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奈米技術大合體,彩色太陽能電池大放異彩

2013年10月30日,台灣太陽能展於台北世貿一館正式登場,會中除展出各家廠商的電池、模組、設備外,也設置高聚光型太陽能染料敏化太陽能太陽光電發電系統等專區,呈現出台灣太陽光電產業的研發成果
 
 
 
2013年10月30日,台灣太陽能展(PV Taiwan)於台北世貿一館正式登場,會中除展出各家廠商的電池、模組、設備外,也設置高聚光型太陽能(HCPV)、染料敏化太陽能(DSSC)、太陽光電發電系統等專區,呈現出台灣太陽光電產業的研發成果。

太陽能電池產業在經歷近幾年的合併整合,並創新開發多元化產品,終於突破大陸業者瘋狂傾銷的攻勢,2013年更有多家台灣業者均能轉虧為盈。在太陽能電池競爭激烈的市場裡,為不讓產業淪為「毛三道士」(產品毛利只剩3%),開發高附加價值產品乃是不變的定律,而多色彩的染料敏化型太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cells, 簡稱DSSCs)就是個成功的案例。由此可見,用一系列奈米技術拉高產品門檻,包含:氧化鋅奈米柱(ZnO nanowire)、氧化鋅透明導電膜、奈米量子染敏材料,才能有機會積極突圍太陽能產業強勢之競爭。

2013年11月,英國每日郵報(Daily Mail)有篇有趣的科技消息,報導指出:「英國倫敦大學瑪麗皇后學院(Queen Mary University of London)和倫敦帝國學院(Imperial College London)合作開發氧化鋅奈米柱應用於太陽能電池中,藉由高分貝的音樂,例如流行樂和搖滾樂高音頻產生的振動,提高太陽能電池的發電效率達40%。」這項讓太陽能電池聽流行音樂的研究,其趣味性似乎大於實際商用之可行性。但不可諱言,氧化鋅材料在染料敏化型太陽能電池內確實扮演相當重要的角色。

染料敏化太陽能電池或稱染料增感型太陽能電池,是第三代奈米薄膜太陽電池,其基本結構是利用寬能隙與高載子遷移率的金屬氧化物作為載體,支撐染料分子與傳輸光注入電子(photo injected electrons),而氧化鋅奈米柱則是最佳的載體與多孔質電極,用以化學水熱法使染料分子吸附在氧化鋅奈米柱的表面,所採用的染料為參雜CdSe量子點的ruthenium polypyridyl complex的染料,再將此一奈米柱塗布在電池電路的陽極上做為感光層;在感光層和陰極間則加上一層含有iodide/triiodide的電解質幫助導電,最上層的電極則使用氧化鋅透明導電層,提高穿透率與電光轉換效應。從上述的說明,染料敏化太陽能電池是奈米技術的大合體一點也不為過。

目前DSSCs電池的最高轉換效率約在12%左右,製造過程簡單,成本是傳統矽晶太陽能電池的五分之一到十分之一,量子染敏材料是可以調配多種色彩的,讓太陽能電池不是只有單調的灰黑色,同時奈米柱結構與奈米尺度的有機染料,讓DSSCs電池成為可以任意彎曲的太陽能電池。DSSCs電池相當適合貼附於遮陽板、建築窗材,或是玻璃帷幕大樓,作為遮陽、絕熱及發電的功能,達到綠色建築節能效益。

另外奈米體表面積效應,讓電池的光電轉換效應敏感,即使在一般室內光線也可充電,作為電子產品的輔助電池,或做成可摺疊的外接裝置,讓使用者隨身攜帶如此輕薄的發電裝置,這是只能在大太陽下才能工作的矽晶電池所無法匹敵的,也可以看出DSSCs電池市場商機潛力龐大。

近年各國針對太陽能發電補貼政策相繼進行修正措施,使得廠商不能再打著綠能環保的名義,持續仰賴政策補貼維持營收。唯有靠研發與創新產品,才是逆轉虧損窘境的不二法門;而奈米技術的引入,拉高技術的困難度,讓不健康的削價競爭策略得以制止,DSSCs太陽能電池正是最好案例,未來可預期看見的是發展多色彩可撓式DSSCs太陽能電池,正好迎合綠建築設計的趨勢與市場。(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/2013年/11月)

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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