2011年4月，日本三菱化學(xué)公司宣布，作為新一代太陽能電池有待實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的“有機(jī)薄膜太陽能電池”實(shí)現(xiàn)了9.2％的能源轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到全球最高值。
三菱化學(xué)有機(jī)薄膜太陽能電池（OPV）事業(yè)推進(jìn)室室長星島時(shí)太郎
該公司有機(jī)薄膜太陽能電池的特點(diǎn)在于，可利用印刷技術(shù)進(jìn)行高效率生產(chǎn)。或許在不久的將來，便可通過房間壁紙、窗簾、汽車車身及衣服等進(jìn)行光伏發(fā)電。
“在不久的將來，除了屋頂之外，或許能夠通過家中的墻面、房間壁紙、窗簾、汽車車身和衣服等許多東西進(jìn)行光伏發(fā)電”，三菱化學(xué)執(zhí)行董事、有機(jī)薄膜太陽能電池（OPV）事業(yè)推進(jìn)室室長星島時(shí)太郎這樣說道。
能源轉(zhuǎn)換效率為9.2％
以福島第一核電站事故為契機(jī)，人們對(duì)自然能源\特別是光伏發(fā)電的期待日益高漲。在這種情況下，2011年4月，三菱化學(xué)宣布，作為“新一代太陽能電池”有待實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的“有機(jī)薄膜太陽能電池”實(shí)現(xiàn)了9.2％的能源轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到全球最高值。
星島介紹說：“該消息也出現(xiàn)在了美國的《科學(xué)）》雜志上。能夠?qū)⒛茉崔D(zhuǎn)換效率從此前的最高值8％左右一舉提高1％，海外研究人員對(duì)此也非常吃驚。”
目前設(shè)置于家中屋頂上的太陽能電池板大多是無機(jī)類“結(jié)晶硅太陽能電池”。由于價(jià)格較高，因此普及進(jìn)展較慢。其中最大的原因在于原料要使用高純度硅。而且，日本目前在硅的采購方面全部需要從中國進(jìn)口，面臨資源外交風(fēng)險(xiǎn)這一課題。
因此亟需開發(fā)使用低價(jià)格、資源外交風(fēng)險(xiǎn)低原料的新一代太陽能電池。目前，作為其主流，全球各國都在快速推進(jìn)有機(jī)類太陽能電池的研發(fā)。
輕薄可彎曲
三菱化學(xué)開發(fā)的有機(jī)薄膜太陽能電池
有機(jī)類太陽能電池正如其名字一樣，是指以碳等有機(jī)物為材料制成的太陽能電池。現(xiàn)在大體分為“色素增感型太陽能電池”及“有機(jī)薄膜太陽能電池”兩種。三菱化學(xué)目前正在推進(jìn)研發(fā)的是后者。特別是有機(jī)薄膜太陽能電池，使用易于采購的原料，與原來的結(jié)晶硅太陽能電池相比，可降低生產(chǎn)成本。而且，因?yàn)榫邆漭p薄可彎曲等特點(diǎn)，所以應(yīng)用范圍較廣，可根據(jù)多種設(shè)計(jì)進(jìn)行加工。
有機(jī)類太陽能電池方面，作為主要原料的有機(jī)物掌握著提高性能的關(guān)鍵。因此，近幾年來，為了將自己公司多年積累的材料相關(guān)知識(shí)及技術(shù)應(yīng)用于太陽能電池，住友化學(xué)、三井化學(xué)、東麗和東洋紡等材料廠商相繼涉足該市場。三菱化學(xué)也是其中之一。
以前的課題是能源轉(zhuǎn)換效率僅為5％左右，產(chǎn)品壽命較短。因此，為了進(jìn)一步提高能源轉(zhuǎn)換效率、延長產(chǎn)品壽命，許多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)展開了激烈競爭。在這種情況下，三菱化學(xué)發(fā)布了“能源轉(zhuǎn)換效率實(shí)現(xiàn)9.2％”的試制品。
星島稱：“如果能夠?qū)⒛茉崔D(zhuǎn)換效率提高到10％，就能下決心投入實(shí)用。通過此次的成功，預(yù)計(jì)能夠在2012年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。”
星島又補(bǔ)充道：“不過，本公司有機(jī)薄膜太陽能電池的真正價(jià)值并不在于能源轉(zhuǎn)換效率較高，而是在于可利用印刷技術(shù)的制造方法。”
可在薄膜基板上印刷制造
此前作為有機(jī)薄膜太陽能電池的制造方法，一般采用的是“真空蒸鍍法”。真空蒸鍍法的缺點(diǎn)在于，由于需要大型制造裝置，因此生產(chǎn)成本較高，而且難以實(shí)現(xiàn)較大的面積。
相對(duì)于此，三菱化學(xué)開發(fā)的產(chǎn)品可通過在薄膜基板等上進(jìn)行印刷，簡單地制造出來。因此，制造裝置比較小，可進(jìn)行大量生產(chǎn)。也易于實(shí)現(xiàn)較大的面積。
這樣一來，就連“通過房間壁紙及窗簾進(jìn)行發(fā)電”等也開始帶有現(xiàn)實(shí)意味。
