基於全新熱力學三角公式,科學家發現雙面太陽能可增 20% 效益

作者 | 發布日期 2019 年 12 月 19 日 15:30 | 分類 太陽能 , 能源科技 Telegram share ! follow us in feedly


雙面太陽能板因正、反面都可發電,除了能吸收日光,也能透過背面吸收地面地面反射光與漫射光,發電效能佳,因此近年來雙面太陽能備受矚目,但裝設在不同的地形也會有不一樣的效果,到底雙面太陽能板能增加多少效益呢?

目前有許多案場都逐漸採用雙面太陽能技術,像是歐洲、日本等高緯度容易下雪國家,若採用此技術,背後模組就可以吸收地面積雪的反光,提高發電效益;裝設在水面上則能吸收水面反光,故也是水面太陽能的選項之一,而台灣也沒有置身事外,首座雙面太陽能屋頂電站更於 2018 年 2 月完工併網。

不過雖說我們知道雙面太陽能可以大幅提高案場效益,但實際能增加多少倒是無解,最近美國普渡大學團隊則開始著手研究這項課題,最後基於太陽能板的轉換效率極限,以及考量到植披、砂石等不同地面環境,研發出熱力學三角公式:Shockley-Queisser triangle(蕭基-奎伊瑟極限三角公式),能在短短幾分鐘內得知雙面太陽能板的最大效益,整體來說,雙面太陽能可增加 15-20% 發電效益。

其中蕭基-奎伊瑟極限就是太陽能板的轉換效率極限所在,半導體無法吸收能量小於自身能隙的光子,即使光子能量大於能隙,半導體吸收光子後還是只能產生跟自身能隙一樣的能量,其他能量會以熱的形式散失,故一般矽晶太陽能轉換效率最高只有 29%。

普渡大學電機工程系教授 Muhammad “Ashraf” Alam 表示,要如何將一個複雜的物理問題濃縮成優雅簡單的三角公式,這需要多年來的建模與研究,如今團隊研發的公式將有助於開發商做出更好的決定以及如何設計案場。

研究指出,雙面太陽能的效率增益會隨著地表反光增加而提高,舉個簡單的例子,大概就是混凝土與草皮的反光差別,混凝土反光能讓雙面太陽能發揮更大的功效,而同時研究人員也透過新的公式,認為透明的雙面太陽能板對未來的農地與建築整合太陽能大有裨益,既不會影響光照,也能提高發電量。

於太陽能電池設計面,普渡大學也提出見解,若能控制半導體材料之間的接面(junctions),也能提高雙面太陽能的發電效益。通常科學家為了順利傳輸電荷,會在不同層之間打造隧道結(tunnel junction),透過量子穿隧效應(quantum tunnelling effect)導通層與層之間的電流,而相較於單接面太陽能,雙接面雙面太陽能將能有效提高發電效益。

由於雙面太陽能的特性,以及太陽能零件愈來愈便宜,未來或許會有更多開發商看好雙面太陽能,根據彭博能源分析,2020 年雙面太陽能板全球市占率可從今年的 4% 躍增至 15%,更有專家估計,到 2030 年,雙面太陽能電池將占全球太陽能市場的一半。

(首圖來源:Flickr/Open Grid Scheduler / Grid Engine CC0 1.0)