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太陽能電池的新衣

2015/12/05 經濟部能源局 點閱人次: 545

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撰文/郎若帆(台灣經濟研究院 副研究員) 整理/鍾嘉雯 圖片提供/《光連雙月刊》

太陽能電池中,鈣鈦礦電池號稱製造成本低、應用廣泛,其光電轉換效率也有許多發展空間,但在安全性與穩定性上還有許多待解決的問題。鈣鈦礦電池配方中含有毒性物質-鉛,若能研發出安全的封裝技術,並在轉換效率與發電穩定性上有所突破,則極有可能與主流的矽電池一較高下。

近年來,鈣鈦礦電池在矽電池主流的太陽能電池市場中異軍突起,除了製造成本低、應用廣泛,光電轉換效率更是急起直追。

低溫又低價的鈣鈦礦

鈣鈦礦(CaTiO3,泛指具有ABX3 晶體的結構物質)在太陽能電池市場的出現,有其受矚目的理由。鈣鈦礦的成份來源相當充裕,研究人員可輕易把這些成份結合,並製造出具有高度結晶化結構的太陽能薄膜。除此之外,鈣鈦礦電池的製作過程可在低溫下進行且成本低廉,這種薄且具彈性的材料,不像矽晶圓又厚又硬,未來可由特殊印刷機製造出重量極輕、可撓曲,甚至是具有各種色彩的超薄太陽能板和鍍膜。

目前已知性能最佳的矽電池效率僅為25.6%。太陽能電池為何無法把陽光中的能量全部轉換成電能?鈣鈦礦又為何很有希望超越矽的紀錄?以下將為讀者解說。

太陽能電池的能量轉換

太陽能電池材料中的電子各自位於所屬的原子中,光照之前,沒有電流流動,但陽光照射到電池時,就可能使電子釋出。這些受激發的電子具有能量,歪歪斜斜地在晶格中四處遊走,最後從太陽能電池的一端離開,形成有用的電流。電子可能在遊走途中遇到障礙物或陷阱,使能量轉換成熱能後散逸,晶格品質越好,使電子脫離行進路徑的缺陷就越少。矽電池通常需要加熱到攝氏900度以上,以去除這些缺陷,鈣鈦礦的製程僅需攝氏100度左右,因此鈣鈦礦電池受激發時,電子攜帶的能量與矽電池差不多,但製程卻方便許多。

太陽能電池把陽光中的能量轉換成電能的效率是有極限的。電子受激發所需的最低能量稱為「帶隙」(bandgap),陽光中包含各種波長的光,但只有特定波長可讓電子跨越帶隙,帶隙越低,電池可吸收的陽光光譜範圍越大,但每個電子攜帶的能量也越低。矽的帶隙固定而且不算理想,仍然是太陽能產業的主流,這是因為我們已經相當清楚如何有效率地製造矽的相關產品。如果要發展鈣鈦礦電池,可以調整成份比例,藉以改變帶隙,提高效率,也可以把帶隙不同的鈣鈦礦電池疊在一起。某些預測指出,雙層鈣鈦礦電池的效率可望達到46%,突破目前33%的極限。

此外,科學家也期待鈣鈦礦帶來一些創新。如改變化學比重,可製造出帶有柔和淡黃色或深紅色的太陽能電池;或者在玻璃片上執行沉積程序時,使鈣鈦礦呈塊狀分布,製造出不透明、透明或半透明的薄膜。與堅硬、不透明的藍黑色矽電池相比,五彩繽紛的鈣鈦礦太陽能薄膜,用來設計天窗、窗戶和建築立面,不僅用來隔熱,減少冷氣用電,還可轉換成電能提供電力。

商業化願景的挑戰與契機

然而,要量產至可以商業化,鈣鈦礦還有漫長的路要走。實驗室和新創公司必須努力提升電池尺寸,還要滿足3項必要條件:確保太陽能電池可穩定發電數十年、設計出讓消費者可安心裝設的產品、讓鈣鈦礦電池的轉換效率一舉超越矽電池。

業界大多把太陽能板的保用期限訂為25年,相當於持續在充足陽光下運作54,000小時,找出溫度範圍大、使用時間長的高效率防水層是相當重要的任務。另外,鈣鈦礦電池需要妥善封裝,以隔絕水份,而鈣鈦礦的配方中含有少量的鉛,鉛是毒性物質,市場會特別要求鈣鈦礦電池能夠永久密封,保證發電安全無虞。因此,研究人員在太陽能電池密封和嚴苛產品測試中,尋求解決鈣鈦礦難題的方法,以消除水解和鉛擴散的疑慮。

相較於矽電池,鈣鈦礦電池可以調整比例、或雙層疊加增加效率,但仍需要時間來研發。當安全性、穩定性與轉換效率都有所保障後,鈣鈦礦電池的未來無可限量。


關鍵字:鈣鈦礦電池,光電轉換效率,太陽能,穩定性

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