三菱化學(xué)2011年4月宣布，在有望成為“新一代太陽能電池”的“有機(jī)薄膜太陽能電池”領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了世界最高的9.2％能源轉(zhuǎn)換效率。三菱化學(xué)的有機(jī)薄膜太陽能電池的特點(diǎn)是，可利用印刷技術(shù)進(jìn)行高效生產(chǎn)。不久的將來，也許房間的壁紙、窗簾、汽車車身以及衣服等都能實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電。

　　“在不久的將來，除了房頂外，或許還能利用房子的墻壁、房間的壁紙、窗簾、汽車的車身以及衣服等多種物品進(jìn)行太陽能發(fā)電”。

　　說這番話的是三菱化學(xué)的執(zhí)行董事、OPV（有機(jī)薄膜太陽能電池）業(yè)務(wù)推進(jìn)室長星島時(shí)太郎。

能源轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.2％

三菱化學(xué)OPV（有機(jī)薄膜太陽能電池）業(yè)務(wù)推進(jìn)室長星島時(shí)太郎

　　經(jīng)歷了福島第一核電站的事故，人們對(duì)自然能源、尤其是對(duì)太陽能發(fā)電的期待越來越高。在這一背景下，三菱化學(xué)于2011年4月宣布，作為有望成為“新一代太陽能電池”的、該公司的“有機(jī)薄膜太陽能電池”的能源轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了世界最高值——9.2％。

　　星島介紹說，“這一效率還被美國《科學(xué)》雜志進(jìn)行了介紹。將迄今為止8％出頭的最高值一舉提高了1％，海外的研究人員們也為之大吃一驚”。

　　目前，設(shè)置在家中房頂?shù)忍幍奶柲苊姘宕蠖酁闊o機(jī)類“結(jié)晶硅太陽能電池”。這類電池價(jià)格昂貴，因此遲遲未能普及開來。價(jià)格昂貴的主要原因在于原料使用了高純度硅。而且，日本全部依賴從中國進(jìn)口，還存在資源風(fēng)險(xiǎn)的問題。

　　因此，需要開發(fā)采用低價(jià)格和低資源風(fēng)險(xiǎn)原料的新一代太陽能電池。最佳候選就是日本目前正在快速推進(jìn)開發(fā)的有機(jī)類太陽能電池。

薄型、輕量、可彎曲

　　有機(jī)類太陽能電池物如其名，是以碳等有機(jī)物為材料的太陽能電池。目前大致可分為“色素增感型太陽能電池”和“有機(jī)薄膜太陽能電池”兩種。 三菱化學(xué)研究開發(fā)的是后者。有機(jī)薄膜太陽能電池采用易于采購的原料，與以往的結(jié)晶硅太陽能電池相比，可大幅降低生產(chǎn)成本。另外，還具備薄型、輕量、可彎曲等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣泛，能夠加工成多種形狀。

　　有機(jī)類太陽能電池性能提高的關(guān)鍵在于其有機(jī)物等主要原料。為此，近年來，為了將公司長年積累的材料相關(guān)知識(shí)和技術(shù)用于太陽能電池，住友化學(xué)、三井化學(xué)、東麗以及東洋紡等材料廠商紛紛涉足該市場(chǎng)。三菱化學(xué)也是其中之一。

　　此前有機(jī)類太陽能電池存在的課題是，能源轉(zhuǎn)換效率只有5％左右，產(chǎn)品壽命短。因此，為進(jìn)一步提高能源轉(zhuǎn)換效率和產(chǎn)品壽命，眾多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)展開了激烈競(jìng)爭(zhēng)。在這種情況下，三菱化學(xué)發(fā)布了“能源轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.2％”的試制品。

　　星島稱，“如果能源轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到10％，就可以決定實(shí)用化了。此次的成功讓我們看到了在2012年實(shí)用化的希望”。

　　另外，星島還補(bǔ)充道，“不過，本公司的有機(jī)薄膜太陽能電池的真正價(jià)值并不在于能源轉(zhuǎn)換效率高，而在于可采用印刷技術(shù)的制造方法”。

可印刷在薄膜基板上進(jìn)行制造

　　此前，有機(jī)薄膜太陽能電池的制造方法一般采用“真空蒸鍍法”。真空蒸鍍法需要大型制造裝置，因此存在生產(chǎn)成本高，而且難以實(shí)現(xiàn)大面積化的缺點(diǎn)。

　　而三菱化學(xué)開發(fā)的產(chǎn)品可印刷在薄膜基板等上簡(jiǎn)單制造。因此，采用相對(duì)較小的制造裝置即可，還能進(jìn)行大量生產(chǎn)，可輕松實(shí)現(xiàn)大面積化。

