2013年11月11日09:02
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為了實(shí)現(xiàn)在昏暗的室內(nèi)也能高效發(fā)電、成本僅為1000日元的“粘貼型傳感器”，柔性太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行之中。將把采用可降低成本的有機(jī)半導(dǎo)體制造的薄膜太陽(yáng)能電池制成nm（10-9m）級(jí)微細(xì)纖維狀，再編織成“布”。計(jì)劃將這種太陽(yáng)能電池用于植物工廠。日本NMEMS技術(shù)研究機(jī)構(gòu)綠色傳感器網(wǎng)絡(luò)研究所大岡山研究中心主任谷岡明彥以《傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中納米纖維獨(dú)立電源的開(kāi)發(fā)》為題發(fā)表演講，介紹了這種太陽(yáng)能電池的開(kāi)發(fā)詳情。
NMEMS技術(shù)研究機(jī)構(gòu)綠色傳感器網(wǎng)絡(luò)研究所大岡山研究中心主任谷岡明彥
目前正在開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能電池的目標(biāo)是，面向傳感器網(wǎng)絡(luò)終端用途，實(shí)現(xiàn)安裝后無(wú)需更換的自給電源，無(wú)需再更換電池。作為傳感器網(wǎng)絡(luò)終端的電源，也可使用現(xiàn)有的紐扣型電池，但是達(dá)到使用壽命之后必須更換。
谷岡正在開(kāi)發(fā)的是在室內(nèi)光線下也能充分發(fā)電的太陽(yáng)能電池。據(jù)介紹，一般室內(nèi)的照度為窗前1000lux、桌上400lux、桌下100lux。谷岡的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出只要達(dá)到桌上400lux的照度，就能驅(qū)動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)終端的太陽(yáng)能電池（圖1）。
圖1 開(kāi)發(fā)在桌面照度為400lux的環(huán)境下能發(fā)揮功能的發(fā)電元件。
適合傳感器網(wǎng)絡(luò)終端使用環(huán)境的特性
為了使太陽(yáng)能電池具備適合創(chuàng)可貼型傳感器網(wǎng)絡(luò)終端的特性，谷岡使用了有機(jī)半導(dǎo)體中的高分子型材料。
采用有機(jī)半導(dǎo)體的太陽(yáng)能電池的特點(diǎn)是，使用樹(shù)脂基板而非硅基板，從而可將太陽(yáng)能電池做得輕、薄而且柔軟。如果能夠粘貼在物體上，便可實(shí)現(xiàn)自由布局。而且，即便在安裝時(shí)及安裝后施加外力也不易損壞。這種太陽(yáng)能電池不僅厚度薄，而且可簡(jiǎn)化安裝夾具，因此安裝時(shí)也不占地方。
使用有機(jī)半導(dǎo)體還易于降低量產(chǎn)成本。因?yàn)闊o(wú)需使用昂貴的、龐大的真空制造設(shè)備，只需在空氣條件下涂覆高分子材料并形成薄膜半導(dǎo)體即可。而且，可靠性及壽命也可充分滿足需求。因?yàn)榭墒蛊渚邆湫铍姽δ�，所以在達(dá)不到所需照度的環(huán)境中也能穩(wěn)定供應(yīng)電力。
采用有機(jī)半導(dǎo)體的太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率已達(dá)到并不遜色于住宅及工業(yè)使用的非晶（多晶）硅型太陽(yáng)能電池的水平。在目前已公開(kāi)的產(chǎn)品中，有機(jī)半導(dǎo)體太陽(yáng)能電池最高水平的效率為12％。在室內(nèi)低于1000lux的照度條件下，其效率高于非晶硅太陽(yáng)能電池等（圖2）。在室內(nèi)環(huán)境中，有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池在效率方面也十分有利。
圖2 在室內(nèi)照度環(huán)境下有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率較高。
將光能有效地轉(zhuǎn)換為電能
此次的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池采用了p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體的接觸面積大、可提高發(fā)電效率的本體異質(zhì)結(jié)。而且采用了使p型半導(dǎo)體變成納米級(jí)微細(xì)纖維狀、在其他部分填充了n型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)（圖3）。
圖3 采用容易提高效率的結(jié)構(gòu)。
這樣就能減少現(xiàn)有本體異質(zhì)結(jié)的電子傳輸損失。采用現(xiàn)有本體異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，受到光照后產(chǎn)生的電子中有很多不會(huì)轉(zhuǎn)化為發(fā)電能量的電子。這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)內(nèi)部存在孤立領(lǐng)域，此處產(chǎn)生的電子無(wú)法到達(dá)電極。而此次的太陽(yáng)能電池通過(guò)使p型半導(dǎo)體變成纖維狀，形成了使接觸面產(chǎn)生的電子能夠到達(dá)電極的路徑，從而減少了輸送損失。
此次的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是輸出功率達(dá)到現(xiàn)有太陽(yáng)能電池的兩倍以上，即150μW以上，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7％以上。電池尺寸為10cm2以下（圖4）。
圖4 開(kāi)發(fā)目標(biāo)。
首先應(yīng)用于植物工廠，然后擴(kuò)大至住宅及服裝用途
采用納米級(jí)微細(xì)纖維結(jié)構(gòu)的有機(jī)半導(dǎo)體是向溶解有高分子的溶液施加高電壓，然后紡織纖維制成的。這種方法被稱為電場(chǎng)紡絲法（圖5）。
圖5 采用纖維構(gòu)造的有機(jī)半導(dǎo)體的制造方法。
將來(lái)，谷岡打算將采用這種方法制作的纖維狀有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池紡織或編織成布（紡織品），作為可以自由折疊的平面狀電源使用。雖然以樹(shù)脂為基板的有機(jī)太陽(yáng)能電池也可以彎曲，但織成布的太陽(yáng)能電池不僅可以彎曲，還能像普通布料一樣折疊，收放時(shí)占用空間很小。
谷岡介紹說(shuō)，“（這種太陽(yáng)能電池）的優(yōu)點(diǎn)是，因?yàn)槭抢w維狀元件的集合體，因此，不僅作為電源的可靠性更高，而且能夠理想地引入從多個(gè)方向照射的室內(nèi)照明的光線”（圖6）。
圖6 全方位引入光線。
目前，谷岡正在利用約5cm寬、2cm厚的纖維狀太陽(yáng)能電池試制品進(jìn)行驗(yàn)證。今后將安裝在傳感器網(wǎng)絡(luò)終端上，用于植物工廠。估計(jì)將來(lái)還會(huì)發(fā)展成布狀太陽(yáng)能電池，用途擴(kuò)大至窗簾、壁紙、地毯及服裝等（圖7）。（作者：加藤伸一，日經(jīng)能源環(huán)境網(wǎng) 供稿）
圖7 用途將擴(kuò)大至窗簾、壁紙、地毯、服裝。
