《工業材料雜誌》九月號推出「鈣鈦礦結構材料發展趨勢」與「3D列印於傳產與新興產業之技術發展」技術專題

 

刊登日期:2017/9/6
  • 字級

鈣鈦礦結構材料發展趨勢
鈣鈦礦太陽電池效率快速提升,轉換效率已經達到22.1%的水準。根據英國IDTechEx公司在2015年的預測,鈣鈦礦太陽電池的市場產值將在2025年達到2.14億美元。其未來的主要應用市場為公共設施(串聯/混合電池)、智能窗/建材一體型太陽光電(BIPV)和室內弱光環境發電等。

針對鈣鈦礦這項熱門新興的光電材料,工研院的研究團隊應用鈣鈦礦在可見光的靈敏度以及弱光環境的高響應特性,將此材料應用在各種光電領域上已有成果。在本期專題中,除了分享工研院與長庚大學共同開發的鈣鈦礦材料應用於太陽光電領域,也針對院內團隊合作開發的光感測器及X光感測器,進行精闢的市場及技術分析。另外開發單晶鈣鈦礦材料是提升鈣鈦礦太陽電池光電轉換效率非常關鍵的解決方法,本專題特別邀請清華大學化工所衛子健教授團隊深入探討單晶鈣鈦礦的特性、合成方法以及未來之應用。

過去五年,科學家於有機無機鈣鈦礦光電元件的研究成果,開啟了此材料應用於X光偵測器的道路。鈣鈦礦材料應用於X光偵測器,類型可分為碰撞電離式(Impact Ionization)與閃爍式(Scintillation)兩種。「生醫檢測工具之生力軍:有機無機鈣鈦礦材料X光偵測器」一文,說明碰撞電離式與閃爍式X光偵測器之有機無機鈣鈦礦材料於X光波段的吸收特性,以及鈣鈦礦X光偵測器的結構與製程;另一方面,也介紹降低與修復有機無機鈣鈦礦材料的體缺陷與表面缺陷之重要性與方式,以此評估鈣鈦礦X光偵測器未來應用於生醫檢測之發展潛力。

光感測器廣泛運用在科技生活之中,如自動化生產線、機械視覺、影像擷取等。傳統上使用矽材料或是三五族半導體材料之技術均非常純熟,但其吸收係數低、製程溫度高,往往會有過於厚重之問題,並且無法製作在曲面或是可撓基板之上,限制了其運用彈性。金屬鹵素鈣鈦礦材料近年在太陽電池應用領域上受到極大的重視,其光電轉換效率已經突破22%,同時金屬鹵素鈣鈦礦還具有低成本、低溫製程的特色,因此可以直接塗佈在CMOS金屬線路之上形成薄膜式影像感測器。「鈣鈦礦光感測器發展趨勢」討論並彙整金屬鹵素鈣鈦礦近年來在光感測器上的材料與元件結構之發展,包括關鍵參數以及垂直結構、2D、全無機鈣鈦礦光感測器,並分享工研院開發之鹵素鈣鈦礦光感測器技術,目前製備的元件在沒有任何封裝並儲存在相對濕度45%環境下,可維持超過六個月沒有衰退。

近年來鈣鈦礦太陽能電池的快速發展,其多樣化組成與製作方法得以讓鍍膜的品質與電池的製備技術不斷提升,並且具有材料與製程便宜的低生產成本優勢,吸引不同領域專家切入研究開發。「鈣鈦礦太陽能電池的最新發展趨勢(上)」介紹鈣鈦礦太陽能電池在材料、電池結構、製程差異的發展,包括正結構/反結構/無電洞傳輸材料的介觀結構鈣鈦礦太陽電池元件結構的演進,下期也將繼續探討電子傳輸層對正結構鈣鈦礦電池的影響,以及鈣鈦礦太陽能電池大面積模組化的最新發展,同時發表工研院與長庚大學共同開發製備,效率大於15%的鈣鈦礦電池模組研究成果。

