廣島大學成功開發了一項可作為有機薄膜太陽電池(OPV)發電材料,並將合成成本降低至過往約3分之1的「p型半導體聚合物」。除了高成本效益外,新材料亦還兼具高能量轉換效率與耐久性。
由於OPV不含鉛等重金屬,因而在環境面上漸受關注。然而,要提升OPV的轉換效率,其發電材料往往具有複雜的化學結構,合成過程須經15~20個步驟,甚至更多。若再加上反應條件與精煉方式需要特殊設備,導致成本居高不下。
廣島大學聚焦於含有噻唑並噻唑(Thiazolothiazole)結構的聚合物「PTz3TE」,並透過精密的分子與合成設計,使中間體的精製更為簡化。最終廣島大學僅以7個步驟即完成了p型半導體聚合物的合成,步驟數量減半,同時省略了「須在零下數十℃進行的低溫反應」及「仰賴管柱層析法(Column Chromatography)的精煉」等流程,進一步降低成本。
此外,對於評估有機半導體合成難易度的定量指標「合成複雜性(Synthetic Complexity; SC)」,研究團隊提出將低溫反應納入考量的「mSC」指標,並以此指標進行合成難易度的定量化。結果顯示,與既有高效能半導體聚合物相比,PTz3TE的合成成本可降低約3分之2。
研究團隊以PTz3TE製作OPV元件後,進一步達到了最高18%的能量轉換效率。且在耐久性測試中,即使在65℃環境下存放超過2,000小時,其性能亦幾乎未見衰退。
今後廣島大學將進一步投入於低成本且高效率之n型有機半導體的開發。唯目前新材料在成膜過程仍須使用含鹵類溶劑,相關改善亦是後續的重要課題。