太阳能电池与储能设备技术的开发

[储能系统] 太阳能电池与储能设备技术的开发

太阳每小时照射到地球上的光能量可供人类1年所需,如能充分利用,能源缺乏问题将可获得解决,因此太阳能发电系统成为替代传统化石能源的首选。 8 o1 C& z; h& F\ 太阳能电池

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近年来,科技发展迅速使得人类对能源的需求及依赖与日俱增,导致全世界石油储存快速消耗,价格也持续攀升。在数十年后,可能会出现全球性的能源危机,因此发展替代能源已刻不容缓。此外,石油、煤、天然气等化石燃料燃烧时会产生大量的二氧化碳,对环境造成污染与破坏,更导致温室效应,这是近年来地球气候产生巨大变异的元凶。因此全球对再生能源的重视日渐提高,使得太阳能、风力、水力、生质能等自然且低污染性的绿色能源,在未来更具竞争力。

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太阳光能是取之不尽、用之不竭的天然能源,每小时照射到地球上的能量足够人类1年所需,如能充分利用,能源缺乏问题将可获得解决。此外,太阳能发电系统具有安全、无噪音、无污染、不耗费人力、可长期使用等优点,因而成为未来替代传统化石能源的首选。 ( }; k# k& E5 {

世界各国, 如日本、德国、美国、澳洲等,正积极发展太阳能应用科技,他们努力研发提高太阳能电池光电转换效率的技术,以期能提供足够的电能成为重要的供电系统。 ) i' o& m. P) W\

太阳能发电系统包含:太阳能电池模板、电力调节器、充放电器与变压器、储能蓄电设备等。其原理是太阳光照射在太阳能电池模板上,电池吸收太阳光且把它转换成电能,因此电池的光电能量转换效率越高时,所获得的电能也就越多。 \

太阳能电池所产生的是直流电,须经由直流/交流转换器转换成交流电,以供家庭及工业使用。此外,白天电池所产生的电能,须藉由储能设备储存以提供夜间使用。因此高效能的太阳能电池与储能蓄电设备,是整个发电系统中很重要的组成。: c* I9 ], u& i1 b9 E( { # u# t6 A! u# @5 \\\

太阳能电池种类很多,依材料类别主要有三:硅太阳能电池、III-V族半导体太阳能电池及有机太阳能电池。

硅太阳能电池:硅太阳能电池已商业化量产,市场占有率达95%以上。这类电池又可细分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池与非晶硅薄膜太阳能电池。1 b' o) N5 f) H! I. T 4 A/ q1 w# p5 @2 l+ n( s

硅太阳能电池由P型及N型的硅半导体所组成,在界面处有一内建电场。当太阳光照射时,因光子的能量够大,可使硅半导体内产生电子-电洞对,并受内建电场影响而分离,电子往负极移动,电洞往正极移动,经由导线连接就可获得通过负载的电流,这就是太阳能电池发电的原理。\

单晶硅太阳能电池的材料是由规则排列且高纯度的单晶硅所组成,其纯度、良率及稳定性最高,使用寿命长,且光电转换效率约17%也是硅类太阳能电池中最高的。但原料价格昂贵,因此降低电池价格与提升转换效率仍是目前主要的研发方向。 ; L' u- W\

多晶硅太阳能电池使用品质较低的硅晶原材料,其晶粒较大,含较多杂质,使得光电转换

效率略低,约14%。但制程较简单且成本比单晶硅便宜20%,因而较易推广,主要使用在一些低功率发电系统中,如提供路标照明的发电等。然而近年来硅晶由于市场需求大增,导致原料供不应求,价格因而持续攀升,限制了硅晶太阳能电池产能的提升。$ b+ p8 E. l/ V6 P$ s1 u/ x * n; G* g# o( d

非晶硅太阳能电池也是以硅为原料,经镀膜制程而得,但硅原子排列不规则,制作时可选择玻璃、陶瓷、金属等为基板,不需使用昂贵的结晶硅基板,因而材料成本较低,且无原料缺货问题,再加上制程简易,可以大面积制作等优点,使其颇具竞争力。市场上已有很多厂商投入,但光电转换效率只有约9%,发电成本约为每千瓦小时1.5美元。若效率能提升至12%,成本将降为约1.0美元,接近市电价格。

III-V族半导体太阳能电池:III-V族半导体太阳能电池具有目前最高的光电转换效率,其材料由砷化镓、锗、磷化铟镓等III-V族半导体组成。其中单一接面型的量子井结构,如砷化镓/锗,光电转换效率可达18%以上,而多重接面的结构,如磷化铟镓/砷化镓/锗,效率甚至可达30%以上。但由于材料价格过于昂贵,目前仅局限在太空卫星动力系统的使用,尚无法普及至一般民用。- ^; S: U- y% v& C2 l1 b