由於鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率在短時間內達到了22.1%,受到了學術界的矚目,成為第三代新型太陽能電池中最令人關注的一種材料系統。然而,幾乎所有的鈣鈦礦太陽能電池中的鈣鈦礦材料皆為多晶薄膜,其晶界容易導致載子的再結合,這是影響其光電轉換效率提升的瓶頸之一,單晶鈣鈦礦可能是解決方法之一。「單晶鈣鈦礦合成技術」主要回顧文獻中單晶鈣鈦礦的特性(如吸光特性、載子遷移率、熱穩定性)、合成方法(降溫解析法、反溶劑輔助長晶法、升溫析晶法),以及單晶鈣鈦礦未來之應用,相信將有更多研究投入這種相當具有發展潛力的材料。

3D列印於傳產與新興產業之技術發展
積層製造技術之特性符合未來少量多樣化的製造模式,所帶來之工業技術革新,更被譽為第三次工業革命,將使傳統製造蛻變成為智慧製造。本期技術專題以積層製造技術為主題,內容涵蓋積層製造掃描技術、快速建模技術、力學評估與拓樸優化設計、材料開發製備以及積層製造成形技術;並提出高分子3D列印材料及製程技術介紹、3D列印醫療輔具應用、3D列印用金屬粉體材料技術以及選擇性雷射燒熔製程控制等四篇技術專文加以說明。其中包含從產品之快速三維多測頭掃描技術建模,到具高韌性與高強度的軟性光固化樹脂材料以及航太應用具高溫強度之超合金粉體材料開發,同時探討高分子3D列印製程、金屬選擇性雷射燒熔製程參數對成品之機械強度、緻密性等性能的控制,以全方位之技術介紹,強化國內產業界對積層製造之技術交流。專題中也介紹工研院建立的台灣第一個積層製造設計與服務平台之能量與內容,期能提供國內外積層製造產品應用設計、積層製造成形與產品驗證等各項服務。

3D列印技術已經在工業打樣、建築、醫療、藝術、首飾等領域都廣泛應用。這項技術在製程和材料間密不可分,特定的製程只能適合於相關的列印材料。因此,高分子聚合物成形的多元性,已成為目前3D列印領域發展最為成熟的列印材料。未來若是要導入產品製造的應用,目前仍有許多工作仍待努力,譬如提升材料本身的力學性能、熱穩定性及耐候性等,且須兼顧到材料的3D列印可加工性。而對於列印材料的結構、性質和列印技術的關係,也須開始建立品質測試流程和方法開發,才能使3D列印技術更貼近製造端的需求。「高分子3D列印材料及製程技術介紹」分析常用高分子3D列印材料及其對應的列印技術,文中也介紹工研院材化所目前在高分子3D列印材料與能量的發展,除了擁有高階3D印表機可協助廠商列印物品外,也有3D圖繪製、醫療輔具設計、結構分析、結構最佳化設計以及積層材料開發等能量,可以提供廠商全方面服務,加速產品導入市場,提升競爭力。

3D列印醫療輔具應用」以醫療護具為例,簡介了工研院規劃中的積層製造設計與服務平台。未來理想的服務模式,為將掃描機置於醫療院所,由醫師或復健師掃描病患肢體後將檔案上傳雲端服務平台,點選所需之護具形式,並註明設計重點;後台智慧化的護具模型程式,即產生設計圖檔與報價,醫師或復健師與病患確認後即可下單列印。為實現醫療護具的客製化,工研院積層製造設計與服務平台,與國內醫療院所如新竹馬偕與高雄醫學大學及附設醫院合作,建立積層製造生產流程設計與模擬分析技術並驗證核心技術與服務流程。透過與醫院提供之病例,進行醫療輔具設計的實際應用演練,藉此提升搭配積層製造之輔具設計能力,獲得積層製造輔具實際診療應用經驗。

