美國英特爾2009年6月成立了生產太陽能電池的新公司SpectraWatt,宣布涉足太陽能發電業務。英特爾2008年下半年在美國俄勒岡州建設了工廠,預定在2009年中期前開始供貨。SpectraWatt表示,將把生產的太陽能電池供應給太陽能發電裝置企業。

圖1:2009年6月18日舉行的英特爾研發部門成果展示會“Research@Intel Day 2009”上的有機太陽能電池介紹展板。
n型半導體采用富勒烯衍生物、p型半導體采用聚3-己基噻吩(P3HT)形成體異質結構造。該材料類和結構本身在有機薄膜太陽能電池中很常見,但英特爾將電極制成了梳齒狀并嵌入內部,使電子更易流動的同時,還進行了提高體異質結構造規則性的控制,從而提高了轉換效率。
英特爾在從事現行太陽能電池業務的同時,還在該公司主辦的展會上作為新一代技術展示了有機太陽能電池的試制品。雖然并未公布研究細節及成果,但從解說展板(圖1)來看,產品為有機太陽能電池中也由p型和n型有機半導體構成的有機薄膜太陽能電池。材料和體異質結構造(通過混合p型半導體和n型半導體分子形成的三維p-n結構造)為有機薄膜太陽能電池中的常見做法,但通過改進電極,提高了特性。
連最大的半導體廠商英特爾也開始研究的有機太陽能電池到底具有怎樣的可能性呢?簡單地說,與此前見到的有機TFT驅動的顯示器及有機EL照明等有機器件一樣,有機太陽能電池的形狀及外觀自由度高,通過使用印刷技術,有望大幅降低加工成本。
與其他有機器件一樣,有機太陽能電池也存在性能及壽命低的瓶頸問題。但其獨特之處在于,已有風險企業在開拓在性能及壽命較低情況下也可實現的應用,并著手實施量產。
限定用途的量產
有機太陽能電池分色素增感型和有機薄膜型兩種,首先開始量產的是色素?感型。
英國風險企業G24 Innovations(G24i)已從2007年10月起采用卷對卷式印刷技術以25MW/年的規模開始量產柔性色素?感型太陽能電池模塊(圖2(a))。該公司設想的用途是手機及小型個人電腦的便攜充電器,產品已于2008年上市。充電器的價格為20~40美元,銷售對象是電力基礎設施建設相對滯后的印度、中國、非洲及南美等新興市場國家和地區。

圖2:已開始運轉的有機太陽能電池印刷生產線
繼G24i之后,日本Peccell Technologies也于2008年11月開始樣品供貨采用柔性底板的色素?感型太陽能電池模塊,并計劃在2009年春季以后采用卷對卷方式以1MW/年的規模實施量產。該公司最初鎖定的用途是家電輔助電源市場。
繼色素增感型太陽能電池之后,美國科納卡技術(Konarka Technologies)開始量產有機薄膜太陽能電池。該公司于2008年開始量產薄膜底板僅厚100μm的有機薄膜太陽能電池模塊“Power Plastic”。制造時采用基于卷對卷及噴墨方式的印刷技術。該公司不打算單獨上市太陽能電池模塊,而是銷售應用有機薄膜太陽能電池的產品。
科納卡技術在2009年2月于日本舉行的“PV EXPO 2009 第二屆國際太陽能電池展”上展出了利用卷對卷方式制造的多種有機薄膜太陽能電池模塊(圖3(a))。展示了利用柔性特點封裝于皮包中,或作為電子紙的電源加以利用的試制品(圖3(b))。


圖3:美國科納卡技術在“PV EXPO 2009 第二屆國際太陽能電池展”上展出的、利用卷對卷方式制造的有機薄膜太陽能電池模塊(a)以及利用該模塊試制的皮包(b)
不過,上述量產的現在的有機太陽能電池性能及壽命還較低,轉換效率估計在3%左右。
最高數值接連公布
因此,為了實現與目前主流的硅類太陽能電池相同的應用,各研究機構提高性能及壽命的研發日趨活躍。
近年來尤為突出的是不斷有報告稱在有機薄膜太陽能電池的轉換效率上獲得了最高數值。2007年7月,美國加利福尼亞大學在科學雜志《科學(Science)》上公布,“單元轉換效率達到了全球最高的6.5%”。在日本廠商中,住友化學2009年2月也宣布獲得了6.5%的轉換效率。
另外,東麗在2009年3月舉行的春季應用物理學相關聯合演講會上宣布,通過新開發p型(施主)有機半導體材料,使轉換效率達到了5.5%。該p型有機半導體材料的要點為兩個方面:(1)通過加大與n型(受主)有機半導體材料的能級(空間電位)差,實現了約1V的高開路電壓;(2)通過涂覆與n型半導體材料的分散混合液形成pn結時,能夠擴大單位體積中pn結界面的表面積。該公司將力爭在2015年前使轉換效率達到7%。
大日本印刷于2009年6月宣布,通過
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