隨著政府推動再生能源政策,民眾也越來越有機會在生活周遭看見太陽能電池,也就是俗稱的太陽能板[1] ,屋頂、不利耕作農地、水庫等等,都是現有太陽能發電的案例。我們常見的太陽能電池都是以矽做為主要的吸光層,用來吸收太陽光,轉換為電力的矽基/矽晶太陽能,也因為矽基太陽能技術發展相當成熟、光電轉換率最高可達到26.7% [2] 、製造成本大幅下降(延伸閱讀可參考:太陽能模組成本降低原因評估研究專家意見)成為目前主流裝設太陽能的類型。

既然已經有成熟的太陽能技術,為什麼還需要發展新世代太陽能電池呢?新世代太陽能電池又是什麼?現在發展技術到哪裡?會不會有污染的問題?可不可以回收?新興科技媒體中心邀請中央大學新世代光驅動電池模組研究中心與化學系陳家原助理教授臺灣大學化學工程學系闕居振助理教授台灣科技大學材料科學與工程系張志宇副教授三位專家,回答關於新世代太陽能的提問。

專家們提到新世代太陽能電池是一個總稱,指的是具有下列幾項特點的太陽能發電技術:(1)發展歷程短、(2)吸光層材料僅數十奈米到數十微米、(3)容易調整吸光層材料的組合達到不同的效果、(4)可以製作在柔性基板上、(5)製程比矽基太陽能節能。由於新世代太陽能的種類眾多,因此多直接以吸光層材料為名,例如染料敏化(Dye-Sensitized)電池,就是以染料做為吸光層與光敏化材料,以強化半導體吸光能力的太陽能技術。(延伸閱讀:(上篇)新世代太陽能電池──專家QA

傳統矽基太陽能雖然穩定,但因為矽晶片可以輕易用手折斷,需要厚重的玻璃、鋁板保護;為了有穩定的戶外光電轉換率,也必須維持矽晶片深色的外觀,而使太陽能裝設位置與應用範圍受限。新世代太陽能的吸光層因為多是可採用化學溶液塗佈的有機材料,製程成本低、可彎曲性、透光性佳、且質地輕薄,在同樣單位重量下,發電功率高於矽基太陽能,更可能靈活發展具有不同功能性的太陽能,例如透明太陽能電池、可用室內光源充電的太陽能電池等等。(延伸閱讀:(中篇)新世代太陽能電池──專家 QA

目前臺灣有許多學術團隊,長期致力研究新世代太陽能的材料與製程;但新世代太陽能要邁入大規模商業化,仍需克服兩大挑戰——提高長期發電的穩定度與建立量產化製程。一如前述提到,新世代太陽能的吸光層大多含有機材料,因此需要比矽基太陽能更密閉阻氣性更高的封裝材料與技術,這也是增加長期穩定度的關鍵。另一方面,發展低成本、材料利用率高、均勻的塗佈技術,是建立量產化製程不可或缺的要素,雖然國內有廠商致力於精密塗佈的技術,但仍有賴未來產學更進一步的合作。(延伸閱讀:(下篇)新世代太陽能電池──專家 QA

由於現有鋪設的太陽能發電設備皆為矽基太陽能,政府已著手規劃回收太陽能的法規與機制,並開始課徵回收基金(延伸閱讀:太陽能板好不環保?!太陽能板除役進行式)。但新世代太陽能的製程與材料與矽基完全不同, 無論是以有機溶劑溶解萃取吸光層並純化,或是發展新的回收技術與策略,這都是未來新世代太陽能大規模商業化時,必須考量的問題。

此外,矽基太陽能的矽晶片、封裝完成的太陽能電池本身無毒,但製程或是回收時分離貴金屬的程序,都須有機溶劑的協助,如何更妥善的管理回收有機溶劑,降低有機溶劑對環境的風險,是矽基太陽能與新世代太陽能兩者皆需面對的挑戰。

註釋:

[1] 太陽能板與太陽能電池是翻譯與慣用文字的差別,指的是相同物品,原文是solar cell。

[2] 此光電轉換率數據來自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〉。(2020/04/01查閱)。當研究室或廠商認為自己所製造的太陽能電池,可以在該領域有最高的光電轉換率時,可以將成品提供至美國國家可再生能源實驗室等具國際公信力的單位進行檢驗,若驗證後屬實,就會記錄到〈太陽能電池光電轉換效率紀錄報導〉。

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曾雨涵

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