日本廣島大學的尾坂格教授與大阪大學、京都大學、千葉大學、高輝度光科學研究中心組成的聯合研究團隊，開發出了含氟原子的獨特半導電聚合物。研究發現，製作有機薄膜光伏電池時塗覆這種半導電聚合物，可以提高輸出電壓和能源轉化效率（將太陽能轉換爲電力的效率）。另外還查清了氟原子在半導電聚合物化學結構中的位置是如何影響半導電聚合物的性質和有機薄膜光伏電池的特性的。
可透過在塑膠基底層上塗覆該類半導電聚合物形成薄膜的方法製作有機薄膜光伏電池，由此能降低生產成本並減輕環境負荷，而且容易實施大面積化。此外還具有輕量化、柔軟性、透明性和室内光下擁有高轉化效率等優點。因此作爲新一代光伏電池備受關注，有望開拓目前常見無機光伏電池難以實施的用途，比如IoT感測器、行程和可穿戴電流源、光伏窗戶、塑膠大棚電流源等。不過，提高能源轉化效率是有機薄膜光伏電池實用化面臨的最重要挑戰，爲此必須開發新的半導電聚合物。
廣島大學研究團隊以前曾開發過當時全球最高水平轉化效率的半導電聚合物「PNTz4T」（圖1A），聯合研究團隊嘗試在其中導入氟。此前雖然已經在PNTz4T的A位置（圖1A）導入了氟，但未在量子化學計算顯示更加有效的B位置導入（圖1B）。此次結合大阪大學的研究團隊利用其他化合物開發的最新氟導入技術，除A位置外，在B位置（圖1A）也成功導入了氟。
圖1 （A）PNTz4T的化學結構與氟的導入位置。（B）透過量子化學計算解析得到的PNTz4T的分子軌域分佈（上爲LUMO，下爲HOMO）。LUMO相對存在於B位置，HOMO存在於A位置。
要想提高有機薄膜光伏電池的轉化效率，半導電聚合物與富勒烯類衍生物分子軌域能量的配對分組非常重要。量子化學計算顯示，僅在A位置導入氟時，分子軌域的HOMO（最高佔據分子軌域）會向低能階行程。因此與有機薄膜光伏電池電壓相對應的分子軌域能階差（ΔEHL）會增大，有助於提高效率（圖2）。但問題是與電流相對應的能量（Eg）會增大（Eg越小，電流越高）。而在B位置導入氟時，預計分子軌域的LUMO（最低未佔用分子軌域）會向低能階行程。因此，聯合研究團隊開發了A和B位置都含氟的半導電聚合物（F2-F2），並利用千葉大學研究團隊自主開發的光電子能譜量測裝置對分子軌域能階進行了精密解析，發現HOMO和LUMO均向低能階行程，ΔEHL增大，Eg保持不變（圖2）。
圖2：分子軌域（HOMO和LUMO）的能階在半導電聚合物和富勒烯類衍生物中的關係
在PNTz4T中導入氟後，HOMO和LUMO的能階發生變化。在A位置導入氟，僅HOMO的能階降低，ΔEHL增大，因此電壓升高；但由於Eg也增大，電流降低。在A和B兩個位置均導入氟的話，HOMO和LUMO的能階均降低，ΔEHL增大，Eg保持不變。
論文資訊
題目：Impact of Non-Covalent Sulfur–Fluorine Interaction Position on Properties, Structures, and Photovoltaic Performance in Naphthobisthiadiazole-Based Semiconducting Polymers
期刊：《Advanced Energy Materials》
DOI：10.1002/Aenm.201903278
文：JST客觀日本編輯部翻譯編輯
