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摔不破的太陽能電池

102/03/15 瀏覽次數 17991
可折疊的螢幕

大家看過可折疊、可彎曲的手機或平板電腦螢幕嗎?不久的將來,這項理想就能實現。

現在的手機、平板電腦等手持裝置追求的目標,都是螢幕大、體積小、重量輕。但是體積、重量卻與螢幕大小成正比,要能達到質輕體薄並具有可彎曲或折疊的特性,就必須借助塑膠、橡膠的可塑性或彈性。儘管目前手機螢幕已可彎曲折疊,但供電的鋰電池仍然使用硬梆梆的材質,因此整個裝置還是無法彎曲折疊。

電力是民生不可或缺的必需品,在3C用品普及的E世代,供電方式及裝置是購買電器用品重要的考量之一。尤其是能源匱乏的今日,如何提供兼顧節能環保與便利性,又可彎曲折疊、摔不破的供電裝置,應是重要的選項。

未來的能源

面對全球石油能源僅能再供應約50年,各種新能源的開發,包括風力、海流、地熱、生質能等都持續地進行中。但是這些能源全都是太陽能所轉化,因此若能直接使用太陽能來供電,應是最簡捷有效的方式。

太陽每秒鐘照射到地球上的能量相當於500萬公噸的煤,遠超過地球上一天的使用量,只要把一小部分轉換成電力,就足夠全球民眾生活所需。有鑑於這項利基,近二十年來世界各國競相投入太陽能電池的發展。

常見的太陽能電池

目前民眾所看到的太陽能電池,大多是由具有半導體性質的矽材料製作而成的,成品分成結晶型與薄膜型兩種。由於結晶型的矽材料可把近20%的太陽能轉換成電能,目前在市面上使用的比率最高。但是由於矽材料成本太高,目前矽太陽能電池仍未能取代傳統的火力與水力發電方式,如果使用其他半導體做成的太陽能電池,也有同樣的問題。

因此,使用非半導體元素來製作太陽能電池,就引起各國學者的興趣。這種非無機半導體材料通常由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成,稱為有機材料。有機材料較無機半導體材料容易取得,成本低,但由於在太陽能電池應用上的研究起步較晚,目前光電轉換效率較低。若能提升效率,則其低成本、輕便、可攜帶的優勢,將使它在手持裝置中的占有率大幅提高。

有機高分子太陽能電池

有機型的太陽能電池,一種是利用由碳、氫、氧、氮、硫等元素構成的染料來製作的染料敏化太陽能電池,另一種是用由同樣元素合成的高分子所製作的高分子型太陽能電池。前者含電解質並進行電化學反應,後者則是藉由具導電特性的高分子化合物吸光並轉換成電流。可導電的高分子又稱為導電塑膠,是一種有機半導體材料,可用來做成塑膠太陽能電池。

染料敏化太陽能電池雖然也具有輕便的特性,但因為電解質材料常是液態,使其無法做成具彎曲、折疊性的電池。至於導電性高分子材料做成的塑膠太陽能電池,就具有彎曲折疊的特性,而且耐摔、耐撞,很適合用於手持的3C用品。

不僅如此,塑膠太陽能電池在生產製造上也比無機半導體電池更具優勢。因為塑膠太陽能電池只需要薄薄一層的導電性高分子就可吸光發電,因此可以用很便利的方法生產大面積的太陽能電池,包括用噴墨印刷、網版印刷或旋轉塗布等方式印製或塗布電池的吸光發電層,這是無機半導體型電池無法做到的。

因此,成本低、重量輕、製造速度快、大面積製造方便等都是塑膠太陽能電池的優點。只是截至去年底,塑膠電池把太陽能轉換成電能的效率只有8.5%左右,如果能提升至10%左右,應該就可商業化生產了。

塑膠太陽能電池

以電池元件的結構與原理來說,塑膠太陽能電池與無機半導體電池有類似的光電轉換方式與組合結構,但與染料敏化太陽能電池就略有不同。也就是說,大部分無機太陽能電池的組合結構都能應用在有機塑膠型太陽能電池上。

典型的塑膠太陽能電池,是在透明基板上鍍上一層透明導電薄膜(常是銦錫氧化物)做為正電極,導電膜上再鍍上一層傳導正電荷(電洞)的電洞傳輸層,電洞傳輸層上再鍍上一層可吸收太陽光的光電轉換活性層,最後再鍍上鈣、鋁等活性金屬構成的負電極。光電轉換活性層是由帶正電荷(電洞)的正型(p-type)及帶負電荷的負型(n-type)有機半導體材料所構成。

正型的半導體材料是一種高分子量的導電性高分子,也是典型的塑膠材料,因此具有一般塑膠耐彎耐折、不怕摔的特性。負型的半導體材料通常是具有富勒烯奈米球結構的衍生物,是一種有機小分子材料。正型的導電高分子與負型的富勒烯小分子經由共同溶劑溶解混合後,塗布在基板上便形成一層光電轉換活性層。

正型半導體與負型半導體互相混合形成奈米級的接觸面,這種結構的電池稱為本體異質結(接面)太陽能電池。如果活性層中的正型半導體與負型半導體可互相形成奈米尺度的兩相分離形態,則太陽能電池會具有較高的光電轉換效率。