使采用印刷技術(shù)的制造方法成為可能的，是該三菱化學(xué)開發(fā)的有機(jī)半導(dǎo)體材料。
有機(jī)薄膜太陽能電池需要使用兩種有機(jī)半導(dǎo)體材料。一種是受到光的照射會(huì)釋放出電子的“ｐ型有機(jī)半導(dǎo)體”。另一種是可獲取電子并傳輸給電極的“n型有機(jī)半導(dǎo)體”。
在三菱化學(xué)開發(fā)的有機(jī)薄膜太陽能電池中，ｐ型有機(jī)半導(dǎo)體使用的是被稱為“四苯并卟啉（Tetrabenzoporphyrin）”的有機(jī)物，而n型有機(jī)半導(dǎo)體使用的是“富勒烯衍生物”。富勒烯衍生物是指在由60個(gè)碳原子構(gòu)成的足球狀分子富勒烯上嵌入有機(jī)分子的化合物。
利用與“有機(jī)EL”相反的物理現(xiàn)象
四苯并卟啉實(shí)際上是2006年由當(dāng)時(shí)還是三菱化學(xué)控股集團(tuán)的三菱化學(xué)與愛媛大學(xué)理工系名譽(yù)教授小野升，作為有機(jī)EL和電子紙的驅(qū)動(dòng)薄膜晶體管材料開發(fā)而成的。由于半導(dǎo)體特性恰好與有機(jī)薄膜太陽能電池的條件一致，因此便開始應(yīng)用于太陽能電池。順便一提，有機(jī)薄膜太陽能電池利用的是與通電后發(fā)光的“有機(jī)EL”材料相反的物理現(xiàn)象。
其中，三菱化學(xué)著眼于四苯并卟啉所擁有的兩個(gè)特性。一個(gè)特性是，雖然不溶于有機(jī)溶劑，但作為其前一階段物質(zhì)的“前驅(qū)體”溶于有機(jī)溶劑。另一個(gè)是，如果加熱前驅(qū)體，在180度左右會(huì)形成結(jié)晶，這樣形成的四苯并卟啉薄膜具有良好的半導(dǎo)體特性，平面性也比較出色。
如果使四苯并卟啉的前驅(qū)體溶于有機(jī)溶劑變成墨水狀，然后涂布到薄膜基板上進(jìn)行加熱，也許就能簡單地制造出有機(jī)薄膜太陽能電池。
擁有這種想法的三菱化學(xué)開發(fā)團(tuán)隊(duì)與東京大學(xué)研究生院理學(xué)系研究科教授中村榮一等共同開始研發(fā)有機(jī)薄膜太陽能電池。
如果用150～180度的高溫加熱四苯并卟啉的前驅(qū)體，就會(huì)顯示出半導(dǎo)體特性。
在共同研究過程中，東京大學(xué)新開發(fā)出了富勒烯衍生物，以高效率獲取四苯并卟啉所釋放出的電子。
于是，2007年，三菱化學(xué)與東京大學(xué)共同通過在薄膜基板上涂布四苯并卟啉低分子有機(jī)半導(dǎo)體材料并進(jìn)行加熱，成功制造出了有機(jī)薄膜太陽能電池，這在全球尚屬首次。
在開發(fā)成功之后，三菱化學(xué)2008年4月把有機(jī)薄膜太陽能電池定位為該公司的“七大扶植業(yè)務(wù)”之一，開始全面致力于實(shí)現(xiàn)有機(jī)薄膜太陽能電池的實(shí)用化。
從2009年4月起，在東京大學(xué)研究生院理學(xué)系研究科的協(xié)助下，三菱化學(xué)開設(shè)了為期3年的社會(huì)合作講座“光電轉(zhuǎn)換化學(xué)講座”。通過改良有機(jī)半導(dǎo)體材料及改進(jìn)光學(xué)設(shè)計(jì)，穩(wěn)步提高了能源轉(zhuǎn)換效率。并于2011年4月實(shí)現(xiàn)了9.2％的能源轉(zhuǎn)換效率。
星島充滿自信地說：“作為實(shí)現(xiàn)有機(jī)薄膜太陽能電池高性能化的里程碑，本公司提出了使能源轉(zhuǎn)換效率在2010年達(dá)到10％、2015年達(dá)到15％、2020年達(dá)到20％以上的目標(biāo)。目前基本按計(jì)劃順利推進(jìn)。”
力爭2012年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化
今后，三菱化學(xué)計(jì)劃通過進(jìn)一步提高四苯并卟啉制造技術(shù)水平，使之能夠吸收波長范圍更廣的光，提高能源轉(zhuǎn)換效率。另外，還將改良富勒烯衍生物、開發(fā)元件技術(shù)、確立采用在薄膜基板上涂布有機(jī)半導(dǎo)體材料并進(jìn)行加熱的“連續(xù)涂布（卷對(duì)卷）制膜工藝”的制造方法、完善制造工廠等，力爭在2012年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。產(chǎn)品壽命目前為10年以上，完全可應(yīng)對(duì)實(shí)用化。
星島表示：“并且領(lǐng)先于其他公司盡早開拓新一代太陽能電池市場也是本公司面臨的較大課題。因此，現(xiàn)在我們還在致力于非晶硅太陽能電池的產(chǎn)品開發(fā)。”
非晶硅太陽能電池是與有機(jī)薄膜太陽能電池同樣的薄膜型太陽能電池。除了可共用部分生產(chǎn)線之外，市場也相同。因此，三菱化學(xué)打算使目前正在大力發(fā)展的非晶硅太陽能電池市場成為開拓有機(jī)薄膜太陽能電池市場的立足點(diǎn)。
