【能源科技】太陽能過去、現在與未來(二):奈米的力量

作者 | 發布日期 2013 年 06 月 13 日 17:12 | 分類 太陽能 , 奈米 , 能源科技
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許多人認為太陽能電板在製造上已經碰到物理瓶頸,無法再動輒砍半,然而即使電板本身的單位面積製造成本不易再大幅降低,不代表太陽能電池發電成本不能下降,因為太陽能發電成本以瓦計算,而非以單位面積計算,也就是說,即使單位面積成本相同,只要提升每單位面積的光電能源轉換效率,發的電增加,相對成本就下降。若假設太陽能電池模組轉換效率為15%,增加1%的轉換效率,成本就能降低6.25%。




 

第一太陽能打破紀錄 將轉換效率提升到16.1%

因此,各大廠無不積極提升轉換效率,如碲化鎘太陽能電池龍頭,美國第一太陽能(First Solar),於4月打破自己所保持的碲化鎘太陽能電池模組轉換效率記錄,從原本的14.4%躍升到16.1%,此外更樂觀調高其生產線實際量產產品的轉換效率,將2015年的目標從15%調高到16.2%,2016年由16.2%調高到16.9%,2017年由16.4%調高到17.1%。

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2012年第4季,第一太陽能的產品的轉換效率約為13%上下,若提升到17.1%,相當於光是轉換效率提升的部份,就可讓成本降低約24%,因此第一太陽能大膽定下目標,至2013年第一季,其最佳產品每瓦製造成本為64美分,預定到2017年,成本會降到每瓦40美分

從第一太陽能的例子,可以明白轉換效率的提升,讓太陽能發電成本還有很大的降低空間──太陽能發電絕非已經無法再降低成本。

正當第一太陽能等廠商1%、2%的提升轉換效率時,許多野心勃勃的新技術,則打算以5%,甚至倍增的目標來提升轉換效率,他們著眼於奈米科技的力量。

 

轉換效率大躍進──與奈米科技結合

當陽光照射太陽能電池時,有一部份的光,根本沒有進入電池,就被表面反射掉了,目前一般太陽能電池的表面反射掉約30%的光能;其次,太陽光有許多波長不同的波段,太陽能電池只能轉換其中一部分為電能,而就算是可轉換的波段,也不是能完全吸收,有部分會穿過太陽能電池打到基底,這些光能最後都成了廢熱,而太陽能電池一旦被晒熱,轉換效率還會更下降。

如果能減少反射、透射的比例,太陽能電池的轉換效率自然能更提昇。

 

美國Bandgap:奈米矽表面,讓光線無法逃脫

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許多新技術藉由奈米表面,希望改善反射性,增加吸收率,其中野心最大的是Bandgap,Bandgap發展的奈米矽表面,有如城市中的高樓大廈一般一棟棟直直聳立,或可說像刷子的刷毛一樣,如此一來,光照到表面時,不會直接反射,而是在「大樓」間互相散射,最後都被吸收。

Bandgap指出,目前一般的抗反射塗料,只能將反射降到5~8%,而Bandgap的奈米結構,則讓光線幾乎無法脫逃,只有小於1%的光反射出去,因此吸收的光能大增。Bandgap認為其奈米技術理論上可以達到60%的轉換效率,初步目標,則放在38%。

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芬蘭阿爾托大學:奈米天線陣列,可將光滯留

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photo credit: Aalto University

芬蘭的阿爾托大學(Aalto University, A!),也英雄所見略同,提出以奈米表面結構,稱為光滯留奈米天線陣列(Light-Trapping Nanoantenna Arrays),用來把光困在裡頭,以提升吸收率。

阿爾托大學的研究顯示,抗反射塗料雖然可將反射降到7%,但是有46%的光線還是透射喪失了,相對的,透過光滯留奈米天線陣列,雖然有20%的光會反射掉,且奈米陣列本身會吸收掉6%的光,不過透射光減少到8%,因此總體吸收量大增。

 

德國Fraunhofer:以黑矽提升紅外光吸收力

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photo credit: Fraunhofer

德國研究機構Fraunhofer則瞄準紅外光,目前的太陽能電板無法將紅外光轉換為電能,有1/4的光能都因此流失,Fraunhofer提出利用奈米結構增加吸收光譜的辦法,稱之為「黑矽」(Black silicon),研發人員在充滿硫蒸氣的環境中以雷射擊打矽晶表面,創造出無數尖錐狀突起,對紅外光的吸收力提升,總體來說,約可增加1%的轉換效率。

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瑞典Sol Voltaics:砷化鎵奈米線,轉化效率提升1/4

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photo credit: Sol Voltaics

瑞典新創公司Sol Voltaics,則提出直接在太陽能電板表面再加上一層砷化鎵奈米線吸收層的辦法,Sol Voltaics以特有技術大量製造2微米長,直徑100奈米的砷化鎵奈米線,做成可像墨水一般塗布在太陽能電板表面,透過這層額外吸收層,轉換效率可額外提升1/4,也就是說,轉換效率若原本為16%,可提升到20%。

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另一個新材料──石墨烯

目前這些奈米技術都在研發階段,未來量產後,奈米結構還要經得起風吹雨打的考驗,不過無論如何,未來奈米技術一定會在太陽能的發展上佔一席之地。

除了奈米技術,許多新的材料科技也都可望大為提升太陽能電池發電的轉換效率,如石墨烯(Graphene)就被視為是一個有潛力的新興材料,理論上最高轉換率可達60%。太陽能電池的轉換率提升,並非如許多人認為的已到瓶頸,而是百花齊放才剛要開始。

 

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