半導體材料是一種吸收能量就可導電的材料,一般來說具有1~3電子伏特的能隙。當半導體吸收的能量高於它的能隙能量時,半導體最外層的電子就可從價電子能帶跳到更外層的導電能帶,留下一個帶正電荷的電洞在價電子能帶。這時導電能帶的電子與價電子能帶的電洞可分別進行正電荷與負電荷的傳導,而形成電流。

高分子(塑膠)太陽能電池中的光電轉換層是由低能隙正型與負型半導體混合而成,當太陽光通過透明基板照到光電轉換層時,正型與負型半導體可同時吸收太陽光,產生帶有正負電荷的電子與電洞。通常正型的高分子半導體能隙低於2電子伏特時,可有效吸收紫外光及大部分可見光,如果低於1.6電子伏特,更可以吸收到紅外光區的太陽光能。

由於太陽光照射量最大的部分是落在可見光的紅綠光區至不可見的紅外光區,因此目前塑膠太陽能電池最重要的研究工作,就是尋找較低能隙且能階較匹配的導電高分子,使它可以吸收到更多的可見光及紅外光,以增加光電轉換效率。目前光電轉換效率較高的導電性高分子,有聚3-己基噻吩(P3HT)、雙噻吩環戊烷-苯并噻二唑交錯型高分子(PCPDTBT)等。

可彎曲折疊的電池

為了製造可彎曲折疊的電池,電池的玻璃基板必須改成透明塑膠基板,再把各層材料塗布或印製在基板上。可用來做為軟性透明基板的材料,如聚對苯二甲酸乙二酯(PET),就是常見的保特瓶材料,透光率可大於85%。另外,聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的透光率可達80%,成本雖較高但效果較好。且PEN與PET相較還有些優點,包括耐熱性好、較不透氣與不透水、紫外線吸收力高和抗化學性等。因此,在電池封裝後,PEN軟性基板製成的太陽能電池可維持更好的效率穩定性。

在可撓性的電池製作完成後,為了使電池能在室外使用,必須把多個連接和封裝進行積體化,專業術語稱為矩陣化。矩陣化的積體電池叫做模板,太陽能電池模板必須能適應室外的環境。

以塑膠太陽能電池製作大面積太陽能電池模板時,如果是固定式的光電轉換裝置,則包括電池基板及模板的透光前蓋板都可使用透光玻璃基板。但是,如果是使用於小型3C家電或手持裝置,且為了達到耐摔、耐衝擊的目標,則電池在組裝時必須注意透光蓋板、封裝材料、保護性背板等材料的選擇。一般來說,透光蓋板可以使用PET、PEN等軟性塑膠材料,若不需撓曲功能,則可使用聚碳酸酯類的硬質塑膠材料。

在電池的保護填充材料方面,常使用乙烯—醋酸乙烯(EVA)軟質塑膠板做為電池的前後保護層。至於電池的保護性背板,目前使用的材料是杜邦公司生產的Tedlar(聚氟乙烯)塑膠板,因具有很好的韌性及耐候性。把一個或數個電池封裝在上述的塑膠材料中,可彎折的螢幕配上可彎折的太陽能電池的理想將可實現,而且可達到耐摔、耐衝擊的要求。

未來發展

塑膠太陽能電池使用有機半導體進行吸光轉換過程,有機半導體可在合成製作過程中調整能隙,使它能吸收太陽光譜中大部分的波段。但是,太薄的光電轉換活性層會導致吸光量不足,太厚的活性層又會產生過多的正負電荷再結合及內電阻增加,造成元件效率降低。因此,一般來說,有機半導體活性層的厚度約控制在一百奈米左右,使用材料很少,也使得成本降低。

又為了增加對太陽光譜的吸收,製作串疊型元件是有效的方法之一。把數個電池元件串聯起來,可藉由多個活性層對光的吸收,達到增加吸收太陽光能的目的,而能提高整個電池組的光電轉換效率。

另外,目前塑膠太陽能電池的另一個嚴重缺點,就是元件壽命及效率穩定性不佳。這是由於傳統正型結構的電洞傳輸層材料-聚(3,4-乙烯二氧噻吩)/聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS),會因為PEDOT:PSS的酸性,造成銦錫氧化物(ITO)導電層和PEDOT:PSS電洞傳輸層的界面遭到腐蝕而劣化。此外,在正型結構電池中,也常用鋁金屬做為陰極電極,但由於鋁易氧化,而氧原子會經由氧化鋁薄膜的孔隙或晶界擴散到光電轉換的活性層,造成元件壽命的衰減。

因此,把傳統正型結構反向製作成的反置式電池,目前也在積極研究中。反置式太陽能電池可擁有幾乎與正型結構相同的光電轉換效率,以及更佳的元件壽命和效率穩定性。它的結構是以ITO導電層為陰極,在導電層上加入氧化鋅等的電子傳輸層,然後鍍上活性層及電洞傳輸層,最後再鍍上較穩定的銀金屬做為陽極電極。

塑膠太陽能電池耐摔、可折疊、可隨身攜帶,很適合做為手機、平板電腦、筆電等電子裝置的隨身充電器,也可用於登山、露營等戶外活動。如果能配合有機發光二極體做成的可彎曲螢幕使用,則未來發展可彎折的手機、平板電腦等裝置的目標將可達成。

根據最新報導,日本三菱化工集團已經製作出光電轉換效率達11%的有機半導體材料,預計於2013年上市,若把它製作成太陽能電池,成本約為目前矽太陽板的十分之一。因此,在可見的未來,塑膠太陽能電池的前景是一片光明。
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