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染料敏化太陽能電池技術于3C的應用

鉅大LARGE  |  點擊量:1141次  |  2020年01月01日  

隨著全球石化資源的日益枯竭及CO2導致的溫室效應,綠色替代能源的研發已成為必要的發展趨勢。尤其以太陽能電池發展與應用最被矚目。為扶植我國太陽光電產業成為下一波的明星產業,工研院于2006年成立太陽光電科技中心,募集優秀頂尖之研發團隊,并結合產學研團隊與國際合作,開發各種嶄新且自主的太陽光電技術。在本次之DTF3C產品節能技術與低功耗設計論壇中,由工研院太電中心童永梁博士,主講「染料敏化太陽能電池(Dye-SensitizedSolarCell;DSSC)」技術,以及目前業界的相關產業鏈、專利分析與3C產品的應用。


工研院童永梁博士。


太陽能電池的發展,從第一代單晶硅PN半導體形式,到第二代非晶矽、砷化鎵(GaAs)等其它半導體材料,以薄膜化或多接面串接來提升轉換效率,逐漸進化到強調低成本、制程設備與原料取得容易,且可彎撓的第三代太陽能電池,而其中以「染料敏化太陽能電池」(DSSC)發展最被看好。1991年第一個能源轉換率8%的DSSC染料敏化太陽電池由Graetzel于Nature期刊上發表,其結構上大致是由兩片ITO或FTO導電玻璃層內,以奈米尺寸的TiO2二氧化鈦顆粒,涂布特制染料分子與KI3電解質所組成。


雖然DSSC電池量產品轉換效率(5~11%),尚不能與已發展數十年的量產單晶硅薄膜電池與結晶矽電池動輒10~24%相比,但其選用原料成本低廉且較為無毒,加上可運用印刷技術的簡單制程設備,每單位瓦特制造成本僅比矽晶型太陽電池的5~10%,同時DSSC轉換效率不受日照角度影響,轉換效率隨溫度上升而增加,有比較佳的累積發電量。矽晶太陽能電池受限于環境溫度拉高時轉換效率會降低,一般適合安裝在較高緯度(天氣較冷)地區;而染料敏化太陽能電池則是不受溫度與日照角度影響,因此在日照充足、氣溫炎熱地區如臺灣,競爭力也會優于矽晶太陽能電池。


特別是DSSC產品具備可撓性與可透光性,能搭配不同顏料呈現不同顏色外觀,以及憑室內光源也能發電的特性,適合于需要大量空調與照明電力負載的現代化玻璃帷幕大樓,同時作為遮陽、絕熱及發電利用,達到建筑物節能與再生電能的雙重能源效益,因此DSSC染料敏化電池極可能成為下一世代廣泛應用的太陽能技術,其應用市場可說相當廣泛。


2009年開始,如日本寫真印刷、Sharp、Panasonic、Sony、Samsung、TDK、Fujikura、Peccell、Solaronix等大廠均積極布局。而從上游到下游,無論是TCO導電鍍膜玻璃,TiO2二氧化鈦、印刷技術、染料與電解液,以及產品的封裝技術,國內都有自給自足的制作技術,目前正是國內廠商趁早卡位布局的時機。


若要做可攜帶的太陽能電池的3C裝置,動輒至少幾十到幾百平方公分面積的光電板模塊設計,形成了可攜體積上的限制。但常在3C產品能見到的鋰電池,受限于能源儲存密度理論極限3,000mAh來看,下世代可攜式能源,也許可從太陽能電池免費充電,搭配鋰電池的儲存密度兩相配合來達成。


目前像英國G24發明可攜式可卷曲的太陽能充電塑料墊,轉換效率僅2.5%,但可以充手機電源,整組售價20美元。在日本2009年EcoProductsFair環保產品展覽會上,也有不少大約如3.2寸屏幕的智能型手機大小的太陽能充電器,可以憑借日光或室內光源,來對較小型的3C裝置如Mp3隨身聽充電。但受限于目前太陽能電池轉換效率仍太低、制造成本與發電成本仍然偏高的情況下,產品的附加成本與售價能不能為消費者所接受,是一項嚴肅的課題。


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