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,但相較臺灣目前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10日
中央大學新世代光驅動電池模組研究中心與化學系助理教授 陳家原

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?

所謂的新興/新世代太陽能電池(Emerging Photovoltaics or New-Generation Solar Cells)包含的項目眾多[1] ,如染料敏化(Dye-Sensitized)、鈣鈦礦(Perovskite)、有機薄膜(Organic Thin-Film)[2] 、銅鋅錫硫化合物薄膜(CZTSSe)、以及量子點(Quantum Dots)等[3] 。對比以往技術如矽基、砷化鎵、碲化鎘等,新世代太陽能電池具以下六項共同特色:

(1)發展歷程較短,如鈣鈦礦電池研究發展時程至今僅10年,其餘電池技術則未滿30年。
(2)主要吸光層材料厚度可薄至數十奈米到數十微米之間,利於節省材料。
(3)材料的可調變性高,用以塗佈各層薄膜之溶液濃度、薄膜厚度與組合方式等細節,皆能輕易調整。絕大多數材料可以回收再用,兼具節省成本與環保之優點。
(4)元件具可撓曲性。有別於傳統矽晶,為了保護電池元件,常選用玻璃或鋁板作為底板;新元件能將各層材料依序塗佈於可彎曲的基板上,如塑膠、金屬薄片等。
(5)新世代製程達節能減碳之效。至於傳統結晶矽基太陽能電池,則需1400度以上之高溫熔化原料。
(6)光電轉換效能良好。目前經過驗證的最佳效能介於12.3%~25.2%[4]

因上述材料用量少、製程耗能低、光電轉換效能良好等優勢,其能源回收期(Energy Pay-Back Time,EPBT)估計約1至2年,優於需要2至3年的多晶與單晶矽太陽能電池。

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?

新世代太陽能電池具材料選擇性高、使用量低、製程節能環保、製造成本低、色彩多樣、具可撓曲性、質輕等優點。另外,新世代太陽能電池於室內照明條件下,具高光電轉換效能(目前文獻報導最高達28.9%)[5] ,明顯優於傳統矽晶電池效率(約11%)[6] 。目前模組化效能與長時間穩定性仍待改善。

發展新世代太陽能電池,主要目的為創造更進一步提高效能[7] ,降低製造成本同時節能減碳,拓展應用性與普及率,促進我國製造業轉型與升級的機會。此外,新材料與製程的研究經驗和成果有助於新學理的建構[8] ,為未來嶄新技術與科技產業的發展帶來優勢。

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?

單以材料而言,組裝完成的矽基太陽能電池本身無毒,即便產生破損,也不會釋放出任何高毒性物質。但在提煉高純度矽材時,會產生大量一氧化碳;進行摻雜(Doping)與蝕刻,分別需要使用氧氯化磷(Phosphorus Oxychloride,POCl3)與氫氟酸(Hydrofluoric Acid,HF)等不利於環境的物質。

事實上,矽基半導體的製程同樣需要上述物質。矽基半導體對於矽的純度要求,也較太陽能電池應用高了三個等級(9N9 vs. 6N9)。目前,無論是太陽能電池或半導體應用,有關於矽材提煉與後續製程,均要求與合法的廢棄物處理廠商配合,依法進行廢棄物處置。

至於新世代太陽能電池使用的材料,目前高效能的鈣鈦礦太陽能電池含有重金屬鉛(Pb),另外量子點太陽能電池也可能含有鉛,亦或是重金屬鎘(Cd)與有毒的無機硒(Se)。儘管新世代太陽能電池的材料使用量很低,如前文所述,厚度僅為數十奈米至數十微米的薄膜,仍有人對此產生疑慮。因此,科學家們正致力於開發不含上述有毒元素的高效能、高穩定性新世代太陽能電池。另以製程來看,許多新世代太陽能電池均採溶液製程(Solution Process),使用溶劑溶解材料進行塗佈,大幅降低其製程難度與製造成本,所以需留意有機溶劑之使用、回收與再利用。

對比於矽基太陽能電池而言,新世代太陽能電池製程中產生的可能汙染物質相對低很多。關鍵點在於使用的材料十分有限,如上述的薄膜狀態。若與化石燃料相比,新世代太陽能電池是較潔淨的再生能源技術。

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?

