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奈米幫大忙，太陽能電池大躍進

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黃承揚｜英商牛津儀器

2013年5月，台北市北一女中學生以「太陽能電池加上量子點奈米材料的方式提高太陽能效能」之研究獲得美國國際永續發展3E科技競賽能源類科銀牌獎，此乃台灣首次於該競賽中獲獎。

近年太陽能電池發展，因將奈米技術全方位引進太陽能面板中，而取得長足進步。所謂太陽能電池(solar cell)是利用材料的光電效應，把太陽光能直接轉換成電能的光電元件。當光線照到單晶或多晶矽時，光能將矽原子中的電子激發出來，而產生電子和電洞所形成之內建電位，若此時外部串接負載迴路，例如：裝上LED燈，即可驅動點亮LED燈，這就是太陽電池發電之原理。目前市售矽晶太陽能電池的轉換效率僅約15~20％，根據理論計算理應有接近50%的轉換效率，但大部分的陽光卻在光電效應過程中耗損；主要耗損因素包含：反射光損失、背部透光損失、電極表面阻抗、金屬電極遮蔽損失……等。這些外部光電轉換效率之損失，可藉由奈米技術搶救回來。

一、表面奈米化處理─吸收各個角度之陽光，提升收光效率!

矽折射率高達3.4，本身就有36%反射率，平坦之矽晶表面會使部分陽光反射，而無法貢獻發電。為了減少反射光損失，藉由蝕刻方法，將表面形成奈米化金字塔結構的粗糙面，使反射率降到10％以下；另外，再塗裝「抗反射奈米塗層」於表面，無論太陽位於何處，太陽能電池板可從任何角度吸取整個太陽光光譜，讓各角度的光無所遁形。此奈米抗反射塗料共有7層，每1層有50~100nm高度的二氧化矽和二氧化鈦納米棒多層堆疊，納米棒成1個斜角放置，其外觀和功能與森林相似，彷彿陽光在樹林間被「補捉」，使抗反射奈米塗層能吸收96%以上的太陽光照射，提升收光效率!

二、透明導電膜增加吸收陽光的開口率

光電轉換後的電能需藉由金屬電極傳導至儲存裝置，故電池上下方均有鍍金屬電極，約占表面積20~30%，這些電極會因遮光效應而導致發電的損失。若電極分布太少，則轉換的能量無法收取；若電極分布過大，則會遮蔽陽光入射。要解決此兩難，可採用200nm的透明導電膜取代金屬導電層，可以有效降低不透光金屬層占總面積小於15%，而其餘地方的光穿透率可高於85%，使太陽光有效進入太陽能電池內進行光電轉換，同時透明導電薄膜也負責傳導電能。

三、蓮花效應─自我清潔功效，延長面板壽命

太陽能電池模組安裝在屋頂上，使用年限至少需在15年以上才具經濟效益，然在長時間風吹日曬雨淋下，電池模板表面往往無法承受大自然摧殘而黃霧化。使用超過8年以上的電池模組，由於風沙刮花與骯髒黃霧的表面，會讓光電轉換效率下降50%以上，而使耗資不斐的面板模組提早壽終正寢，這是消費者安裝意願不高之主因。利用100~200nm奈米粒子的二氧化鈦薄膜，塗佈在面板最表層，奈米氧化鈦薄膜的粗糙結構在可見光催化下，會產生超親水性，形成自潔表面效果(self-cleaning effect)；在紫外光照射下可產生油水雙親性(amphiphilic)之特性，而使奈米氧化鈦吸附的髒污被雨水沖刷帶走，再形成親水的表面使髒污不易吸附，此即「蓮花效應」(Lotus effect)。故蓮花效應讓電池版永遠晶瑩剔透。

台灣90％之能源仰賴進口，若使用取之不盡的太陽來發電，降低依賴燃煤與石油，才可永續經營。然電池效率與設置成本是民眾能否普及架設之關鍵因素，而藉由奈米技術的引入，可讓太陽能電池轉換效率倍增、成本減半、同時延長設備使用壽命，未來要達成非核家園，將不再是遙不可及的夢想。（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通｣執行團隊撰稿）

責任編輯：陳永平｜國立交通大學電機工程學系暨科技與社會中心智庫研究團隊

電洞(21) 科發月刊(5210)

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