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實現營農型太陽能發電
高顏色選擇性也意味著發電用波長帶具有高選擇性。關注OPV的此項特點,大阪大學、公立諏訪東京理科大學的研究人員即嘗試將其應用於營農型太陽能發電技術「Solar Matching」(圖五)。「Solar Matching」是由公立諏訪東京理科大學渡邊康之教授提出的一種太陽能發電與農業共存的方法,太陽光中用於農作物光合作用的藍光與紅光可以穿透過去,僅有未利用於光合作用的綠光做為太陽能發電之用。在農業與太陽能發電共存的嘗試措施方面,目前在田地上間隔一定距離設置太陽能板的「農電共享(Solar sharing)」模式受到關注。
然而,由於很大一部分陽光被太陽能板遮擋,因此並不適合需要強烈陽光的農作物,可種植的農作物種類也有所侷限。此外,由於採用了較重的結晶矽太陽能板,因此不能簡易地將其貼附於農業溫室的屋頂上進行使用,而有利用棚架的必要。另一方面,「Solar Matching」在農作物的選項方面並無限制,且輕量薄型的OPV可以安裝在耐荷重能力較低的農業溫室屋頂上。
OPV有各種顏色可供選擇,這也意味著可以選擇發電所使用的光。大多數植物主要利用藍光與紅光進行光合作用,而不利用綠光。若能將僅利用綠光發電的OPV設置於農業用溫室屋頂,藉此將可實現即使在屋頂使用太陽能,農作物的選擇性或產量也不會減少之「Solar Matching」。
圖五、活用高波長選擇性
開發僅使用綠光的OPV
適用於「Solar Matching」的OPV係由大阪大學產業科學研究所的家裕隆教授的研究室所開發(圖六)。在有機半導體材料中,p型採用了一種市售高分子材料P3HT。另一方面,n型是使用由家裕隆教授研究室開發的非富勒烯(NFA)「FNTz-FA」製成的。兩者的吸收波長峰值都在綠光範圍內,農作物進行光合作用所需的光可穿透過去。因此,此模組的顏色為綠色的互補色,呈現淺紅棕色。
圖六、大阪大學為了「Solar Matching」用途而開發的OPV模組
(a)選擇性使用綠光之OPV模組
(b)發電層2項材料的光吸收波長與植物葉綠素的吸收波長。發電層中的供體與受體都主要吸收葉綠素未利用的綠光,並利用於發電。
(c)發電層2項材料的分子構造
資料來源:日經XTECH
目前「Solar Matching」OPV模組尚有兩項較大的課題待解決。其一為轉換效率,如果發電使用的光波波長限定在500~600 nm之間,即使將光100 %用於發電,太陽光總能量的利用率也只有11 %左右。當限制在550 nm左右的綠光之際,最多則會降至6 %。實際上,由於有機半導體材料的限制,以致綠光也無法充分利用,以現狀而言,大阪大學表示「單電池的利用率約為3 %,但仍有達到接近理論值6 %的可能性」---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。