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讓太陽能板不與植物搶陽光!專訪國立陽明交通大學物理研究所孟心飛教授分享「有機太陽光電裝置」

112/07/31 瀏覽次數 4140
圖一:有機太陽光電裝置的誕生,可望解決矽晶太陽能板與植物爭搶陽光的狀況,達到與自然共榮的目標。 (影像來源:國立陽明交通大學物理研究所孟心飛教授)

圖一:有機太陽光電裝置的誕生,可望解決矽晶太陽能板與植物爭搶陽光的狀況,達到與自然共榮的目標。 (影像來源:國立陽明交通大學物理研究所孟心飛教授)

2023 年立法院三讀通過《再生能源發展條例》修正草案,規定未來新增建或改建的建築物達一定規模以上者,必須設置一定容量以上之太陽光電發電設備,讓臺灣再生能源發展有新進展。

這道草案正式上路後,雖然可望提高臺灣太陽能發電量,但對於喜歡在屋頂種植花草樹木的人來說,卻是一個擾人的問題。由於現行的矽晶太陽能板會擋住植物所需要的陽光、影響植物生長,因此倘若舖設太陽能板,勢必得放棄屋頂農園或花園,令人感到可惜。

有沒有方法能夠讓太陽光電與植物共榮發展、提高屋頂利用率?答案就是有機太陽光電裝置 (OPV, Organic Photovoltaic)。

國立陽明交通大學物理研究所孟心飛教授指出,傳統的矽晶太陽能板就像一塊厚片吐司,遮光性強無法透光,但有機太陽能板的透光率可控制在 10-30% 左右,雖然發電效率比不上矽晶太陽能板,卻可以創造土地複合式利用的加值效益。

有機太陽能板可以提高透光率的主要原因,在於它和傳統矽晶太陽能板的製程大不相同。傳統矽晶太陽能是在真空環境下運用高溫讓原子氣化再形成柱狀晶體後切割,而有機太陽能板則是將有機材料塗佈在玻璃基板上,待其風乾後就形成一層薄膜,也就是有機半導體。相較於矽晶體,有機半導體不只可以和光照作用產生正負電荷及電流,有機薄膜搭配半透明薄金屬電極之後透光率也較佳。

之前,孟心飛及台師大趙宇強率研究團隊在霧峰農業試驗所建置示範性應用,證實在 20 幾片有機太陽能板的覆蓋下,蔬菜也能順利照到陽光生長。另外,孟心飛也與同校的環境工程研究所高正忠合作「綠屋頂示範」計畫,在環工館屋頂架設 20 幾片有機太陽能板,並在下方建置環工所自行開發的 「DIYGreen 零廢棄循環型屋頂農園」,兼顧發電與農作的雙重效益。

用獨特技術提升發電效率與使用年限

不只建置示範性應用,孟心飛及趙宇強近年來亦積極投入有機太陽光電元件、模組和製程工藝的研究,希望提高大面積有機太陽光電模組的發電效率和使用年限。「以 A4 大小的玻璃基板來看,藉由我們創新研發的刮塗工藝法和模組設計,讓發電效率由 5% 成長到 11% ,室外使用年限預估為 3-4 年,皆領先國際研究,」孟心飛說。

先就發電效率來看,有機溶液塗在玻璃基板表面時,必須要薄且均勻,發電效率才會高。然而傳統大面積基板使用的狹縫塗佈法,是利用壓力將有機溶液從狹縫中擠出去,具有不容易精準控制速率、設備複雜且管線多等缺點。相較之下,孟心飛團隊使用的刮塗工藝法則是用很細的針頭將溶液滴在圓柱體底部,利用毛細現象原理,使圓柱體下的溶液擴散到基板上,在簡單、價格便宜且不需要精密控制的狀態下,就能均勻塗佈。

再就使用年限而言,為解決太陽光中的紫外線會導致有機物結晶、造成薄膜破損的問題,孟心飛團隊透過材料的組合和設計,改善原本有機材料的結晶現象,進而大幅提升有機太陽光電模組在室外運作的穩定性,並讓其在室外使用年限提升至 3-4 年,優於目前國際發表的文獻。

對國土面積有限的臺灣來說,土地如果只能做單一用途,免不了會引起各方產業競逐土地資源,因此讓土地複合式利用、提高土地利用效益,才是比較適合臺灣的作法。有機太陽光電不只能兼顧發電與農耕需求,貼合現今「農電共生」的發展趨勢,還能避免「假種田、真種地」的外界爭議,並改善農作物因為光照不均勻致使品質良莠不齊的問題,加速推動臺灣太陽能發電的發展。

資料來源

● 採訪國立陽明交通大學物理研究所孟心飛教授

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