電子光電：綠色能源–發電與儲能
99/07/06
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韋光華｜
交通大學材料與工程學系
太陽能電池
近年來，科技發展迅速使得人類對能源的需求及依賴與日俱增，導致全世界石油儲存快速消耗，價格也持續攀升。在數十年後，恐怕出現全球性的能源危機，因此發展替代能源已刻不容緩。此外，石油、煤、天然氣等化石燃料燃燒時會產生大量的二氧化碳，對環境造成汙染與破壞，更導致溫室效應，這是近年來地球氣候產生巨大變異的元兇。因此全球對再生能源的重視日漸提高，使得太陽能、風力、水力、生質能等自然且低汙染性的綠色能源，在未來更具競爭力。
太陽光能是取之不盡、用之不竭的天然能源，每小時照射到地球上的能量足夠人類1年所需，如能充分利用，能源缺乏問題將可獲得解決。此外，太陽能發電系統具有安全、無噪音、無汙染、不耗費人力、可長期使用等優點，因而成為未來替代與綠色再生能源的首選。
世界各國，如日本、德國、美國、澳洲等，正積極發展太陽能應用科技，他們努力研發提高太陽能電池光電轉換效率的技術，以期能提供足夠的電能成為重要的供電系統。臺灣因資源缺乏，90％ 以上的能源須由國外進口，因此加強新能源的研發當然很重要。又臺灣位處亞熱帶，陽光充足，日照量大，發展太陽能電池做為新的替代能源更是合適。
太陽能發電系統包含：太陽能電池模板、電力調節器、充放電器與變壓器、儲能蓄電設備等。其原理是太陽光照射在太陽能電池模板上，電池吸收太陽光且把它轉換成電能，因此電池的光電能量轉換效率越高時，所獲得的電能也就越多。
太陽能電池所產生的是直流電，須經由直流／交流轉換器轉換成交流電，以供家庭及工業使用。此外，白天電池所產生的電能，須藉由儲能設備儲存以提供夜間使用。因此高效能的太陽能電池與儲能蓄電設備，是整個發電系統中很重要的組成。
太陽能電池種類很多，依材料類別主要有三：矽太陽能電池、III－V 族半導體太陽能電池及有機太陽能電池。
矽太陽能電池 矽太陽能電池已商業化量產，市場占有率達 95％ 以上。這類電池又可細分為單晶矽太陽能電池、多晶矽太陽能電池與非晶矽薄膜太陽能電池。
矽太陽能電池由Ｐ型及Ｎ型的矽半導體所組成，在界面處有一內建電場。當太陽光照射時，因光子的能量夠大，可使矽半導體內產生電子—電洞對，並受內建電場影響而分離，電子往負極移動，電洞往正極移動，經由導線連接就可獲得通過負載的電流，這就是太陽能電池發電的原理。
單晶矽太陽能電池的材料是由規則排列且高純度的單晶矽所組成，其純度、良率及穩定性都最高，使用壽命長，且光電轉換效率約 17％ 也是矽類太陽能電池中最高的。但原料價格昂貴，因此降低電池價格與提升轉換效率仍是目前主要的研發方向。
多晶矽太陽能電池使用品質較低的矽晶圓材料，其晶粒較大，含較多雜質，使得光電轉換效率略低，約14％。但製程較簡單且成本比單晶矽便宜 20％，因而較易推廣，主要市場是使用在一些低功率發電系統中，如提供路標照明的發電用。然而近年來矽晶由於市場需求大增，導致原料供不應求，價格因而持續攀升，限制了矽晶太陽能電池產能的提升。
非晶矽太陽能電池也是以矽為原料經鍍膜製程而得，但矽原子排列不規則，製作時可選擇玻璃、陶瓷、金屬等為基板，不需使用昂貴的結晶矽基板，因而材料成本較低，且無原料缺貨問題，再加上製程簡易，可以大面積製作等優點，使其頗具競爭力。市場上已有很多廠商投入，但光電轉換效率只有約 9％，發電成本約為每千瓦小時 1.5 美元。若效率能提升至 12％，成本將降為約 1.0 美元，接近市電價格，如此則真正綠色能源才可能來臨。
