在2014年7月10～11日舉辦的研討會“思考有機電子新方向”上，日本理化學(xué)研究所創(chuàng)發(fā)分子功能研究組高級研究員尾坂格登臺發(fā)表演講，介紹了旨在應(yīng)用于有機薄膜太陽能電池的高分子半導(dǎo)體的開發(fā)情況，演講題目為“基于分子設(shè)計的高分子半導(dǎo)體高階結(jié)構(gòu)控制”。
一般來說，作為應(yīng)用于有機薄膜太陽能電池和有機晶體管的半導(dǎo)體材料，低分子材料的載流子遷移率更高，容易使器件表現(xiàn)出高性能。與非晶硅相比，低分子有機半導(dǎo)體的載流子遷移率要高出一位數(shù)，達到了10cm2/Vs。
而高分子有機半導(dǎo)體的載流子遷移率目前僅為0.1～0.5cm2/Vs。應(yīng)用于薄膜太陽能電池時只能實現(xiàn)5～7%的較低水平發(fā)電效率。因此，尾坂等人的小組一直致力于利用高分子半導(dǎo)體實現(xiàn)高載流子遷移率和高發(fā)電效率，并嘗試通過改進高分子半導(dǎo)體的分子設(shè)計來實現(xiàn)這一目標(biāo)。
提高載流子遷移率，控制取向
提高高分子半導(dǎo)體的載流子遷移率的基本方針是提高分子間的相互作用。以前，采用稠環(huán)π電子體系曾被認(rèn)為是一種有效方式，但研究結(jié)果表明，這與載流子遷移率的提高并沒有必然聯(lián)系。為此，尾坂等人開發(fā)出了分別制作具有π電子體系的Naphthodithiophene(NDT)分子的4種異構(gòu)體的方法。將使用這些異構(gòu)體作為主鏈的高分子(NDT聚合物)合成，并檢測其載流子遷移率。結(jié)果顯示，主鏈形狀接近直線的NDT聚合物的載流子遷移率較高，為0.8cm2/Vs。
在應(yīng)用于薄膜太陽能電池時，必須要擴大光吸收波長。尾坂等人把重點放在能夠縮小帶隙的Donor-Acceptor型聚合物上，最終選定了其中一種具有缺電子體系的材料，這種分子名叫Naphthobisthiadiazole(NTz)。尾坂等人開發(fā)了具有NTz結(jié)構(gòu)的聚合物，成功制作出了發(fā)電效率達到8%左右的有機薄膜太陽能電池。
此外，尾坂等人還合成了具備含有烷基的NDT(烷基置換NDT)的聚合物。在引入烷基后，觀察到了聚合物的取向從edge-on(聚合物垂直于基板、呈橫向相連的配置)向face-on(聚合物平行于基板層層疊加)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。face-on配置能夠在膜厚增加的情況下實現(xiàn)高載流子遷移率，在應(yīng)用于太陽能電池時具有優(yōu)勢。
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