可撓式太陽能電池的應用
李昌駿 副教授
隨著全球暖化與環保意識提升，再生能源的應用與發展逐漸成為能源議題的主流。其中，太陽能為再生能源重要角色之一，其源自於每日所見的太陽，屬於取之不盡、用之不竭的能源。太陽能發電過程中不產生任何輻射，不燃燒化石燃料，不發出噪音且架設便利；日常生活中隨處可見太陽能發電的實例，諸如：計算機、路燈、熱水器等等。而透過大量太陽能電池此一裝置之使用，能夠將太陽光轉換為電能，供給日常用電；且若與台電申請併聯電網（如圖1所示），多餘的電力亦可銷售給台電，減輕傳統化石能源諸如如火力發電等之使用，用以減低碳排放量。一般太陽能的應用有兩種型式，即太陽熱能與太陽光能。其中，太陽熱能即利用太陽所散發出來的熱來產生能量。太陽熱能在日常生活中主要應用於太陽能熱水器。在國外如以色列與美國等國家之部分地區，因其日照時間長且具有廣大的空地，得以建造太陽能塔(參考圖2)。另一方面，太陽光能的蒐集主要利用矽基太陽能電池將光能轉換成電能以供使用；主要原理為利用大範圍之反射鏡將太陽光反射至高塔尖端對鍋爐進行加熱；加熱產生之蒸氣再推動渦輪進行發電。相較之下，台灣因為缺乏大面積土地與日照時間短等氣候因素，較不適合建造太陽能塔。
圖1 併聯型太陽能發電系統概略圖 (圖片取自 原生生活 太陽能發電系統的類型)。
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圖2 太陽能塔 (圖片截自https://zh.wikipedia.org/wiki/File:PS20andPS10.jpg)。
上述太陽能發電，僅需要透過架設太陽能板或大面積反光板即可達成；然而，傳統矽基太陽能板具有重量重、生產成本高、結構堅硬與不耐衝擊等缺點，因此其應用層面較為狹隘。而「染料敏化太陽能電池」(DSSC)的出現，則為太陽能電池提供另一新的風貌。DSSC透過「染料」吸收太陽光並轉換成電能；因擁有製造成本低、製程容易、可撓性、多彩性與可透光等特性，成為近期太陽能產業發展的主流之一，可應用於建築整合太陽能(BIPV)之建材選擇。縱使DSSC擁有以上多種優勢，但仍然有許多問題需要克服；如DSSC所使用的染料將大大影響其發電效率。目前，國外有研究團隊利用超級電腦篩選出最佳之染料以符合需求。相較傳統矽晶太陽能電池，DSSC之有機染料在遭受到陽光長時間曝曬後，分子結構會被破壞，能量轉換效率即大幅遞減。目前DSSC全球最高轉換效率僅8.31%，故距離商業化量產與應用仍很長一段路要走。
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圖3 可撓式太陽能電池。
為了因應人們對於用電方式與應用多樣性之需求，近年來，科學研究人員發展出以軟性基板作為載體的可撓式太陽能電池。有別於傳統太陽能板給人硬梆梆、厚重的印象，可撓式太陽能電池基板選用塑膠薄膜材料，具有成本低、重量輕、可彎折，以及便於攜帶等特點。透過捲對捲製程達到大量生產，大大增加商業價值。目前，市面上已有多種配合可撓式太陽能電池的應用(參考圖3)；利用其所帶來的便攜性，在任何有陽光的地方皆能即時提供電力來源。諸如現今手機、筆記型電腦或平板等3C產品都需要連接充電器，才能維持長時間工作的需求。一旦到了戶外沒有插座供應電源時，就必須仰賴行動電源或替換電池以維持電子產品繼續運作。多虧可撓式太陽能電池的發展，人們可以隨身攜帶，使用上僅需將太陽能電池攤開曝曬在陽光下，即能利用太陽光隨時進行充電。另外，利用其機動性與可彎曲等特性，將可撓式太陽能板黏貼於汽車車頂，在汽車未發動時可提供電力來源，省去透過電瓶提供電力，對喜愛露營的族群亦是一大福音。關於建築物方面之應用則可參考圖4；建築整合太陽能(BIPV)的概念為太陽能的使用提供一全新的突破。BIPV即為利用太陽能電池材料取代傳統建材的建造方法；例如：外牆使用太陽能板組成，而窗戶或玻璃帷幕則採用透光性較佳之太陽能模組，如「染料敏化太陽能電池」；在一般由玻璃帷幕組成之大樓更適合此應用。此舉不僅讓建築結構由傳統被動式安裝太陽能板成為主動式的發電結構，同時又兼具有阻絕外界熱量進入室內的功能，在發電之餘亦減少室內因為空調所消耗的電力。儘管目前因為轉換效率較低與使用壽命較短的考量，大多數BIPV建築仍採用矽基太陽能電池做為主要結構，但可撓式太陽能電池仍具有發展潛力，且在BIPV結構方面尚有應用的空間；例如：建築物中如遮雨棚、遮陽板等之曲面結構。當可撓式太陽能電池與染料敏化太陽電池的發電效率提高時，將會大大改變目前太陽能電池在生活中的各種應用。
圖4 BIPV實例：南瀛綠都心5號公園 (圖片截自 台南旅遊網)。
科技始於人性，人們對於潔淨能源與使用方便性增加，太陽能因具有乾淨且發電過程零汙染的特性，故可以滿足此一需求。目前太陽能電池的發展已由以往需要支架且攜帶不便的矽基太陽能硬板，轉為使用塑膠薄膜製作的可撓式太陽能電池。未來除了持續提高其發電效率外，將積極往手持與穿戴式裝置甚至與衣物進行結合。目前日本已有學者發展出一種超薄型太陽能電池，具有可彎曲、可水洗的特性。透過縫紉技術將此超薄型太陽能電池縫在衣物上，大大增加使用的便利性。試想未來若這項技術純熟且開始商業量產時，路上人人皆能利用身上穿著的衣物，替手上的行動裝置充電。另一方面，由環保角度觀之，雖然太陽能發電過程雖不產生污染，但生產太陽能電池裝置所消耗的大量能量與相關廢棄太陽能裝置的回收，亦為必須重視的課題，亟待該領域之研究人員在潔淨能源之開發與環境保護間，找尋一可雙贏的解決方案。
