光電能的現在與未來。

近來太陽能光電的成本逐近下降，政府也積極推動「百萬屋頂計畫」，到底台灣有沒有可能利用太陽光電填補能源缺口，又該不該裝太陽能屋頂呢？ 國立高雄應用科技大學的艾和昌將與我們分享光電能的現在與未來。 艾和昌：光電能的現在與未來 太陽光電能填補能源缺口？ 太陽光電到底能帶來甚麼幫助呢？為了解答這個問題，艾老師調出了2011八月18號尖峰日的電力系統負載曲線圖，那天是大暑，我們發現當天用電尖峰是33.7GW，我們看到各種電力的分布中核電的部份穩穩地持續負載5GW的電量，如果加上核四2.7GW總共7.7，火力也是穩定的，其實我們台灣最怕的就是用電尖峰，我們有許幾個發電機組是為了一年之中最高尖峰的幾個小時存在的，而這些機組動輒好幾十億，非常划不來。 這跟太陽光電有甚麼關係呢？其實很簡單，我們預計到2030年太陽光達到6GW，剛好能補貼用電尖峰的用電。這是核四封存後可能的替代方案，但太陽光電有一個很明顯的缺點，就是只有白天能發電，晚上沒太陽就沒有電，目前太陽光電已經發展快二十年了，在台灣目前只有太陽能從最上游到最下游的產業都能自主，不像風力發電都是進口的修復技術，火力發電要進口煤等等。 太陽能車的歷史 說到艾老師本身再從事的課程，他拿起桌上的太陽能車，那只是一台模型車，有一台「真的」太陽能車在學校裡，其實太陽能車的原理相當簡單，就是太陽光的光能轉換成電能之後儲存在電池裡或直接推動直流馬達，就能推動車體前進，構造比汽油車還單純。 事實上太陽能車歷史久遠，事實上太陽能飛機在1980年就出現了，當時Paul MacCready在1980把他的人力飛機加上了太陽能板，成為第一座太陽能飛機，所以太陽能飛機其實比太陽能車還早出現，兩年後才出現世界上第一台太陽能車，發明者是Hans Tholstrup，他原本是個冒險家，在中東戰爭造成能源危機時沒有人願意支持他從事「浪費石油」的冒險活動，於是他開始想，能不能使用最少的石油行駛最遠的距離呢？但他本身非工程師出生，所以一開始不知道怎麼做，道看到新聞上Paul MacCready成功發明太陽能飛機的新聞後，才受到啟發著手製作世界上第一台太陽能車，那台車首次行駛就以每小時20公里的速度跑了4000公里，但時速還是太慢了，不可能做為將來的代步工具，因此他決定在1987年開始開辦世界太陽能車挑戰賽，地點都是從北澳開到南澳共3012公里，賽規要求就是所有的能源都必須來自於太陽，充電也必須用太陽能，愛老師本身也會帶著學生團隊每兩年打造一部車參賽。 至於太陽能車的製造則是從1987年美國通用公司開始重金禮聘Paul MacCready設計車型，造價100萬美金，之後世界各地的大車廠紛紛投資在太陽能車上，但最後都不了了之，原因是造價太貴消費者無法負擔，之後就是世界各大學校接續參加世界太陽能車大賽，每一屆戰況都相當激烈，1987年要得冠軍平均時數只要66.9公里，到2005年冠軍平均時數要到102.7公里，現在的比賽剛開始的速度基本上時數都定在140左右才有可能獲勝，可見太陽能車的時速已經與一般的車不相上下了。 未來太陽能的展望 1998年太陽電池一瓦要十塊美金，2010年太陽電池一瓦就只要一塊美金了，今年2014年一瓦只要0.3塊美金了，以往一部車要100萬美金，現在一部80萬台幣一定做得起來，所以太陽電池已經越來越便宜了，而且台灣事實上是太陽電池的第二大生產國。 太陽電池生產過程有兩種，第一種是使用矽經過1200度旋轉長晶，稱為單方向結晶，另一種是使用600~900度，稱為多方向結晶，最後切片完畢就成了太陽電池，完成太陽電池之後再封裝成模組，可製成電廠使用、生活物品的使用等等。 現在在政府在推「百萬屋頂計畫」希望一百萬的屋頂上都有3KW的太陽光發電，以目前來說，每度電能回售給台電約八塊，如果屋頂裝5KW，每個，一天發3.6度電，365天下來約可賣55000元的電費，投資成本約每KW7萬，預計八年就能回收。

