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體的分子設(shè)計來實現(xiàn)這一目標。

提高載流子遷移率，控制取向

提高高分子半導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。