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12日
臺灣大學化學工程學系助理教授 闕居振

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?

新世代太陽能電池有別於傳統矽晶太陽能電池,乃利用各種新式半導體取代矽晶作為光吸收(活性)層,如:共軛高分子及有機/無機混成鈣鈦礦等化合物。其電池的組成架構雖然與傳統矽晶太陽能電池相似,但由於此類新式光活性材料具有可溶液(或印刷式)加工的特性,可透過溶液塗佈或印刷塗佈(如印表機列印的概念)製備,使得新世代太陽能電池具有較傳統矽晶太陽能電池更為簡便的元件製程,不需消耗大量的能量與經過繁瑣的步驟,更適合於大規模生產與發展具有輕便、柔性等特性的電池元件,更易與軟性電子之發展進行結合。目前常聽到的有機薄膜太陽能電池、鈣礦鈦太陽能電池、有機或鈣鈦礦多接面太陽能電池等皆屬新世代太陽能電池。

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?

新世代太陽能電池目前在效率、穩定性以及耐久度上與矽晶太陽能電池相比,仍有很大的進步空間。但相較於傳統矽晶太陽能電池,新世代太陽能電池具有低成本溶液製程、較佳的可彎曲性(可製備於柔性基材上)、高半透光性、良好的輕薄性與單位重量下的高發電功率(>10 W/g;矽晶太陽能電池:< 1 W/g)[1] 等特性,在應用上能比傳統矽晶太陽能電池更多元、更全面,適合於發展具有不同功能性的太陽能電池(如透明電池,可3D列印電池,建築整合太陽能電池等),在商業應用上也被預期有相當可觀的市場及利潤。因此近年來吸引產業界與學界投入大量的資源研究。

Q3. 許多人認為矽基太陽能有毒、在製程上有汙染,新世代太陽能電池會不會也面臨這些問題呢?

新世代太陽能電池目前其實也面臨了相似的問題。雖然新式光活性材料具有可溶液(或印刷式)製程的特性,但於製程的過程中,目前所使用的溶劑,絕大多數還是屬於有毒溶劑,若大規模生產,會對環境造成相當大的威脅。近期快速發展的鈣礦鈦太陽能電池,鈣鈦礦材料含鉛也具有環境汙染的風險。但有鑑於新式光活性材料的材料結構具有高度可調控性、具有可溶液(或印刷式)加工的特性,光活性層的材料組成也具有高度調控性(即多樣化的混摻組合),所以許多科學家正努力改善光活性材料的結構與光活性層的組成,使其可用較友善環境的溶劑(如:非鹵素、非芳香族溶劑)來加工,或發展無鉛的鈣鈦礦材料。使得新世代太陽能電池在永續發展上具有更高的可能性。

Q4. 以目前的技術而言,臺灣的新世代太陽能電池是否有商業化的潛能?

臺灣學術界中目前有許多優秀的研究團隊投入新生代太陽能電池的研究。例如,中央大學新世代太陽能電池研究中心引進許多尖端新式太陽能電池檢測,幫助產學界測定新式太陽能電池的效率與各種參數,為未來的商業化作準備。於業界方面,臺灣目前有一家公司──天光材料科技致力於開發有機薄膜太陽能電池,其公司所製備的電池效率曾經登上「美國國家再生能源實驗室效率驗證表」(NREL Efficiency Chart)[2] ,具有世界級的電池製備技術。雖然目前臺灣新世代太陽能電池的發展離大規模商業化還有一段不小的距離,但透過產學界雙方面的合作,未來應該能夠在一些特定的領域中,商業化具有特定功能性的太陽能電池。

Q5. 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?

電池回收除符合循環經濟的利基之外,也能大幅降低對環境造成的威脅。然而,有鑑於新世代太陽能電池在材料與製程上與矽基太陽能電池有著根本上的不同,發展新的回收技術乃是必要的。未來,將根據新世代太陽能電池的不同應用,相應發展不同的電池回收技術。由於新式太陽能電池尚未大規模商業化,目前於產學界中尚未有針對此類電池回收的具體發展。此方向將為新世代太陽能電池商業化後之重點發展方向。

Q6. 以目前太陽能電池的相關發展來看,混合不同材料、盡可能捕捉太陽光能與熱能,以提高太陽能電池轉換效率的技術,成為未來技術發展的重要方向,這些混合性材料的生產或回收循環,是否會有困難?

如前述,新世代太陽能電池在光活性材料上具有高度的材料結構與光活性層組成的調控性。以有機太陽能電池為例,非富勒烯(即非碳60衍生物)電子受體(具有非對稱的結構,因此具有較強的吸光性)成功地取代傳統富勒烯電子受體,使得電池元件的效率具有了突破性的發展,開啟了有機太陽能電池的新時代。然而,目前有機光活性材料的生產成本仍高,如何透過分子設計降低材料生產/回收成本與發展對環境友善的光活性材料,仍處於研究階段。對於有機混合性材料的回收循環,目前相關的研究也不多,為一具高度挑戰性的研究課題。對於鈣鈦礦太陽能電池而言,目前主要的挑戰仍在於如何發展一有效的鉛回收技術,若能成功回收鉛,不但能降低成本,也能降低其製程對於環境所造成的威脅。目前有科學家們師法鉛蓄電池中的鉛回收經驗與技術,希望加速鈣鈦礦太陽能電池的永續發展。

註釋:

[1] Kaltenbrunner, M., Adam, G., Głowacki, E. D., Drack, M., Schwödiauer, R., Leonat, L., Apaydin, D. H., Groiss, H., Scharber, M. C., White, M. S., Sariciftci, N. S. & Bauer, S. (2015). “Flexible high power-per-weight perovskite solar cells with chromium oxide–metal contacts for improved stability in air.” Nature Materials.
[2] 只要廠商或研究單位認為所製備的元件有機會達到該太陽能電池領域的最高效率,就可以向美國國家再生能源實驗室效率認證中心接洽,提供欲認證的元件,由認證中心量測。因此登上量測表意味,已達成該太陽能電池領域的最高效率。

版權聲明

本文歡迎媒體轉載使用,惟需附上資料來源,請註明新興科技媒體中心。
若有採訪需求或其他合作事宜,請聯絡媒體公關:

曾雨涵

haharain331@rsprc.ntu.edu.tw
02-3366-3366#55925