效率達19％ 鈣鈦礦太陽能電池潛力看好

人們不斷找尋新的太陽電池材料，來達到更好的光電轉換效率。鈣鈦礦（perovskite）最早的研究起於1990年，由IBM的David Mitzi使用有機金屬鹵化鈣鈦礦製作TFT以及LED。2014年美國加州理工的楊陽教授團隊，以真空輔助製程（Vapor-Assisted Deposition）的方式製作出比濕式製程更加均勻的鈣鈦礦結構層。 鈣鈦礦太陽能電池之轉換效率已與矽晶太陽能電池接近，且價格在未來將具有很高的競爭性。 鈣鈦礦太陽能電池之轉換效率已與矽晶太陽能電池接近，且價格在未來將具有很高的競爭性。 據了解，真空輔助製程的鈣鈦礦層其表面粗糙度約23.2奈米，轉換效率達19.3％。另外，根據光電協進會(PIDA)研究，鈣鈦礦太陽能電池除了具有高轉換效率外，成本更是其最大的優勢，其建置成本可望與矽晶太陽能電池模組競爭。 根據牛津大學的鈣鈦礦太陽能電池專家 Snaith博士表示，目前於實驗室之鈣鈦礦太陽能電池成本約0.4美元／瓦，屆時如果於工業量產，將可望將成本再減半。而根據ITRPV於2014年之報告中數據顯示，2020年時，非中國製的矽晶太陽能電池模組（60-cell double-sided contact c-Si cell module）之價格將可能由目前約0.6美元／瓦降低至約0.45美元／瓦。屆時鈣鈦礦之建置價格若真能以接近0.2美元／瓦的價格販售，將具有很大的競爭性。 鈣鈦礦太陽能電池之轉換效率已與矽晶太陽能電池接近，且價格在未來將具有很高的競爭性。不過，美國加州理工的楊陽教授表示，由於目前尺寸仍然是1吋x1吋，離商用等級1公尺x1公尺仍有段距離。預計仍需約5年方可進入工業量產階段。 另外，2014年10月開展的奈米展中，由台灣大學林唯芳教授團隊所研製出來的鈣鈦礦太陽能電池，也達到轉換效率15.6％的水平，並在美國已申請專利，期預計產出的電力成本低於0.3美元／瓦。 因此台灣在未來之競爭仍有機會；如果能與產業合作，完成耐久性測試，以及完備製程技術等商業化階段，或許有助於儘快將太陽光電的主流技術推進下一世代。

科大突破光電轉化 太陽能手機有望

高分子太陽能電池輕巧且易於大量生產，顏河（中）帶領的研究團隊最近更將其光電轉化率推高至逾10%。歐陽文倩 攝 香港文匯報訊（記者 歐陽文倩）現代科技令太陽能電池能像相機的膠底片般「打印」出來，但由於其光電轉化率始終無法突破10%，令它的應用大大受限。香港科技大學化學系助理教授顏河的研究團隊與美國北卡羅來納州立大學合作，研發出新的材料設計原則，並創造出3種新的高分子材料，將之加以組合，一年內成功找出5組太陽能電池的材料組合，光電轉化率高達10.1%至10.8%，突破科學界的瓶頸。未來手機、平板電腦隨身藉陽光充電再不是夢，遙控器也可以不再需要電池。 轉換率推高1%突破瓶頸 說起太陽能電池，不少人想起的都是用單晶硅片製成、硬硬的太陽能板，但其實現時太陽能電池已能透過「印刷術」，製成如相機膠底片般的「高分子太陽能電池」（Polymer Solar Cells）。這類電池能大量生產，成本又低，比傳統的更輕巧，且不容易碎。不過，由於它的光電轉換率一直只得2%至4%，全世界現有約500多組科研團隊努力鑽研，也只能找出兩組材料能達到9%，但相關材料卻難於大量生產，一眾科學家已在有關瓶頸苦苦掙扎了4年。 顏河帶領的研究團隊，卻於這時發現了一個結構單元，亦是團隊研發的3種高分子材料共有的特質。這種結構單元令材料隨溫度而產生質變。在攝氏85度時，材料是紅色的液體；在25度時，它則是墨綠色的凝膠狀。研究團隊發現，這樣的材料特別適合應用於太陽能電池上，於是團隊藉此順藤摸瓜，再配合相應的富勒烯（Fullerene）受體，研發出更多的材料組合。剛於本周一在《自然通訊》上發表的論文，就詳述了研究團隊一年來所找出的5種材料組合，其光電轉換率都高達10.1%至10.8%，突破了科學界的瓶頸。 顏河笑言，雖然9%和10%看起來差距不大，但卻是行內人的一個「心理關口」，「因為傳統太陽能電池最差的也能達到10%光電轉化率，高分子太陽能電池則因為達不到這條界線，而不受重視，所以這次能突破，也有很大的意義，並為未來再進一步的研究定下基礎。」現時，研究團隊於實驗室的最新結果，已進一步把光電轉化率推高至11%。 非洲國家可成「充電神器」 有關的研究將有助手機、平板電腦隨身充電，於光線充足的非洲國家更可成為「充電神器」；遙控器只要接上手指般大小的高分子太陽能電池，就不再需要其他電池便能運作。團隊的研究成果雖然突破了科學界瓶頸，但仍有一些困難待克服，例如相較傳統太陽能電池有10年至20年壽命，高分子太陽能電池的壽命只有5年至7年；而一般工業用電，也需要有20%的光電轉換率等等。研究團隊都會再進一步從這些方面研究突破。 此外，顏河亦表示，他們希望研製出疊層的高分子太陽能電池，以善用太陽能光譜下不同的光，在吸收可見光之餘，還要吸收見不到的紅外光，「但這要求更多的配合，會有點困難。」