答案是肯定的。臺灣有眾多學術研究團隊,長期深耕染料敏化、鈣鈦礦、有機薄膜太陽能電池的材料和製程研發。特別是染料敏化太陽能電池領域,我國有世界名列前茅的高效能、高穩定性材料,且皆有發明專利。至於鈣鈦礦與有機薄膜太陽能電池領域,我國亦掌握具國際競爭力的新材料與製程技術,同樣有專利權。

另外,新世代太陽能電池的室內應用方面,在科技部的大力支持下,我國目前有世界第一的學術論文發表數、室內照明條件下的電池效能評價技術,以準確量測弱光照射下的電池光電轉換效率。這些豐碩、亮眼的研究成果,將可具體協助我國業界進行大規模商業化,目前已有國內廠商投入材料和電池產品的設計研發。

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?

對比於矽基太陽能電池,大多數新世代太陽能電池均採溶液製程,以大幅降低其製程難度與成本,其回收相對容易許多。特別是針對主要吸光層材料,可利用上述特點,以有機溶劑進行溶解萃取,並接續進行純化,再利用於製造新的電池。處理過程使用的有機溶劑,亦可回收處理循環再用,其回收再生所需的能源也低於矽基太陽能電池。綜上所述,新世代太陽能電池比傳統矽基太陽能電池更利於資源再用、環境維護與永續發展。

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?

誠如上文,採用溶液製程的情況下,電池內包含的混合式材料,可透過使用不同溶劑有效進行溶解、萃取及純化。若有國家政策協助明定相關法規要求,材料的回收循環再生將更為容易。至於材料生產更是沒問題,因為幾乎是先個別生產,才於組裝電池過程進行混合。

註釋:

[1] 此分類依據美國國家可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)<太陽能電池光電轉換效率紀錄報導>。
[2] 「薄膜太陽能電池」包含新世代太陽能電池,以及非晶矽、碲化鎘與銅銦鎵硒太陽能電池;新世代太陽能電池與後面三者之殊異,在於發展歷程短、材料內含有機化合物。
[3] 部份專家認為「多接合型太陽能電池」(Multi-Junction Solar Cells)亦可歸屬為新世代太陽能電池。其效能明顯優於其它太陽能電池,目前最高可達47.1%),但電池結構與製程十分複雜,連帶使製造成本極高,現階段僅適用於太空及軍事用途。
[4] 相關數據來源同註[1]。
[5] M. Freitag, J. Teuscher, Y. Saygili, X. Zhang, F. Giordano, P. Liska, J. Hua, S. M. Zakeeruddin, J. E. Moser, M. Grätzel and A. Hagfeldt, (2017). “Dye-sensitized solar cells for efficient power generation under ambient lighting.” Nature Photonics  11: 372–378.
[6] C. Y. Chen, T. Y. Kuo, C. W. Huang, Z. H. Jian, P. T. Hsiao, C. L. Wang, J. C. Lin, C. Y. Chen, C. H. Chen, Y. L. Tung, M. C. Tsai, K. M. Huang, C. M. Chen, C. W. Hsu, Y. C. Chen, Z. Pei, Y. S. Tingare, H. H. Chou, C. Y. Yeh, C. Y. Lin, Y. L. Lee, H. W. Lin, H. F. Meng, P. T. Chou and C. G. Wu, (2020). “Thermal and angular dependence of next-generation photovoltaics under indoor lighting.” Progress in Photovoltaics Research and Applications  28: 111–121.
[7] 針對光電轉換效率,已有成功先例:鈣鈦礦與單晶矽雙結合型(Tandem)太陽能電池目前的最高效能達28.0%。此數值已超越目前市場主流:多晶矽與單晶矽太陽能電池可達最高效率(分別為22.8%與26.7%),且更勝於聚光型結晶矽太陽能電池的效能(27.6%)。
[8] 新世代太陽能電池中,鈣鈦礦電池的最佳效能之所以能在短短10年內突飛猛進,由原先經認證的紀錄值14.1%大幅提高至目前的25.2%,除了材料具優異吸光能力與快速電子遷移率等本質條件外,關鍵點在於科學家們先前研發染料敏化與有機等薄膜太陽能電池時,累積的經驗與技術。

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