【科技新知】窗戶化身發電廠 新型太陽能電池壽命長達30年 - Technology - 2021-09-28 | Asia Business Leaders
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【科技新知】窗戶化身發電廠 新型太陽能電池壽命長達30年

28th September, 2021| In Technology

一項由Michigan State University 領導的研究發表一種新型透明的太陽能電池設計,不僅效率高,使用壽命還高達 30 年。若研發有成,太陽能窗戶將能讓高樓大廈化身成太陽能發電廠,人們或許再也不用擔心建築供電問題。

「太陽能是自工業革命以來,人類生產最便宜的能源形式。」、「在窗戶上使用這些設備後,整棟建築物就化身發電廠」領導該項研究的電氣工程教授Stephen Forrest表示。


目前,矽太陽能電池已經在屋頂市場佔據領導地位,這歸功於其越來越便宜和高效的發電方式。不過,太陽能板不透明且體積龐大,實在不甚美觀,因此科學家將頭腦動到適合用於窗戶的太陽能電池上。

Michigan State University指出,為了減少眩光與熱輻射,人們大多會在窗戶表面覆塗塗層。透明的太陽能電池板可以利用這些能源來減少建築的電力需求,而不是將其浪費掉。
 
傳統太陽能材料為不透明、硬脆的矽晶材料,若要開發出透光的太陽能窗戶,勢必得尋找新的光吸收材料。去年該團隊就已研發出效率達 8% ,透明度落在 43.3%的碳基有機太陽能板。

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團隊研發的有機太陽能板雖然顏色有點泛綠,但團隊認為整體看來更像太陽眼鏡跟汽車遮陽的灰色,同時團隊也有研發另一個版本的銦錫氧化物透明太陽能電池,還用銀電極將轉換效率提高到 10.8%,透光度也增加到 45.8%。

有機太陽能電池具有輕薄、低成本、易回收、可撓,可噴塗等優點,未來有機會應用在電動車、飛機機翼、建築物、玻璃甚至是衣服上。該技術有一大挑戰,即是難以拿捏其光敏層厚度:光敏層太厚會減少光電轉換效率與輕便性,太薄又難以用低成本方式製造。

為了在不影響光電轉換效率之下提升光敏層厚度,該團隊用非富勒烯受體(non-fullerene acceptors,NFAs,也有人簡稱 IDIC)來打造有機太陽能的光敏層,進一步將光電轉換效率提升至 12.01%,且即使厚度增加到 300 nm,光電轉換效率也不會下降。

光敏層可說是太陽能電池的命脈,負責將太陽光轉變成電能。為了產生電流,電池吸收光子時會產生電子電洞對(Electron-Hole Pair),並透過「電荷分離」來分開帶正電的電子與帶負電的電洞粒子,讓這些粒子抵達電極來發電。
 
在過去 30 年的研究中,多數有機太陽能電池,有 30% 能量會在電荷分離中遺失,直到近年來科學界找到新型有機材料 NFAs,該材料可減少近 50% 電荷分離造成的能量損失,並讓有機太陽能電池轉換效率突破至 14% 左右,但是電池的壽命並不長久。
 
「非富勒烯受體具有非常高的效率,但包含在高能光子下容易解離的弱點,尤其是陽光中常見的紫外線」Michigan State University電氣工程和計算機科學助理研究科學家李永熙說。因此,想加強電池壽命,就得增加紫外線防禦。

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團隊首先在玻璃面向太陽的一面添加了一層氧化鋅——一種常見的防曬成分,以阻擋紫外線。
 
此外,將帶正電的“電洞”(本質上是由電子騰出的空間)吸引到電路中的電極也可以與光吸收劑(light absorber)發生反應。為了保護那一側,他們增加了另一個緩衝層,這是一個形狀像足球的富勒烯。

富勒烯是一種完全由碳組成的中空分子,具高導電性。

接著,團隊在不同強度的模擬陽光下測試了他們的新防禦,從典型的 1 個太陽到 27 個太陽的光,以及高達 150 華氏度的溫度。通過研究在這些條件下性能如何下降,該團隊推斷太陽能電池在 30 年後仍能以 80% 的效率運行。
 
團隊也已經將模塊的透明度提高到 40%。他們相信他們可以接近 60% 的透明度。另外,團隊還致力於將效率從報告的半透明模塊中實現的 10% 提高到接近被認為在高透明度下可能達到的 15%。由於材料可以製成液體,因此預計製造成本相對較低。
 
 資訊參考來源: Techxplore
 


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