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奈米薄膜打通太陽能電池任督二脈

102/07/25 20197

黃承揚｜英商牛津儀器

午後雷陣雨過後總是烈陽高照，你是否有觀察到馬路邊水灘上的油膜總是映照著七彩反光？其實當任何物質薄到奈米等級的厚度時，光線穿透該物質，由於干涉現象會使光分出七彩的顏色，而這正是奈米光學薄膜。

太陽能板是矽半導體材料藉由光電轉換效應吸收陽光來發電，然而大部分的矽太陽能電池板只能吸收狹窄的陽光光譜，當全光譜的陽光照射下來，只有少部分的能量可以轉換成電，其餘都成為廢熱而浪費掉了。以目前最佳的多晶矽太陽電池為例，其也只有19.5%的轉換效率，一般市售產品的轉換效率更不超過17.4%到17.8%。然而，在學理上紫外光的能量有9％，可見光與紅外光分別有47％與 44％的能量，但我們卻無法有效轉成電能；這正是綠色能源備受重視，卻無法普及的最大關鍵因素。

在日本「nano tech 2013」國際奈米科技展中即展出了有關提高太陽能發電效率的濃縮板。如何將奈米技術與綠色能源結合，相信將會是在2013年10月即將登場的台灣奈米科技展中重要的議題。2013年4月，美國加州理工學院(Caltech)的愛華特研究室(Atwater research group)提出了「超高效率太陽能技術」：讓原本的太陽能設備效率從20%躍升成為50%，足足提升1倍以上。此一創新發明也榮獲2013年MIT十大突破技術(10 Breakthrough Technologies )的殊榮肯定。

此一高效能的太陽能電池設計不著重在矽晶材料上的效率突破，而是使用奈米多層薄膜堆疊，達成光學濾光片的效果。如同彩虹一般，取出各個顏色的光譜，將不同顏色的陽光導入不同吸收波段的太陽能電池板裡，讓陽光能善盡利用，沒有浪費的問題，而最後累加起來的效率，一舉突破了太陽能電池光電轉換的物理限制。

奈米多層膜的光學濾波器是藉由高低折射率的氧化材料堆疊而成，例如：二氧化矽(SiO2)與五氧化二鉭(Ta2O5)的組合，其折射率分別為1.46與2.05，當光通過每層大約50~150nm厚度的多層膜結構，由於折射率的差異所產生之光學干涉效應，而讓光線來回折射於多層膜結構當中。建設性與破壞性干涉效果，而產生高反射與高穿透的特性，讓特定波長的光能量穿透進入太陽能電池板吸收，而其他波長則反射給下一個太陽能板吸收利用。

奈米技術所發展的光學多層膜濾光片，就像是藏身在太陽能產業價值鏈後端的高手，在它出手奧援下，打通了太陽能電池的任督二脈，是產品加值與效率提升的關鍵角色。（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：楊谷洋｜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

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奈米薄膜打通太陽能電池任督二脈

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