彩色太陽能電池:美學與再生能源融為一體(上)

 

刊登日期:2021/11/15
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盧榮宏 / 明志科技大學材料系;蔡佩勳
 
太陽電池是直接將光能轉變為電能的裝置,材料直接將光轉變為電的效應稱為光伏效應(Photovoltaic Effect)。太陽電池將光能轉變為電能的功率轉換效率簡稱PCE(Power Conversion Efficiency),市面上的矽晶太陽電池模組的PCE可達19%-20%,太陽光若以輻照功率密度1 kW/m2為例(國際慣用的評估條件AM1.5G),PCE 20%就是1平方公尺面積的太陽電池模組能產生的電功率為200W。太陽電池技術的發展追求更高的PCE是技術發展的重要指標,若將光線盡其可能的吸收轉變為電能,會造成太陽電池的外觀色彩呈現黑色或是深藍。以能源利用為主的太陽能電池科技應用發展,讀者可以參考材料世界網的刊載報導“日本2020年太陽光電開發戰略”。
 
試想,當太陽電池廣泛出現於都市中,更與建築融為一體(Building-Integrated Photovoltaics; BIPV),我們會進一步期待擁有不同色彩的太陽能電池(例如:Solaxess白色太陽能電池模組),甚至是不同的太陽能電池造型(例如:Tesla太陽能電池屋瓦,Solar Roof Tile)。太陽能電池模組的不同色彩外觀,即是反射掉一部分可見光,如此會直接降低模組的PCE。因此,我們需要先有高發電效率並且低製造成本的太陽電池,才能進一步廣泛推展彩色的光伏建築(Colored-BIPV),真正的將美學與再生能源融為一體。對於未來零能源建築(Zero Energy Building; ZEB)電能自給自足的期待,甚至結合垂直農場(Vertical Farming)、室內農場(Indoor Agriculture)的都市糧食生產議題,妥善運用科技創造美麗和諧、充富生機的生活空間,方是智慧科技發展的願景。本文將依序介紹:“太陽能電池模組新時代的來臨”、“白色太陽能電池模組與美麗的光伏建築”、“彩色太陽能電池模組”、“穿透式太陽能電池模組”、“新興的穿透式彩色太陽能電池”、“彩色厚膜封裝技術-Solaxess”、“彩色玻璃封裝技術-Kromatix™ ”和“MCUT-彩色玻璃設計與彩色封裝設計”。
 
太陽能電池模組新時代的來臨
對於全球太陽能電池模組的發展狀況,藉由國際太陽能電池認證機構;主要認證機構如:NREL美國國家可再生能源實驗室、AIST日本產業技術綜合研究所、Fraunhofer-ISE德國Fraunhofer太陽能系統研究所、ESTI歐盟太陽能測試機構等,所認證的世界紀錄可以獲得整體可靠的資訊。其中關於大面積太陽能電池模組(>14,000 cm2)的紀錄有:2020年Hanwha Q-Cells公司的多晶矽太陽能電池模組效率達20.4%,2016年Trina Solar公司多晶矽太陽能電池模組效率達19.9%,2015年SunPower公司單晶矽太陽能電池模組效率達22.8%,請參考圖一。基於這幾年太陽能電池模組在提高效率及降低成本方面的進展,進而使BIPV的設計應用有了更大的發展空間,同時也帶動了各式彩色太陽電池模組的蓬勃發展。
 
圖一、太陽能電池模組的功率轉換效率PCE進展
圖一、太陽能電池模組的功率轉換效率PCE進展
 
白色太陽能電池模組與美麗的光伏建築
外觀為白色及各種色調的太陽能電池模組的問世,令建築設計師擁有更自由的建築物外牆及屋頂的調色設計,圖二及圖三的照片已經展示出再生能源與建築物化為美麗一體的藝術。
 
圖二、外觀為白色及棕色調的太陽能電池模組BIPV
圖二、外觀為白色及棕色調的太陽能電池模組BIPV (a)屋頂的奧林匹克圖騰由白色太陽能電池模組構成;(b)棕色調的太陽能屋頂;(c)白色太陽能電池模組建構的BIPV外牆
 
傳統的太陽電池為了追求最高效率,通常都做成黑色或深藍色,進而達到最大限度吸收陽光與抗反射的效果。雖然這些電池的發電功能增加了,但是基於外觀的限制,儘管再生能源能有效的減少環境污染,建築師與投資者對這些傳統並無法改變外觀顏色的太陽電池在BIPV應用的接受度並不高。隨著科技的進步,不同彩色太陽電池的先進技術逐漸問世,然而仍缺少能達到一定效率的白色太陽電池。瑞士公司Solaxess開發了一種薄膜技術,當安裝到太陽電池模組上能使它們呈現白色或任何一種顏色,該方法簡單來說是將多層薄膜結合起來,以達到高效率吸收紅外線並同時反射可見光的效果,可見光的均勻散射達到白色外觀的要求,如圖二(a)(c)。以這種彩色薄膜技術可以便利製造 ---此為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 

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