有机太阳能电池:由于硅晶太阳能电池原料供不应求,在普及化上遇到了瓶颈,因而加速了次世代太阳能电池的发展,有机太阳能电池就是近年来新兴的类型之一,也被视为第3代太阳能电池。这类的电池依材料可分为两类,一是由有机染料小分子构成,称为染料敏化太阳能电池(dyesensitizedsolar cell,DSC);另一种由有机高分子构成,称为高分子太阳能电池(polymersolar cell, PSC)。染料敏化太阳能电池于1991年在国际期刊中发表后,由于材料吸光特性佳、制程简易、材料便宜、量产容易等特性,近10年来发展非常迅速,世界各国都积极投入开发。/ k0 {' m! W: H, V5 h\& k- P 7 W& o# O' K$ Q\+ P3 j

DSC的结构与硅晶太阳能电池很不一样,主要由导电玻璃基板、多孔洞二氧化钛颗粒、感光有机染料分子、参与氧化还原的液态碘离子电解液、碳或白金触媒层及封装胶材所组成。目前小面积(小于1cm2)的DSC光电转换效率可达10%以上,不过在制成大面积模块后,效率仅约6%左右。/ V; @4 L# ^ V5 L 7 T+ n5 Q7 i5 L- Z/ A( `2 Q, c( D

现今光电转换效率最高的DS C材料,是含有稀有元素钌的有机金属错合物,价格虽比硅晶材料便宜,但仍属昂贵,且电池中液态电解质在长时间照光与操作下恐有漏液现象,因而局限了其商业化的可能。研发低成本的有机非金属染料分子、改良液态电解质和封装技术来提高电池稳定性,是现阶段最重要的目标。7 o% m4 ^\

高分子有机太阳能电池材料主要是类似塑胶特性的有机高分子,重量轻、耐摔、耐冲击、低成本,且具有极佳的可挠曲性,可经由旋转涂布、喷墨印刷等方式制作在玻璃、薄金属或软性塑料基板上,实现大量制造与大面积化的理想。3 J Q4 a/ v7 H6 e : y* I6 t! h/ m' p

虽然目前P S C仍以实验室研究为主,尚未商业化,但上述各项优点使得P S C在未来深具发展潜力。P S C依高分子材料与组件制作方式不同而有不同的光电转换效率,最典型的材料是聚三己基噻吩高分子(p o l y-3-hexylthiophene, P3HT)。实验室PSC的组件制作方式,是把P3HT高分子混合修饰过的碳球材料涂布在玻璃基板上,接着以蒸镀方式沉积,金属电极再加以封装就制作完成。 PSC的发电原理是高分子吸收太阳光产生电荷,藉由修饰的碳球材料使不同的电荷分离并导入相对的电极中,其组件光电转换效率已高于5%,若搭配其它高分子材

料与制程改良,光电转换效率可高于6%。但PSC最大的挑战是高分子材料本身的纯度不如硅晶材料,在长时间照光与使用下,稳定性不足,寿命短,因此目前仍着重于开发高吸光且高稳定性的高分子材料。

PSC由于质轻、可挠曲、材料无污染、可连续印刷、可大面积化、成本低廉,且易整合于不同电子产品上,兼具环保与经济两大优势,如能有效改善其缺点,必能成为太阳能电池产业的明日之星。 , I' x' _- g1 x3 G7 H 储能设备

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储能设备的应用非常广泛,可提供如手机、笔记本型电脑、数码相机、游戏机、电动工具、机器人、再生能源储电系统、电动刮胡刀、UPS不断电系统、电动自行车、电动机车、混成电动车与纯电动车等的动力,未来更可应用在IC卡、软性电子、生医等薄型可挠式产品上。

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目前电子产品的外型要求趋向短小轻薄,因此重量轻、体积小、高储能容量、安全性佳、高功率且无环境污染的储电装置当然受到瞩目。上述的太阳能电池在白天吸收太阳光产生电能后,若能储存于储能装置中,使夜晚、阴天或下雨时也能够有电可用,才能发挥其最大效益。目前重要的储能装置包括锂离子二次电池、超级电容器、超导储能系统等。# S) _. n. R& X9 m, y3 E

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锂离子二次电池:二次电池可反复充电,包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等,目前广泛应用于可携式电子产品中。随着电池的效能、寿命及外型轻薄短小的提升,以及环保意识加强,铅酸、镍镉电池因使用铅镉等毒性重金属而逐渐被取代。镍氢电池虽无污染问题,但镍金属材料价格持续上涨,电池容量也不如锂离子电池,使得锂离子电池市场占有率逐渐提升且发展性颇被看好。