3D列印用金屬粉體材料技術」一文指出,金屬3D列印設備製造商銷售設備外,同時搭配提供金屬材料粉末。材料種類從初期的鐵基材料、鈦合金、鈷鉻鉬合金、鋁合金等,到近期可以提供鈷基、鎳基與鐵基超合金等高溫粉末材料,以因應國防與航太產業的高溫環境需求。傳統粉末大廠也相繼投入3D列印粉末生產,同樣也鎖定在高溫超合金材料。目前政府致力於推動五大創新研發計畫與行政院生產力4.0發展方案,國防航太與積層製造為發展重點項目,因此,3D列印用高溫超合金材料將是近期最受矚目的材料之一,藉此可推動國防航太產業服務化以提升台灣國防航太產業附加價值,擴大市場效益。工研院材化所針對高溫超合金粉末開發,建立一系列品質系統,已達到金屬粉末的再生性與再現性的品質要求。

選擇性雷射燒熔(SLM)成形技術可以使金屬粉末完全熔化,形成具有優異潤濕性的熔池,所直接成形的金屬零件具有結合性佳、結構緻密、高尺寸精度和優越機械性能等優勢,是近年來3DP製程技術的主要研究熱點和發展趨勢。「選擇性雷射燒熔製程控制」一文探討特定金屬材料進行選擇性雷射燒熔製程的開發時,首要目標是分析試片單位體積能量密度與試片相對密度的關聯性,第一步須從建立雷射功率與掃描速率的製程視窗圖切入,以單掃描軌跡試驗找到較佳製程範圍後,再針對掃描間距、粉層厚度與基板溫度等製程參數進行修正,同時搭配試片相對密度的量測以得到最佳製程。

特別報導
迎接10月太陽光電產業年度盛會「PV Taiwan 2017」,本期特別報導推出「太陽光電技術」主題,由工研院綠能所太陽光電技術組與讀者分享太陽光電產業技術發展近況。

近年來由於全球暖化及環保意識不斷高漲,綠能產業蓬勃發展,太陽光電成為綠能產業的主流之一,高效率、低成本的太陽電池技術研發成為首要目標。穿隧式異質接面太陽電池為近來新型高效率太陽電池的焦點,其結構簡單,為一鈍化接觸結構,還結合了異質接面太陽電池的優點,具有傑出的表面鈍化能力及載子選擇性,加上氧化矽層與多晶矽的搭配,有高溫穩定性,未來具相當大的發展潛力。「穿隧式異質接面太陽電池技術」鎖定新型矽晶太陽電池—穿隧型異質接面太陽電池的技術發展進行介紹。

輕量化太陽光電模組技術」探討輕量化太陽光電模組技術,採用表面層高分子複合的光波導材料替代傳統玻璃,具自潔效果,可節省清洗維護成本,材料特性十分穩定,較不受酸鹼、溶劑的影響,不會有一般傳統模組的玻璃破裂風險;波導結構在大角度日照下具有廣角吸光特性,可提升發電量。波導材料替代傳統玻璃達到輕量化65%,整體模組結構具有防火試驗C級,金屬背板具有機械負荷10,000 Pa能力,隔音測試聲音穿透損失數值平均達35 dB,並通過IEC 61215和IEC 61730國際認證。這項具有差異化、新創輕量化的模組產品設計榮獲2016年紅點設計大獎,強化國內模組產業技術升級,未來將能擴大多樣化的輕量化太陽光電模組應用。

單接合太陽電池現況與堆疊型太陽電池未來挑戰」一文介紹國際上光電轉換效率>20%的各類太陽電池之研發現況及堆疊型太陽電池的最新研究,探討太陽電池開發的未來。傳統單接合太陽電池極限效率約29%,目前有6大種類太陽電池之轉換效率可達20%,但始終無法突破30%,堆疊型太陽電池被視為下一世代可結合矽晶太陽電池之最佳結構設計,理論極限效率可達47%,國內外已有諸多團隊投入研究,實驗室研發階段之堆疊型太陽電池已可達將近30%的轉換效率,為目前最受矚目之新興技術。

