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奈米薄膜打通太陽能電池任督二脈

科學家應用奈米光學薄膜原理,將光分波段、分顏色導入不同太陽能電池板當中,使原本光電轉換效率不彰的太陽能電池一下躍升到達50%。奈米薄膜打通太陽能電池任督二脈
 
 
 
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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