锂离子电池的正极材料一般是由锂镍钴锰氧化物所组成,负极材料是锂碳层间化合物,电解质是含锂离子盐类的液态电解质。近两年来厂商致力开发新型正负极材料,提高电池电容量与功率,使具有快速充放电、大电流放电、寿命长、安全性高、价格低等优点,除了已大量应用于可携式电子产品外,也可应用在更多的动力产品中,如电动工具、混成动力车、机器人、太阳能电池储能系统等。 1 ~; z# d* w& r% d; [

由于锂离子电池的液态电解质在长期操作下,恐会挥发且有露液的问题,因此衍生出使液态电解质固体化的技术而发展出固态薄膜锂电池。以半导体真空制程把电池全固态化,除了可解决漏液及安全性的问题外,也可使电池轻薄化,且依然具备高容量、高功率、寿命长等优点,未来的应用潜力无穷,如IC卡、软性电子产品等。1 u1 E9 x4 S+ c' n' F4 k6 N7 J# W 0 P# F; Y+ [( u

超级电容器:传统电容器常设计在许多电子产品上,用以补偿及储存电荷,维持电子产品的使用效能及寿命。而超级电容器的电容量可以是传统电容器的200倍,虽仍略逊锂离子电池,却比锂离子电池有较高的充放电功率,可瞬间快速放电并可在短时间内完成充电,同时安全性更佳、循环寿命及保存期限长。因此超级电容器的应用面非常广泛,如电子产品、电动汽机车、太阳能系统、不断电系统、航空与国防器材等。1 }\ 8 T! Z$ z7 L9 B: s. E1 }9 ?

超级电容器的储能原理,是藉由电活性或多孔性导电材料经电荷分离或氧化还原反应来储存电能,而电极材料主要是碳系材料、金属氧化物、导电高分子与液态电解质。电极材料是超级电容器的重要成分,影响其性能与生产成本,因此发展新型电极材料是重要课题。4 E3 f\K, ^4 }! ]* f- o% K , [& |' v( |' ?1 `+ R5 F) j

科学家已发展出可在较低反应温度制备的二氧化锰海胆状奈米材料,具备价格低廉、制作简单、结晶性好、可大量生产等优点。随着产品需求与技术的迈进,也发展出导电高分子固态电容器,使用高导电性的有机半导体复合盐材料或导电高分子为固态电解质,进一步解决了液态电容器在高温下可能挥发或爆浆的疑虑,如由聚偏二氟乙烯与三氟氯乙烯结合的新型聚合物压电材料,使得电容器能在较小的电场下储存与释放更大能量。

此外,新发展的高密度层状奈米碳管薄膜电极材料也很受瞩目。它可改善旧有碳材的缺点,具备储存更多电荷、快速放电等优点,更可结合生物技术,如结合生物兼容性的纤维纸,发展出可携带式或植入式生医装置,使得超级电容器更具前瞻性。( v0 D\

超导储能系统:相信大家对时速能超过500公里的磁浮列车印象非常深刻,磁浮列车所用的原理就是应用超导体的超导现象——反磁性与零电阻特性。超导材料在低于其临界温度下,结构中电子与晶格相互作用没有能量的损失,完全不受晶格影响,因此电阻是零,且进入超导态后,会拒绝磁力线进入,因此具有反磁性。1 ?\ g1 X# W$ J0 ^ # [2 y0 m& _* e& B% V+ d& B

早期超导材料的临界温度过低,约为绝对温度4度,因而限制了它的发展性。但随着科学家的努力,逐渐发现高温超导材料,如铜氧化物(绝对温度30~160度)、二硼化镁(绝对温度39度)、碳六十类(绝对温度117度)等,使得超导体应用更加广泛,磁浮列车因此得以实现。( [0 C/ u& q: i$ l: R0 D

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除此之外,因为在超导体内电阻是零,传输电能时不会有电力损失,所以可做为发电厂与城市之间电力输送之用。另外,因电流在超导体内流动不会衰减,若把超导体线圈做得很大,便可储存大量的电流。当需要时,可以把超导线圈的控温区升至高于临界温度,这时电流会被迫向外流,超导线圈便成为强大的电能储存与供应器。显然,超导材料可以提供发电系统一个强大的储能装置。3 y\

新科技的发展会带给人类丰富且便利的生活,“能源”更是驱动社会进步的重要因子,节约能源固然重要,但开发新绿色能源更是刻不容缓。 6 n* F1 M; A( b+ k& L8 Q b% x8 B3 O

太阳光正是宇宙赐给大家最好的礼物,而太阳能电池与储能设备等新能源技术的开发,将使人类在未来能享有更优良的生活环境。

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