太阳能电池“布”：室内光线下也能发电

来源：日经能源环境网发布时间：2013-11-12 09:54:29

为了实现在昏暗的室内也能高效发电、成本仅为1000日元的“粘贴型传感器”，柔性太阳能电池的开发正在进行之中。将把采用可降低成本的有机半导体制造的薄膜太阳能电池制成nm（10-9m）级微细纤维状，再编织成“布”。计划将这种太阳能电池用于植物工厂。日本NMEMS技术研究机构绿色传感器网络研究所大冈山研究中心主任谷冈明彦以《传感器网络系统中纳米纤维独立电源的开发》为题发表演讲，介绍了这种太阳能电池的开发详情。

目前正在开发的太阳能电池的目标是，面向传感器网络终端用途，实现安装后无需更换的自给电源，无需再更换电池。作为传感器网络终端的电源，也可使用现有的纽扣型电池，但是达到使用寿命之后必须更换。

谷冈正在开发的是在室内光线下也能充分发电的太阳能电池。据介绍，一般室内的照度为窗前1000lux、桌上400lux、桌下100lux。谷冈的目标是开发出只要达到桌上400lux的照度，就能驱动传感器网络终端的太阳能电池。

　图1 开发在桌面照度为400lux的环境下能发挥功能的发电元件。

适合传感器网络终端使用环境的特性

为了使太阳能电池具备适合创可贴型传感器网络终端的特性，谷冈使用了有机半导体中的高分子型材料。

采用有机半导体的太阳能电池的特点是，使用树脂基板而非硅基板，从而可将太阳能电池做得轻、薄而且柔软。如果能够粘贴在物体上，便可实现自由布局。而且，即便在安装时及安装后施加外力也不易损坏。这种太阳能电池不仅厚度薄，而且可简化安装夹具，因此安装时也不占地方。

使用有机半导体还易于降低量产成本。因为无需使用昂贵的、庞大的真空制造设备，只需在空气条件下涂覆高分子材料并形成薄膜半导体即可。而且，可靠性及寿命也可充分满足需求。因为可使其具备蓄电功能，所以在达不到所需照度的环境中也能稳定供应电力。

采用有机半导体的太阳能电池的发电效率已达到并不逊色于住宅及工业使用的非晶（多晶）硅型太阳能电池的水平。在目前已公开的产品中，有机半导体太阳能电池最高水平的效率为12％。在室内低于1000lux的照度条件下，其效率高于非晶硅太阳能电池等（图2）。在室内环境中，有机薄膜太阳能电池在效率方面也十分有利。

图2 在室内照度环境下有机薄膜太阳能电池的转换效率较高。

　　将光能有效地转换为电能

此次的有机薄膜太阳能电池采用了p型半导体与n型半导体的接触面积大、可提高发电效率的本体异质结。而且采用了使p型半导体变成纳米级微细纤维状、在其他部分填充了n型半导体的结构。

　图3 采用容易提高效率的结构。

这样就能减少现有本体异质结的电子传输损失。采用现有本体异质结构时，受到光照后产生的电子中有很多不会转化为发电能量的电子。这是因为结构内部存在孤立领域，此处产生的电子无法到达电极。而此次的太阳能电池通过使p型半导体变成纤维状，形成了使接触面产生的电子能够到达电极的路径，从而减少了输送损失。

此次的开发目标是输出功率达到现有太阳能电池的两倍以上，即150μW以上，转换效率达到7％以上。电池尺寸为10cm2以下。

　图4 开发目标。

首先应用于植物工厂，然后扩大至住宅及服装用途

采用纳米级微细纤维结构的有机半导体是向溶解有高分子的溶液施加高电压，然后纺织纤维制成的。这种方法被称为电场纺丝法。

　图5 采用纤维构造的有机半导体的制造方法。

将来，谷冈打算将采用这种方法制作的纤维状有机薄膜太阳能电池纺织或编织成布（纺织品），作为可以自由折叠的平面状电源使用。虽然以树脂为基板的有机太阳能电池也可以弯曲，但织成布的太阳能电池不仅可以弯曲，还能像普通布料一样折叠，收放时占用空间很小。

谷冈介绍说，“（这种太阳能电池）的优点是，因为是纤维状元件的集合体，因此，不仅作为电源的可靠性更高，而且能够理想地引入从多个方向照射的室内照明的光线”。