太陽電池的華麗變身

 

刊登日期:2017/12/27
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編譯:李守仁/ 健行科技大學、白立文/ 工研院材化所

太陽電池、太陽光電板在一般民眾心目中印象多是硬梆梆的矽材料,設置於屋頂、牆面、空地,容量由數kW至MW,可與電網併聯,或於災害斷電時作為緊急電力來源。事實上,除了作為電源的「大」用途外,在可攜式設備、新功能紡織品等日常生活的「小」地方,也將可以看到太陽電池的身影!隨著科技發展,太陽電池還有哪些「變身」呢?且讓我們一起來看看!

滾筒印刷製造的鈣鈦礦太陽電池
印刷製程是降低太陽電池製造成本的有效方法之一,其採用Roll to Roll,將發電需要的各功能層「印」至薄片、薄膜上。荷蘭的Solliance以5m/min的速度印刷製造鈣鈦礦太陽電池,光電轉換效率約達12.6%。鈣鈦礦太陽電池光電轉換效率的世界記錄為22.1%,Solliance的12.6%比世界記錄低很多。這項消息有什麼意義嗎?太陽電池產量中約九成使用結晶矽薄片,如果生產規模大,可降低製造成本,提高光電轉換效率。其他的太陽電池欲與結晶矽太陽電池相抗衡,就得從製造成本與光電轉換效率著手。

Solliance將製造成本的降低視為首要目標,致力於開發大面積、模組化的低成本量產方法。使用柔軟的薄片,以Roll to Roll印刷法,可製造曲面形狀的太陽電池、BIPV (Building Integrated Photovoltic)用太陽電池,並可強攻現今結晶矽太陽電池難以企及的市場。其技術開發以量產規模為前提,使用市售的樹脂薄片,再分層印刷上光吸收層、電子輸送層等(圖一)。

圖一、Solliance試作的鈣鈦礦太陽電池結構
圖一、Solliance試作的鈣鈦礦太陽電池結構

新開發的Roll to Roll製程包含成膜(印刷)、乾燥、燒結程序,製造速度為5 m/min,可以高速度製造鈣鈦礦太陽電池。製程中不需真空環境或使用特別的氣體,於大氣環境下即可進行,且全部製程均在120℃以下執行,可減少耗能。其下階段目標為提升光電轉換效率至15%,並同時提高太陽電池的環境穩定性(使用壽命)。  

穩定的鈣鈦礦太陽電池
鈣鈦礦太陽電池被認為是價廉、光電轉換效率佳、具商業發展潛力的太陽電池。然而儘管可擁有22%以上的光電轉換效率,但其作動穩定性一直無法符合市場的要求。面對穩定性的挑戰,許多研究團隊紛紛提出製程技術的解決方案,但一直缺乏令人滿意的結果。

瑞士聯邦工科大學洛桑分校(EPFL)Michael Grätzel教授的研究團隊成功開發出低成本、超穩定的鈣鈦礦太陽電池。採用2D/3D混成(Hybrid)設計,結合了穩定性高的二次元鈣鈦礦,以及可以有效率地吸收可見光、輸送電荷的三次元鈣鈦礦。以碳為基礎結構者的光電轉換效率為12.9%,標準之中孔性(Mesoporous)太陽電池的光電轉換效率則為14.6%。利用印刷工業規模製程製作的10x10 cm2太陽電池,經10,000小時後,於標準條件下量測,其性能沒有明顯降低,仍然保有11.2%的光電轉換效率。

圖二、新研發鈣鈦礦太陽電池的經時光電轉換效率變化與結構示意圖
圖二、新研發鈣鈦礦太陽電池的經時光電轉換效率變化與結構示意圖

提高超薄型薄膜CIGS太陽電池光電轉換效率的方法
超薄型薄膜CIGS太陽電池在生產中大量減少稀土元素的用量,同時降低能源使用量,可惜伴隨了光電轉換效率降低的副作用。德國的亥姆霍茲中心柏林研究所與荷蘭原子分子國立研究所(AMOLF)共同開發了防止超薄型薄膜CIGS太陽電池光吸收率下降的方法。為了吸收更多的陽光,太陽電池可採取奈米結構背面電極的設計,或藉諸於短路電流密度(Jsc),其所得之光電轉換效率與厚度較厚的CIGS電池相當。

CIGS太陽電池由黃銅礦型結晶(Chalcopyrite Structure)的銅、銦、鎵、硒所組成,薄膜CIGS太陽電池在實驗室的光電轉換效率最高為---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。


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