尾坂:就有机晶体管而言,以基板为水平面,载流子沿水平方向移动的速度越快,性能越高。因为在这样的状态下可以提高晶体管的开关速度。换做有机太阳能电池的话,以基板为水平面,载流子沿垂直方向移动的速度越快,性能越高。因为在这样的状态下,受光激发产生的载流子能够快速地移动到基板侧的电极和半导体高分子膜上的电极。
无论是有机晶体管,还是有机薄膜太阳能电池,都是有机半导体膜的结晶性越好,性能就越高。但二者提高载流子移动性(载流子迁移率)的方向却截然不同。半导体高分子的载流子迁移率取决于分子排列的方向(取向),在用于有机晶体管的时候,以基板为水平面,半导体高分子的取向要使载流子迁移率沿水平方向增大,而在用于有机薄膜太阳能电池时,则要沿垂直方向增大。
试制的有机薄膜太阳能电池(摄影:理化学研究所提供) (点击放大)
——涂布型有机太阳能电池使用的是什么样的半导体高分子?性能如何?尾坂:是在Naphtho-dithiophene与Naphtho-bis-thiadiazole组成的半导体高分子Naphtho-dithiophene中加入了两个烷基的物质。加入烷基后,分子将“横躺”在基板上,载流子迁移率约为0.1cm2/Vs。
与最近发表的有机半导体相比,载流子迁移率看上去比较低,但这是为了使分子的取向适合有机薄膜太阳能电池,牺牲了一些载流子迁移率。另外,如果不加入烷基,载流子迁移率约为0.5cm2/Vs。没有烷基时,分子是竖立在基板上。我们可以通过调整烷基的有无,分别制作适合晶体管和适合太阳能电池的半导体高分子。
使用这种半导体高分子的有机薄膜太阳能电池的转换效率方面,不加入烷基时为5%,而加入烷基后,效率一举提高到了8.2%。这是2013年公开的数值,通过进一步优化,这一数字现在已经提高到了9%以上。
——企业对此有何反响?