染料敏化電池在物聯網的應用與未來

刊登日期:2015/9/5
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染敏電池(DSC)可應用在多種環境中,由於其弱光發電的特性,很適合搭配小電力產品的使用,例如感測器等;而隨著物聯網的興起,感測器將會被大幅使用,如何使感測器能最方便被使用,有效利用環境能源採集技術將會是一個很重要的課題,而光的再利用就是一個便捷的方式,利用染敏電池結合產品,設計一個自足自給的商品,做到真正的無線新生活。

圖一、Gartner預測物聯網裝置使用者數2020年將達260億台/支

環境能源採集技術簡介
能量採集簡言之,就是「將光、振動、熱和無線電波等日常生活中的細微能量轉變為電力並加以利用的技術」(圖二),其主要是希望減少電子設備的維護時間、提供更長久的使用壽命,以及減少對電池的依賴,當然,最終目的是希望能成為綠色能源而減少對發電廠的需求。能量採集的來源主要來自光、振動、熱和無線電波,而根據環境位置的不同,有不同的採集功率和考慮因素。其中採集光能量一般是使用太陽電池,振動能是通過電磁或壓電方式採集,而無線電波則是使用定向方式較為有效,使用現實環境下的電波並無法採集到太多有用的功率。

典型的能量採集配置或系統如圖三所示,通常包括將一種不穩定環境能源,例如使用太陽電池,由太陽電池將太陽光能量轉換為電能。該電能隨後可由一個能量採集電路進行轉換,變更為一種可用且穩定的形式,用於後端電路供電。這些後端電子線路通常包括某種類型的感測器、類比數位轉換器(ADC)和一個超低功率微處理器(MCU)。上述元件可以由能量採集系統所產生的電能驅動,並喚醒一個感測器,以獲得一個讀數或測量結果,然後使該資料可透過一個超低功率無線收發器進行傳輸。

物聯網架構中,太陽電池的切入點在哪裡?
運用光能和振動能為無線感測器網路底端電力來源最常見的能量採集技術,其中光能即使用太陽電池,而在太陽電池的技術領域中,目前還是以矽晶太陽電池為主流,但矽晶太陽電池因其半導體電池特性的關係,在極弱光源和漫射光的狀態下,電壓壓降極大(圖四),導致幾乎無電力輸出,而矽薄膜和染敏電池,因為光譜響應範圍為可見光區塊,且同屬薄膜太陽電池,為最適合應用在室內環境中的技術。

但矽薄膜太陽電池由於設備投資成本較高、回收期較長,幾乎已淡出市場,且其除了在大型電廠市場是DSC目前無法取代外,在商品面的市場應用環境是與DSC重疊的。但其不易隨產品端進行製程變化,DSC利用不需高真空設備、容易客製化、較不受入射光角度影響與低照度下可發電特性等優勢,甚至多彩多樣化,搭配電路整合,可將太陽電池導入產品設計,在不影響整體產品外觀下,提供居家與工廠環境監測的新選擇,適時地回饋反應,使環境安全更容易被控制與瞭解。這樣的設計,不僅在日常生活可以廣泛應用,對於有毒或是有害環境的監控也是十分有利,例如偵測CO的濃度並即時警告……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


圖八、估算DSC使用於高耗電型態所需面積

作者:童永樑、吳曜杉、盧明德/工研院綠能所
★本文節錄自「工業材料雜誌」345期,更多資料請見下方附檔。

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