軟性可撓曲之有機及鈣鈦礦太陽電池

刊登日期:2016/6/5
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追求低成本、易大面積製造、質量輕、具可撓曲性的太陽能技術為新發展的趨勢,因為具備這些特性,應用將從單純發電進展至穿載或可攜式能源。除此之外,此類型太陽電池在運輸及安裝的費用也將大幅降低,因此相關領域在國內外的研究單位被廣泛的研究。

本文介紹溼式製程之有機太陽電池及鈣鈦礦太陽電池,皆為近幾年來最受重視的技術領域,其小型元件的認證效率,已分別達到具備商業化潛力的 11.5及 22.1% 的光電轉換效率,因此國內外已有不少廠商投入此二領域。文中將簡介有機太陽電池及鈣鈦礦太陽電池的發展及原理,並報導這些電池在軟性及可撓曲元件及模組上之進展。

有機太陽電池的簡介及進展
太陽電池的發展時程可劃分為三個世代,第一代為矽晶太陽電池,早在 1950年代即開始發展,經過數十年的進展,如今結晶矽太陽電池之轉換效率已達 20%。第二代太陽電池泛稱為薄膜太陽電池,使用非晶矽、碲化鎘,或是銅銦鎵硒四元化合物等材料作為薄膜半導體。

第三代為有機太陽電池(OPV),OPV主要係以具有半導體性質之有機材料製作,其優點為:①製造成本低;②化合物結構可設計性;③材料質輕;④加工性能好;⑤可製造大面積的太陽電池及大量生產;⑥高吸光係數;⑦具有可撓曲,半透明等特性。國內有很多學術團隊進行 OPV材料及元件研究,如中研院化學所/應科所、台大、清大、交大、中興及中央等國內大學及核能所。國內廠商以天光材料全力發展 OPV,其產品 PV2000光電轉換效率,Newport-USA認證達 10.4%,為使用非氯溶劑系統所達成的最高世界紀錄。

鈣鈦礦太陽電池的簡介及進展
當全球都在尋求更好更廉價替代能源的關頭,鈣鈦礦型太陽電池(Perovskite Solar Cell; PSC)給世人光明的憧憬。Perovskite 材料為一種陶瓷氧化物,其具有晶體結構,類似於天然礦物鈦酸鈣的特點,由德國礦物學家 Gustav Rose 於 1839年在俄羅斯的烏拉山脈發現,其應用於有機/無機混成太陽電池當中,擁有極為出色的光電特性,轉換效率的發展更是在短短數年內達到 22.1%(圖一),並在 2013年被科學期刊(Science Journal)納入2013年十大科學突破之列,因此成為如日中天的研究主題。

PSC結構製程上採用低溫製程,與 OPV 同樣具備質量輕、可撓曲、成本低廉及應用性廣等優點,已然成為最具潛力的新興太陽電池。在國內研究團隊進展方面,以成功大學郭宗枋及陳昭宇教授最早於 2013年發表 Perovskite的文章,其團隊亦發表最多 Perovskite的文獻。中央化學吳春桂教授所發表的效率最高達 18%;交大應化系刁維光教授進行 Perovskite的機制探討;台大材料系林唯芳教授進行元件形態及界面研究;台大何國川及中研院朱志偉教授導入 Metal-Organic Framework Nanocrystals 於 Perovskite的研究中;清大林皓武教授則專精於真空製程的 Perovskite元件。目前亦有不少國內廠商進行 PSC 相關材料的販售,如信美材料、銳隆光電及前創等公司。



圖五、最新的高穩定Perovskite–PV元件結構

軟性元件及模組
低成本、易大面積製造、質量輕、具可撓曲性的軟性太陽能技術為新發展的趨勢,因為具備這些特性,使應用從發電進展至穿載或可隨身攜帶,此類型的太陽電池在運輸及安裝的費用也將大幅降低,因此相關領域在國內外的研究單位被廣泛的研究。目前……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


圖六 可撓曲有機太陽電池結構及元件

作者:陳志平 / 明志科技大學;許翔林、鄭如忠 / 台灣大學;曾美榕 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」354期,更多資料請見下方附檔。


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