在商業(yè)化時充分利用有機薄膜太陽能電池的特長創(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能電池（Building Integrated PV：BIPV），以及輕量薄型的車載太陽能電池等。三菱化學將力爭在不破壞對象商品的設計性的情況下開辟新的用途。

　　另外，有機薄膜太陽能電池還有望應用于在沒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用途。