中古機械回收-可折疊太陽能電池 “透明紙”將改變電子元器件未來

中古機械回收-可折疊太陽能電池 “透明紙”將改變電子元器件未來
日本大阪大學産業科學研究所副教授中古機械回收能木雅也開發出了一種“透明紙”，該産品具有塑料薄膜及薄板玻璃等材料不具備的出色特性。能木副教授爲了充分利用其特性，還開發出了又輕又薄、可折疊至很小的太陽能電池。此項研究的最終目標是確立可在該透明紙上設置最尖端電子部件的印刷電子技術，從而創造出既輕又柔軟的新一代電子元器件。

可與芳綸纖維匹敵的高“強度”

“雖然乍看起來像薄膜，但事實上卻是一張透明紙。如果單單是透明、材質便宜，人們只會認爲‘這個東西很有意思’，但該透明紙卻具有塑料薄膜和薄板玻璃等材料不具備的出色特性。”

能木雅也副教授在展示一張看起來沒有廢五金回收任何與衆不同之處的透明薄紙時，得意地這樣說道。

這種透明紙利用“纖維素納米纖維”制成，纖維素納米纖維是一種直徑爲15納米的纖維，是對普通的非透明紙材料纖維素進行細化加工而成，粗細僅爲原來的千分之一、。

纖維直徑爲納米級的纖維素納米纖維具有相當高的“強度”，可媲美號稱最強合成纖維、用于防彈背心的芳綸纖維，還具備極低的“熱膨脹率”，可與高純度石英玻璃相匹敵。

能木副教授認爲，如果使用這種纖維素納米纖維制作透明紙，或許可應用于“印刷電子”這一最尖端的電子領域。例如，能夠制造出可折疊至很小、方便搬運、可在任何場所發電的太陽能電池等實際産品。

印刷電子是指嘗試利用印刷技術制造液晶顯示器、有機EL顯示器及太陽能電池等電子元器件的電子技術。作爲可實現節能及削減成本的技術而備受期待，目前已在部分領域開始應用。

例如，制造半導體時，目前通常使用“光刻”這種方法。即以真空狀態，在500～800℃的高溫下將材料層疊在基板上，然後削除不要的部分。而如果使用印刷技術，就可在200℃左右的低溫下，只在基板所需的位置塗布材料。因此不會浪費材料，還可節能、削減環境負荷以及降低成本。並且，如果基板使用較薄且可彎曲的材料，還可實現電子元器件的柔性化及輕量化。還易于實現大面積化。

不過，難以直接使用原有的塑料薄膜。這是因爲其耐熱溫度低于200℃，而且熱膨脹率較高。以納米單位精密地印刷電子電路和元件時，如果熱膨脹率較高、伸縮幅度較大，進行調整的難度就會相應提高。

而透明紙的熱分解溫度與普通紙張一樣，約爲230℃，比塑料要高，而且透明紙的熱膨脹率與石英玻璃相當。因此透明紙可與現有玻璃基板一樣，放在生産線上進行加工。並且，纖維素納米纖維之間能以極高的密度形成氫鍵，因此透明紙具有可與碳纖維強化塑料相匹敵的高“彈性模量”，也就是說具有不易變形的特性。

總之，透明紙可以解決塑料薄膜存在的所有課題。並且與玻璃相比，又輕又薄，還不易碎。還可折疊成很小，方便攜帶。

關于透明紙的特點，能木副教授解釋說：“就相當于利用木材制作出了可折疊的薄板玻璃。”

無縫隙層疊纖維素納米纖維

能木副教授産生使用纖維素納米纖維制作透明紙的想法是在2007年前後。

紙原本是指“電子零件回收從木材等植物中提取纖維素纖維，經過敲打梳理，使其分散在水中，然後利用金屬絲網等進行過濾，使其鋪展開來，以便平整地層疊在一起，最終瀝幹水分後制成的片狀物”。

纖維表面存在帶負電荷的羟基，紙基本上就是通過這種羟基相互結合形成氫鍵而制成的。纖維之間並不是相互纏繞，而是通過氫鍵附著在一起。敲打梳理纖維是爲了加大比表面積，增加相結合的羟基數量。

通常情況下，紙材料所用的纖維直徑約爲15微米。層疊這種纖維後，纖維之間會形成無數的細小縫隙，從而形成多孔結構。這樣會導致光散射，因此紙張是不透明的。換個通俗的說法，這與沒有空氣進入的冰是透明的，而含有大量空氣的刨冰是白色的是一個道理。

能木副教授就著眼于這一點。他的思路是，如果密密麻麻無縫隙地層疊比光波長還微細的纖維素納米纖維，就不會發生光散射，因此應該可以制作出透明紙。結果和預期一樣。2008年，能木副教授成功制作出了透明紙。

順便一提，從2003年到2009年，能木副教授在日本京都大學生存圈研究所矢野浩之教授的研究室作研究員，在這期間，他與同事阿部賢太郎助教成功地以機械方式提取出了纖維素納米纖維。

能木副教授的專業是研究樹木的林産學，在學生時代就曾到印度尼西亞等地的熱帶雨林進行過實地考察。他正式開始研究纖維素納米纖維是在2003年進入京都大學以後。

開發可折疊的太陽能電池

能木副教授成功制作出透明紙後，于2009年11月進入大阪大學産業科學研究所，在專攻尖端安裝材料的菅沼克昭教授的研究室任助教。2010年，作爲透明紙的實用事例，在該研究所辛川誠助教的協助下，開始著手制作有機薄膜太陽能電池。

有機薄膜太陽能電池是實用化備受期待的新一代太陽能電池，正如其名字所示，在光電轉換層采用了有機化合物。由于以薄膜爲基板，可使用印刷技術方便地進行制造，因此與以往的結晶矽型太陽能電池相比，不僅能降低生産成本，而且還具有又輕又薄、並可彎曲的特點。因此，應用範圍相當廣，可進行各種設計加工。

實際上，能木副教授在制作出透明紙時，還就制作太陽能電池，向幾位有機薄膜太陽能電池研究人員進行了咨詢。但並沒有得到爽快的答複。

他們的意見是，全球正在推進以塑料薄膜爲基板的研發，爲了提高能源轉換效率，研發競爭日益加速，在這一背景下，爲什麽要特意去使用毫不熟悉的新材料呢?

能木副教授回顧說：“辛川助教和我一樣，同是農學系畢業，學的都是林産學專業。以前雖然曾在學會上見過面，但萬萬沒有想到他會在大阪大學的産業科學研究所，從事有機電子材料的研究。有次在走廊碰見時，禁不住和他說：‘我想用透明紙作基板，制作有機薄膜太陽能電池，你來幫我吧。’他隨即就表示，‘似乎很有趣。一定幫忙’。他之所以欣然同意，正是因爲他熟知纖維素納米纖維的特性。我真幸運啊。”