　　所以，“利用房間的壁紙和窗簾發(fā)電”等便有望成為現(xiàn)實(shí)。

　　使采用印刷技術(shù)的制造方法成為現(xiàn)實(shí)的，是該公司開發(fā)的有機(jī)半導(dǎo)體材料。

　　有機(jī)薄膜太陽能電池需要兩種有機(jī)半導(dǎo)體材料。一種是照射光后會(huì)釋放出電子的“p型有機(jī)半導(dǎo)體”。另一種是，獲取電子后傳輸給電極的“n型有機(jī)半導(dǎo)體”。

連續(xù)涂布（卷對(duì)卷）制膜工藝的介紹

　　三菱化學(xué)開發(fā)的有機(jī)薄膜太陽能電池在p型有機(jī)半導(dǎo)體中采用了名為“四苯并卟啉（Tetrabenzoporphyrin）”的有機(jī)物，在n型有機(jī)半導(dǎo)體中采用了“富勒烯（Fullerene）衍生物”。富勒烯衍生物是在由60個(gè)碳原子構(gòu)成的足球狀分子富勒烯上攜帶有機(jī)分子的化合物。

利用與“有機(jī)EL”相反的物理現(xiàn)象

　　四苯并卟啉是在2006年由當(dāng)時(shí)還是三菱化學(xué)公司與愛媛大學(xué)理學(xué)部名譽(yù)教授小野升作為有機(jī)EL和電子紙的驅(qū)動(dòng)用薄膜晶體管材料而開發(fā)的。這種材料的特性正好與有機(jī)薄膜太陽能電池的條件吻合，因此開始應(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”材料正好相反的物理現(xiàn)象。

　　其中，三菱化學(xué)注意到了四苯并卟啉擁有的兩個(gè)特性。一個(gè)是，雖然不溶于有機(jī)溶劑，但其上一階段的物質(zhì)“前驅(qū)體”溶于有機(jī)溶劑。另一個(gè)是，為前驅(qū)體加熱后，在約180度時(shí)會(huì)形成結(jié)晶，之后形成的四苯并卟啉薄膜具有良好的半導(dǎo)體特性，平面性也非常出色。

　　將四苯并卟啉的前驅(qū)體溶于有機(jī)溶劑使之變成油墨，然后將其涂布到薄膜基板上進(jìn)行加熱，就能輕松制造出有機(jī)薄膜太陽能電池了……。

　　為此，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合作，正式開始了有機(jī)薄膜太陽能電池的研究開發(fā)。

將四苯并卟啉的前驅(qū)體加熱至150～180度會(huì)顯示半導(dǎo)體特性

　　在共同研究中，東京大學(xué)為了高效獲取四苯并卟啉釋放出的電子，新開發(fā)出了富勒烯衍生物。

　　就這樣，2007年，三菱化學(xué)和東京大學(xué)共同采用在薄膜基板上涂布四苯并卟啉低分子有機(jī)半導(dǎo)體材料后進(jìn)行加熱的方法，全球首次成功制造出了有機(jī)薄膜太陽能電池。

　　開發(fā)成功后，三菱化學(xué)于2008年4月將有機(jī)薄膜太陽能電池定位為公司的“7大扶植業(yè)務(wù)”之一。之后，開始全面致力于有機(jī)薄膜太陽能電池的實(shí)用化進(jìn)程。

　　從2009年4月起，三菱化學(xué)在東京大學(xué)研究生院理學(xué)系研究科的協(xié)助下，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)體材料和改進(jìn)光學(xué)設(shè)計(jì)，穩(wěn)步提高了能源轉(zhuǎn)換效率。2011年4月，實(shí)現(xiàn)了9.2％的能源轉(zhuǎn)換效率。

　　星島自信地表示，“作為提高有機(jī)薄膜太陽能電池性能的計(jì)劃，本公司制定了使能源轉(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)。目前基本在按計(jì)劃推進(jìn)”。

2012年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化

　　今后，三菱化學(xué)計(jì)劃進(jìn)一步提高四苯并卟啉的制造技術(shù)，以吸收更大波長范圍的光，從而進(jìn)一步提高能源轉(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)體材料后加熱的“連續(xù)涂布（卷對(duì)卷）制膜工藝”的制造方法、擴(kuò)充制造工廠等，力爭(zhēng)2012年實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。產(chǎn)品壽命目前為10年以上，完全可以實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。

　　另外，星島表示，“先于其他公司盡早開拓新一代太陽能電池市場(chǎng)也是本公司的一大課題。為此，目前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)薄膜太陽能電池同屬薄膜型的太陽能電池。二者可共用部分生產(chǎn)線，而且市場(chǎng)也相同。因此，三菱化學(xué)計(jì)劃將目前大力拓展的非晶硅太陽能電池作為開拓有機(jī)薄膜太陽能電池市場(chǎng)的踏板。（特約撰稿人：山田久美，本文由Nikkei Business Online特別提供）