太陽光電模組保證壽命為20~25年,但在沿海高鹽害地區可能影響其使用壽命。「離島之太陽光電系統長期可靠度之研究」選定位於澎湖17年歷史之太陽光電系統,完整分析模組與系統現況之電氣與材料性能,探討模組與系統元件破壞模式,並訂定模組材料設計標準,可供未來抗高鹽害、高濕地區模組設計、材料選用與製作參考。團隊又依據模組失效原因,進行模組修復,恢復模組發電功能。並於另一半模組依現今設計標準與材料選用,製作同尺寸新模組,根據高鹽害地區系統設計準則,設計製作新太陽光電系統。新舊模組分別獨立建立二套發電系統,評估其發電效率。未來將持續追蹤此舊模組繼續使用之發電效率與壽命。

主題專欄
「奈米機能纖維及反光/吸熱粉體技術(下)」接續上期的討論。反光玻璃微珠粉體過去設計重點在於安全標示的應用,目前則有機會被大量應用在流行服飾上,因此必須兼顧手感和舒適度。如何將關鍵反光元件玻璃微珠粉體微小化,甚至奈米化,促使塗層輕薄化,是未來發展的趨勢。另外在吸熱機能粉體紡織品技術開發上,工研院結合導電摻雜改質氧化鋅粉體結構設計合成與製備技術,利用導電摻雜改質氧化鋅粉體合成及界面改質分散的調控技術,建立光熱分析檢測平台,製備完成之導電摻雜改質氧化鋅粉體,在粒徑、紅外線吸收、升溫效果都有顯著成果,希望與業界建立相互交流的合作機會。

市場瞭望專題「看不見的手―工業4.0的價值創造」一文,以產品及技術案例、創新商業模式案例來闡述工業4.0。德國工業4.0計畫期望促進德國產業發展全新經營價值,同時創造國內的高科技就業機會,並非傳統自動化強調之無人工廠、關燈工廠,反而是人機協作及智慧化系統等創新生產模式。本文發現工業4.0在各產業解決方案差異頗大,除推動廠商的專業技能,更重要的是顧客端的經營及製造議題,能否透過實施案來解決,可能衍生的經費多寡,才能發展最適化解決方案。誠如MIT評選的聰明公司,「創新科技」必須搭配「成功商業模式」,台灣廠商積極開發或投資工業4.0方案,相關方案必須有系統性的策略思維,才能掌握較大的成功勝算。

「專利前哨站」推出的材化所最新獲證的「磁性導熱材料與導熱介電層」、「隔離膜與鋰二次電池的電極模組」兩則專利。雲端、互聯及物聯網的興起、4G、5G通訊技術與顯示技術提升,光電與半導體等產業所需之電路板與IC載板走向高速化、高密度化、密集化與積層化,因此未來其特性需求除低介電、高絕緣性外,需兼具低介電損失與高導熱性,並因應不同應用所要求之散熱設計,需要可控
制高導熱性的方向與分布。「磁性導熱材料與導熱介電層」係關於提升介電層之導熱性的組成,更特別關於介電層中添加的磁性導熱材料,能節省所添加的導熱材料成本,並達到特定方向(厚度方向)高導熱性。

傳統鋰電池發生內短路時,因為短時間釋放大量熱量,會使得結構中聚烯烴材質的隔離膜無法耐受高溫而熔融變形。若無法阻隔局部熱累積或中止內短路,則鋰電池的活性物質將分解形成高壓氣體,甚至產生爆炸等危害。「隔離膜與鋰二次電池的電極模組」係關於二次鋰電池的電極模組,更特別關於其隔離膜結構與組成。這項新的隔離膜設計可改善目前市售含熱阻隔層之電池阻抗,並維持其安全。材化所技術豐富多元,歡迎業界挖寶與材化所智權加值推廣室(03-5913737)聯繫洽談。

凡對以上內容有興趣的讀者,歡迎參閱2017年9月號『工業材料雜誌』或參見材料世界網,並歡迎長期訂閱加入材料世界網會員,以獲得最快、最即時的資訊!


分享