議題背景:

隨著太陽能電池的技術發展,新世代太陽能亦逐漸出現在科技產業的報導中,但相較於目前臺灣主要採用的矽基太陽能電池,一般公眾對新世代太陽能電池的技術認識更為不足,隨著未來太陽能將逐漸成為綠能的主力,我們該如何理解與認識新的太陽能電池技術?

2020年01月30日
台灣科技大學材料科學與工程系副教授 張志宇

Q1. 什麼是新世代太陽能電池?常聽到的薄膜太陽能電池、鈣礦鈦太陽能電池、染料敏化太陽能電池、多接面太陽能都是新世代太陽能電池嗎?又跟原本的太陽能電池有什麼不同?

新世代太陽能電池泛指有別於傳統矽基為主之新型薄膜太陽能電池元件,其中鈣礦鈦太陽能電池、染料敏化太陽能電池都是其中的代表。矽基太陽能電池儘管具備優異光電轉換效率、高穩定度等優點,但其製程繁複,且普遍需要高溫處理與大量化學溶劑,導致生產極為耗能且會產生大量汙染物。不僅如此,矽基太陽能電池材質厚重且易碎不可撓曲,不適用於新穎軟性元件。當考量元件透光特性部分,矽基材質本身並不透光,因此無法應用於半透明太陽能電池。這些因素都將大幅限制矽基太陽能電池之未來發展性。

Q2. 新世代太陽能的優缺點是什麼?如果因為矽基太陽能板具有技術穩定、成本逐步降低的優勢,而成為目前臺灣使用太陽能板的主流,為什麼我們要發展這些不同的太陽能電池?

如前所述,儘管矽基太陽能電池具備部分優勢且已商業化,但受限於製程過於繁複、元件多厚重不利攜帶、易碎且不可撓曲,限制這類型元件之未來應用性。因此,發展輕薄、易攜帶、可撓曲之新世代太陽能電池,為近年來發展太陽能光電之主要目標。

Q3. 媒體上提到的透明太陽能電池、軟性太陽能電池跟我們說的新世代太陽能電池有什麼相同或不同之處?可以應用在那些地方呢?

新世代太陽能電池主要特色即為可透光與可撓曲,這些特性將大幅拓展新世代太陽能電池之應用性。舉例來說,軟性可撓曲太陽能電池可應用於穿戴式裝置或是無人機,實現輕薄且簡易發電的獨特優勢。可透光太陽能電池則可應用於發電玻璃,當鋪設於大樓或是車窗上,可達到兼具遮陽、隔熱與發電的多重功效。

Q4. 相較於矽基太陽能電池,新世代太陽能電池會更容易受天氣影響嗎?或有更好的氣候適應能力?

傳統矽基太陽能電池可吸收寬廣波長範圍之光子、進而轉換為電能,易受到天氣或環境影響,進而影響其光電轉換效率。相對來說,有機與鈣鈦礦系列之新世代太陽能電池集中於可見光範圍吸收光子,較不易受到天氣或環境影響。有機與鈣鈦礦太陽能電池已被證實可於室內弱光環境下展現高光電轉換效率,可與物聯網技術整合,開啟更多應用性。

Q5. 若台灣要推動新世代太陽能的商業化,以目前的情況而言,我們還面臨那些挑戰?

目前新世代太陽能商業化的三大難題來自於長期穩定度、建立量產化製程以及適當回收技術。要提升長期的穩定度,除了開發新穎材料之外,封裝技術為其中的關鍵,因此部分研究單位致力於高阻氣封裝薄膜之研製。不同於傳統矽基太陽能電池,僅需採用價格低廉之高分子薄膜封裝即可達到高穩定度,新世代太陽能電池所採用的材料普遍易氧化或潮解,因此封裝薄膜需要具備更高的阻氣性。舉例來說,多層堆疊結構的高分子/無機薄膜可兼具優異阻氣性與撓曲性,近年來已有部分材料與設備廠商投入相關技術的研發。至於建立量產化製程部分,則有賴先進塗佈技術之開發。舉例來說,刮刀塗佈(doctor blade coating)或是狹縫塗佈(slot-die coating),都是備受關注的技術,其優勢在於可利用低成本溼式製程製備高均勻薄膜,達到幾近百分百的材料使用率,並可相容於捲對捲(應用在軟性整捲材料的印刷技術)大量生產製程。國內多家廠商於精密塗佈技術領域已深耕多年,未來可望在相關產業扮演關鍵供應鏈的角色。至於回收技術的部份,目前仍尚未有明確定論。

Q6. 現今因為大量鋪設矽基太陽能電池,政府已著手準備未來大量除役回收的問題;要回收新世代太陽能電池,可以使用與回收矽基太陽能電池相同的技術,並製作成其他產業可使用的二次料,或是重製成新的太陽能電池嗎?抑或我們需發展新的回收技術?

如前所述,新世代太陽能電池的回收技術目前並未受到關注,相關回收策略方針與技術仍亟待開發。但隨著元件穩定度與製程技術逐漸改善,此議題之重要性將與日俱增。有鑑於新世代太陽能電池之材料大多無法重新再製,亦無法隨意掩埋。可預期的是必須發展嶄新的回收技術,方能解決此關鍵問題。

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