III－V 族半導體太陽能電池 III－V 族半導體太陽能電池具有目前最高的光電轉換效率，其材料由砷化鎵、鍺、磷化銦鎵等 III－V 族半導體組成。其中單一接面型的量子井結構，如砷化鎵／鍺，光電轉換效率可達 18％ 以上，而多重接面的結構，如磷化銦鎵／砷化鎵／鍺，效率甚至可達 30％ 以上。但由於材料價格過於昂貴，目前僅局限在太空衛星動力系統的使用，尚無法普及至一般民間。
有機太陽能電池 由於矽晶太陽能電池原料供不應求，在普及化上遇到了瓶頸，因而加速了次世代太陽能電池的發展，有機太陽能電池就是近年來新興的類型之一，也被視為第三代太陽能電池。這類的電池依材料可分為兩類，一是由有機染料小分子構成，稱為染料敏化太陽能電池（dye-sensitized solar cell, DSC）；另一種由有機高分子構成，稱為高分子太陽能電池（polymer solar cell, PSC）。
染料敏化太陽能電池於 1991 年在國際期刊中發表後，由於材料吸光特性佳、製程簡易、材料便宜、量產容易等特性，近 10 年來發展非常迅速，世界各國都積極投入開發。
DSC 的結構與矽晶太陽能電池很不一樣，主要由導電玻璃基板、多孔洞二氧化鈦顆粒、感光有機染料分子、參與氧化還原的液態碘離子電解液、碳或白金觸媒層及封裝膠材所組成。目前小面積（小於 1 cm2）的 DSC 光電轉換效率可達 10％ 以上，不過在製成大面積模組後，效率僅約 6％ 左右。
現今光電轉換效率最高的 DSC 材料，是含有稀有元素釕的有機金屬錯合物，價格雖比矽晶材料便宜，但仍屬昂貴，且電池中液態電解質在長時間照光與操作下恐有漏液現象，因而局限了其商業化的可能。研發低成本的有機非金屬染料分子、改良液態電解質和封裝技術來提高電池穩定性，是現階段最重要的目標。
高分子有機太陽能電池材料主要是類似塑膠特性的有機高分子，重量輕、耐摔、耐衝擊、低成本，且具有極佳的可撓曲性，可經由旋轉塗布、噴墨印刷等方式製作在玻璃、薄金屬或軟性塑膠基板上，實現大量製造與大面積化的理想。雖然目前 PSC 仍以實驗室研究為主，尚未商業化，但上述各項優點使得 PSC 在未來深具發展潛力。
PSC 依高分子材料與元件製作方式不同而有不同的光電轉換效率，最典型的材料是聚三己基噻吩高分子（poly-3-hexylthiophene, P3HT）。實驗室 PSC 的元件製作方式，是把 P3HT 高分子混合修飾過的碳球材料塗布在玻璃基板上，接著以蒸鍍方式沉積一金屬電極再加以封裝就製作完成。
PSC 的發電原理是高分子吸收太陽光產生電荷，藉由修飾的碳球材料使不同的電荷分離並導入相對的電極中，其元件光電轉換效率已高於 5％，若搭配其他高分子材料與製程改良，光電轉換效率可高於 6％。但 PSC 最大的挑戰是高分子材料本身的純度不如矽晶材料，在長時間照光與使用下，穩定性不足，壽命短，因此目前仍著重於開發高吸光且高穩定性的高分子材料。
PSC 由於質輕、可撓曲、材料無汙染、可連續印刷、可大面積化、成本低廉，且易整合於不同電子產品上，兼具環保與經濟兩大優勢，如能有效改善其缺點，必能成為太陽能電池產業的明日之星。
儲能設備
儲能設備的應用非常廣泛，可提供如手機、筆記型電腦、數位相機、遊戲機、電動工具、機器人、再生能源儲電系統、電動刮鬍刀、UPS 不斷電系統、電動自行車、電動機車、混成電動車與純電動車等的動力，未來更可應用在 IC 卡、軟性電子、生醫等薄型可撓式產品上。
目前電子產品的外型要求趨向短小輕薄，因此重量輕、體積小、高儲能容量、安全性佳、高功率且無環境汙染的儲電裝置當然受到矚目。上述的太陽能電池在白天吸收太陽光產生電能後，若能儲存於儲能裝置中，使夜晚、陰天或下雨時也能夠有電可用，才能發揮其最大效益。目前重要的儲能裝置包括鋰離子二次電池、超級電容器、超導儲能系統等。
鋰離子二次電池
