軟性太陽電池技術現況與發展

 

刊登日期:2016/6/5
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再生能源越來越受重視,雖然太陽電池效率提升的幅度漸趨緩慢,但是太陽能在再生能源中還是扮演著重要的角色。隨著需求的多樣化,軟性太陽電池在應用上也越來越多。有別於結晶矽太陽電池,薄膜太陽電池使用可撓式軟性基板後,將發展出更多應用,例如,太陽能背包等攜帶式或整合在建築中的應用。軟性太陽電池除了軟性基板耐熱要求外,對於基材及所有封裝材的水氣透過率、製程溫度、接著性介電性、前板與封裝材光學特性等也都是軟性太陽能開發技術的重點。

非晶矽薄膜電池結構
非晶矽薄膜電池組成結構可分為 Su-perstrate 及 Substrate 兩種結構(圖三),Superstrate 為在玻璃基板下方鍍上透明導電層後,再依序鍍上 P-I-N,最後再鍍上金屬導電層;Substrate 則先從玻璃基板上方鍍上金屬導電層,再依序鍍上 N-I-P,最後才鍍上透明導電層,目前矽薄膜太陽電池多採用 Superstrate 結構,但可撓性的薄膜太陽電池則多以 Substrate 為主。軟性太陽電池,如TDK非晶矽太陽電池與工研院材化所自行開發的快速低溫 EVA 封裝膜層及 ETFE 三個材料,經過 135˚C 壓合變成一個具阻水阻氣的軟性太陽能模組後,可應用在任何產品上,如太陽能背包(圖四)。



圖三、Superstrate及Substrate結構

CIGS與CdTe太陽電池現況
CIGS、CdTe持續受到各國研究單位的關注,其模組結構如圖五。主要的生產廠商經過一輪整併汰弱留強的變化後,最後關鍵在於鍍膜技術與降低成本。國內發展 CIGS為主的廠商台積電太陽能事業部,因為製造成本無法順利降到滿意點,而在 2015年黯然退出;反觀日本廠商太陽先鋒(Solar Frontier),全球可量產 CIGS佔領先地位,規模也僅次於美國 First Solar,在薄膜太陽電池方面可能會出現大者恆大的趨勢。

對於結晶矽的封裝膜,工研院材化所不僅開發出具高耐候性的 EVA 膜,可增加發電量的專利螢光 EVA 膜,對於 CIGS模組用的EVA封裝材料,也開發出具低溫快速硬化的 EVA 封裝膜,其經過 135˚C 封裝後,做 Damp Heat(85˚C、85% RH)1,000hr 老化測試前後 EL 結果如圖八、圖九所示,經過高溫高溼老化測試後,EL 檢測通過,並且 Power Loss 值皆能符合 IEC 61215 規範,如表一,比一般結晶矽 EVA 膜更適合 CIGS。



圖八、Damp Heat在1,000小時前之EL照片

染料敏化太陽電池
染料敏化太陽電池的原理是太陽光透過透明的導電玻璃後照射到染料,使之獲得能量而躍升至激發態並釋出一個電子,而電解液也補充一個電子給染料,染料的電子跑到二氧化鈦的電洞中。再來,二氧化鈦釋出的電子經外迴電路回到正極,並使電解液回復到原來的狀態,如此往復不斷地循環,便可提供電流。染料敏化太陽電池,其小電池效率已可達 7~8%,與 CIGS太陽電池效率仍有一段差距,但製程簡單、低成本、受日照角度和高溫環境影響小及可應用於以室內光源發電的產品特性,讓染料敏化太陽電池有另一片的發展空間。

軟性太陽電池的應用與未來發展
目前太陽電池產業技術仍以矽晶圓式的為主,最主要的原因是光電轉換效率可以穩定的達到 15% 以上,元件壽命可達 20 年以上,但是重量重、不可撓、成本高、易破碎及不耐衝撞限制了未來的發展潛力,軟式太陽電池正好彌補了矽晶圓式的不足,如能在光電轉換效率及元件壽命上有所突破,未來將有更廣泛的應用。利用可撓式太陽電池……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:關旻宗、王思淋 / 工研院材化所;李文貴、黃中騰 /工研院綠能所
★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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