彩色太陽能電池:美學與再生能源融為一體(下)

 

刊登日期:2021/11/17
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盧榮宏 / 明志科技大學材料系;蔡佩勳
新興的穿透式彩色太陽能電池
近年來,有機薄膜太陽電池的研發快速進展,穿透式彩色有機太陽電池不僅在PCE的提升,穿透色彩與穿透率的調控技術皆有亮眼的成果。穿透式彩色電極設計提供了有機太陽電池簡易且高效益的穿透色彩控制(圖六、圖七),吸收紅外線的分子設計技術大幅提升穿透式彩色有機太陽電池的PCE(圖八)。
 
圖六、穿透式彩色鈣鈦礦太陽能電池(a)彩色電極的共振穿透產生色彩;(b)穿透式彩色電極樣品的照片及色度座標;(c)穿透式彩色鈣鈦礦太陽能電池的照片及元件結構示意圖
圖六、穿透式彩色鈣鈦礦太陽能電池(a)彩色電極的共振穿透產生色彩;(b)穿透式彩色電極樣品的照片及色度座標;(c)穿透式彩色鈣鈦礦太陽能電池的照片及元件結構示意圖
 
圖六(a)的彩色電極Ag-ITO-Ag共振腔膜層結構,使得特定波長的光線穿透,由此調控穿透色彩,圖六(c);其他非共振條件的光波被反射回太陽電池的主動層,因此保有原來太陽電池大部分的功率轉換效率。共振穿透現象可以產生高純度的色光,由圖六(b)的樣品照片及穿透光的色度座標,充分顯示出寬廣色域的操控效果。作為發電窗或是天窗的應用,穿透影像清晰度的呈現,有時是一個重要的產品特性指標。圖五(a)(b)的染料敏化電池、圖六(c)鈣鈦礦太陽能電池應用,穿透影像的清晰度會分別受到TiO2電極散射、PVSK晶界散射的影響。圖七的照片顯示,沒有電極散射,沒有主動層晶界散射,穿透式有機太陽電池能夠展現出非常清晰的穿透影像。對於未來BIPV的發電窗及天窗設計時,室內情境的設定可以更細膩的考慮各式不同材料結構的穿透式彩色有機太陽能電池所產生的穿透影像特性,以及穿透光色調的選擇。
 
利用分子設計技術增加紅外線吸收,提升有機太陽電池的PCE,是這幾年有機太陽電池技術發展的重要指標。吸收近紅線的分子設計配合三元混成主動層,將穿透式彩色有機太陽電池提升至PCE 12%,如圖八所示。合併太陽光及室內照明能源收割的雙面輻照應用設計,利用相位匹配的光學設計增加穿透式有機太陽電池的穿透率,將穿透式有機太陽電池充分融入光伏建築的內與外,將是可預期的下階段研發趨勢。
 
圖八、吸收近紅外線的穿透式三元有機太陽能電池;(a)元件結構示意圖PCE >12%;(b)元件的電流電壓特性曲線圖(AM1.5G);(c)元件的光子電子轉換效率/外部量子轉換效率(IPCE/EQE);(d)三元有機太陽能電池的穿透影像
圖八、吸收近紅外線的穿透式三元有機太陽能電池;(a)元件結構示意圖PCE >12%;(b)元件的電流電壓特性曲線圖(AM1.5G);(c)元件的光子電子轉換效率/外部量子轉換效率(IPCE/EQE);(d)三元有機太陽能電池的穿透影像
 
彩色厚膜封裝技術— Solaxess
太陽電池模組要呈現白色的外觀有兩個主要因素:一是較高比例的白光範圍反射,另一是均勻的反射光線散射。較高比例的白光反射直接大幅降低太陽電池模組的PCE,因此直到目前市面上穩定高轉換效率的矽晶太陽電池大量產出,例如PERT-type矽晶太陽電池,方能促使帶動白色太陽電池模組的正式問世。
 
瑞士的Solaxess公司,自創Solaxess Advanced Film作為太陽電池模組封裝中的擴散膜,成功展現出白色太陽電池模組。甚者,利用不同色調的Solaxess Advanced Film封裝製作出不同色調的太陽電池模組,其模組的PCE依據不同的外觀顏色而變化。PERC-type單晶矽太陽電池封裝後,模組產生的電功率密度從白色的110 W/m2增至灰色調的179 W/m2,不同色調的詳細資料顯示於圖九(a)。Solaxess公司的太陽電池模組封裝結構示意圖,以及封裝材料的照片分別顯示於圖九(c)與圖九(d)。本文作者猜想,Solaxess Advanced Film的顏色源自於相關的顏料色彩,這雖然能降低製造成本,卻也產生部分 ---此為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

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