二次電池可反覆充電，包括鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，目前廣泛應用於可攜式電子產品中。隨著電池的效能、壽命及外型輕薄短小的提升，以及環保意識抬頭，鉛酸、鎳鎘電池因使用鉛鎘等毒性重金屬而逐漸被取代。鎳氫電池雖無汙染問題，但鎳金屬材料價格持續上漲，電池容量也不如鋰離子電池，使得鋰離子電池市場占有率逐漸提升且發展性頗被看好。
鋰離子電池的正極材料一般是由鋰鎳鈷錳氧化物所組成，負極材料是鋰碳層間化合物，電解質是含鋰離子鹽類的液態電解質。近兩年來廠商致力開發新型正負極材料，提高電池電容量與功率，使具有快速充放電、大電流放電、壽命長、安全性高、價格低等優點，除了已大量應用於可攜式電子產品外，也可應用在更多的動力產品中，如電動工具、混成動力車、機器人、太陽能電池儲能系統等。
由於鋰離子電池的液態電解質在長期操作下，恐會揮發且有露液的問題，因此衍生出使液態電解質固體化的技術而發展出固態薄膜鋰電池。以半導體真空製程把電池全固態化，除了可解決漏液及安全性的問題外，也可使電池輕薄化，且依然具備高容量、高功率、壽命長等優點，未來的應用潛力無窮，如 IC 卡、軟性電子產品等。
超級電容器
傳統電容器常設計在許多電子產品上，用以補償及儲存電荷，維持電子產品的使用效能及壽命。而超級電容器的電容量可以是傳統電容器的 200 倍，雖仍略遜鋰離子電池，卻比鋰離子電池有較高的充放電功率，可瞬間快速放電並可在短時間內完成充電，同時安全性更佳、循環壽命及保存期限長。因此超級電容器的應用面非常廣泛，如電子產品、電動汽機車、太陽能系統、不斷電系統、航空與國防器材等。
超級電容器的儲能原理，是藉由電活性或多孔性導電材料經電荷分離或氧化還原反應來儲存電能，而電極材料主要是碳系材料、金屬氧化物、導電高分子與液態電解質。電極材料是超級電容器的重要成分，影響其性能與生產成本，因此發展新型電極材料是重要課題。
科學家已發展出可在較低反應溫度製備的二氧化錳海膽狀奈米材料，具備價格低廉、製作簡單、結晶性好、可大量生產等優點。隨著產品需求與技術的邁進，也發展出導電高分子固態電容器，使用高導電性的有機半導體複合鹽材料或導電高分子為固態電解質，進一步解決了液態電容器在高溫下可能揮發或爆漿的疑慮，如由聚偏二氟乙烯與三氟氯乙烯結合的新型聚合物壓電材料，使得電容器能在較小的電場下儲存與釋放更大能量。
此外，新發展的高密度層狀奈米碳管薄膜電極材料也很受矚目。它可改善舊有碳材的缺點，具備儲存更多電荷、快速放電等優點，更可結合生物技術，如結合生物相容性的纖維紙，發展出可攜帶式或植入式生醫裝置，使得超級電容器更具前瞻性。
超導儲能系統
相信大家對時速能超過 500 公里的磁浮列車印象非常深刻，磁浮列車所用的原理就是應用超導體的超導現象—反磁性與零電阻特性。超導材料在低於其臨界溫度下，結構中電子與晶格相互作用沒有能量的損失，完全不受晶格影響，因此電阻是零。且進入超導態後，會拒絕磁力線進入，因此具有反磁性。
早期超導材料的臨界溫度過低，約為絕對溫度 4 度，因而限制了它的發展性。但隨著科學家的努力，逐漸發現高溫超導材料，如銅氧化物（絕對溫度 30 ~ 160 度）、二硼化鎂（絕對溫度39度）、碳六十類（絕對溫度 117 度）等，使得超導體應用更加廣泛，磁浮列車因此得以實現。
除此之外，因為在超導體內電阻是零，傳輸電能時不會有電力損失，所以可做為發電廠與城市之間電力輸送之用。另外，因電流在超導體內流動不會衰減，若把超導體線圈做得很大，便可儲存大量的電流。當需要時，可以把超導線圈的控溫區升至高於臨界溫度，這時電流會被迫向外流，超導線圈便成為強大的電能儲存與供應器。顯然地，超導材料可以提供發電系統一個強大的儲能裝置。
新科技的發展會帶給人類豐富且便利的生活，「能源」更是驅動社會進步的重要因子，節約能源固然重要，但開發新綠色能源更是刻不容緩。太陽光正是宇宙賜給大家最好的禮物，而太陽能電池與儲能設備等新能源技術的開發，將使人類在未來能享有更優良的生活環境。
