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讓太陽能板彎曲!可撓印刷式太陽電池「做」到了

2017/12/29 |採訪撰文:謝惠子 點閱人次: 1179

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可撓印刷式太陽電池具備輕量、耐摔、可彎曲特點,轉換效率達14.6%
圖片提供/工研院綠能所

太陽能板也會轉彎!工研院將研發能量聚焦在「輕量」與「生活化」上,用心力「印刷」出獨步全球的可撓式太陽電池,為台灣綠能科技軟實力再添一筆光彩。

露天咖啡座下,四張雅致的椅子留住漫遊的腳步,遊客的目光依舊是鎖定在手機螢幕上。不過等等,為什麼會有電線從頭頂上的遮陽大傘垂落下來,而且電線的另一端還是接在客人的手機上?

你沒看錯,這是「2017基隆城市產業博覽會」現場,一群婆婆媽媽們正興致高昂地體驗著工研院展示區的研發新品:「可撓印刷式CIGS太陽電池」。

「哇!不錯嘛!真的可以充電耶~」前來體驗的民眾不斷發出驚喜和讚賞。

民眾於「2017基隆城市產業博覽會」上體驗可撓式太陽電池充電的便利
圖片提供/工研院綠能所

參與專案研發的工研院綠能所「化合物太陽電池研究室」謝東坡博士,滿臉興奮的說:「我們在16片三角形的傘布上,共設計了8組CIGS次模組,然後兩兩併聯,提供4組USB輸出,每組的發電量大概是7~8瓦左右,其中2個留給民眾現場體驗手機充電,1個給休閒傘的LED燈使用,剩下的1個供直流播音喇叭使用。很高興看到民眾對於太陽能產品的接受度這麼高,而且樂於嘗試體驗,甚至是希望下訂單購買,這是6年前我們研發團隊想像不到的好成果。」

這條會「彎曲」的研發之路從零到有,軟性CIGS研發團隊幾乎是天天泡在裡頭發現問題、面對問題,然後逐步解決問題並摸索著前進,備嘗艱辛,甚至有一度想過要放棄!還好終究是挺了過來、一切努力都有了回饋。

即使太陽光電已經發展許久,但大部分的人卻沒有使用經驗,就算想嘗試也不知從何處取得,因此「太陽能使用還是要回歸到怎樣走入民生」,是研發團隊共同的目標,現在就跟著謝東坡的分享,一起用心感受太陽電池是如何被「印」出來的「曲折」迭起!

CIGS太陽電池

是指由Cu(銅)、In(銦)、Ga(鎵)、Se(硒)等4種原料組成的化合物薄膜太陽電池,可將太陽光轉換為電能。電池結構通常為P-N接面,其中P型吸收層由Cu(In,Ga)Se2材料構成,故稱之為「CIGS太陽電池」。


可撓印刷式CIGS太陽電池:會「彎曲」的溫柔

可撓印刷式CIGS太陽電池,簡單來說,就是把發電料材以印刷技術塗布上去,成品具備輕、薄、可彎曲、不怕摔、又方便攜帶的特性,突破傳統太陽能板給人硬梆梆、不能彎曲折疊又太重的刻板印象。

「其實在8、9年前,台灣對於可撓式太陽電池是相當陌生也不太懂的,所以工研院與中科院在同時間提出這個技術構想。」謝東坡回憶道,從國防需求來看,希望能源物件可以做到「隨身攜帶」及方便使用,這點很容易理解,因為當時美國軍方也有一家公司專門在產製這類元件。工研院則是以國家型的科專計畫角度出發,並考量到太陽光電產業長遠的發展,「覺得應該要為台灣找出下一個世代的新技術,並且是國產國造的。」

謝東坡博士分享團隊研發可撓印刷式太陽電池的心路歷程
攝影/謝惠子

基於這樣的理念,研發團隊決定放手挑戰困難度更高一些的「印刷式」太陽電池。其實他們當初跨進太陽電池領域時,最先是以真空製程技術來進行,卻發現相關設備較為昂貴,且技術、設備及材料大多掌握在德、美、日等國手上,儘管使用的材料容易找得到,卻難以達到「低成本」與「大量製造」的期待,因此將研究方向調整為「印刷」方式。

「印刷方式的概念是這樣的:希望以後製作太陽電池時,是不是可以用印報紙一樣的操作模式來生產,不但速度快,量也多。更重要的是,當時美國也有一家公司在做印刷式的,可我們不願意關鍵元件技術總是掌握在歐美大廠手中,因為這意味著突破空間也會變少。」就這樣,懷抱著與美國並駕齊驅的雄心,屬於台灣本土的「印刷式」太陽電池正式起步。


3年苦熬,0.5平方公分迷你版成形

開創之路寂寥而艱苦,因為投入的前2年幾乎沒有成果。

「明明真空設備製造的太陽電池在國際間的發展期程也超過20年以上了,可是漿料印刷技術連小尺寸0.5平方公分的太陽電池都做不出來!」團隊驚覺到用印刷技術來做,實在是太困難了,縱使是投入15至20位碩博士專家,還得兩兩一組的漏夜輪番上陣,一樣難以突破。

謝東坡解釋,製作印刷式太陽電池一來要有漿料,這要用到化學人才,二來要大面積製造,要有化工背景,再來是跟電有關的專業,所以需要電機人力,另外還要有材料、製程整合的人,加上有一些物理特性在裡頭,所以物理人才也需在列,「所以說已經是一條龍包括上、中、下游的所有人才匯聚與應用,就像是業界的模組廠一樣,」說明了每個細節都需要特定的專才來負責。

就在研發頻頻觸礁、大家都想放棄的時候,非常奇妙的,轉機出現了!「因為是從零到有,所以無法明確歸納是哪個步驟有了成果,而是看到一個極細微的變化,這個變化能夠支撐計畫再次走下去!」這個戲劇性的進展,讓電池的轉換效率、穩定性開始到位,團隊也在失敗與反覆修正的過程中,逐漸摸索到印刷製程其實是有規則可依循的,所以在第3年(2012年)終於做出0.5平方公分大小的試成品,轉換效率達到14.2%。

「雖然與一般太陽電池的效率18~20%相比還是有段差距,但是以軟性基板、印刷技術的領域來說,已經是世界級的水準之作了。」可是這份喜悅沒有持續太久,因為通過小尺寸試圖要再放大面積的製程中,研究又被打回原形、重新落入困頓!原因是只要有一個參數、小細節的改變,就會牽一髮而動全身,經過印刷排列上去後的結果,成品出現大面積不均勻及生產上種種的問題,致使轉換效率無法均一,「簡單來說,就是有如奧運選手跟小學生牽手賽跑一樣的不協調!」謝東坡苦笑著說。

所以團隊又耗費1年多的時間做調整,終於成功把面積放大、效率變好。「看到它們願意排排站的團結在一起發電,真好!」

耗費近5年時間,大尺寸軟性太陽電池終於有了試成品
攝影/謝惠子

「我們的第1個產品很醜,但是堪用,是用普通的線路自己動手串接起每一片,長相不整齊,尺寸也不齊,不夠高富帥就是了!非常有個性及自由意志:『我就想長這樣,不行嗎?我就是幼稚園的程度,沒辦法排排站』,有些歪斜扭曲的真樸。」――謝東坡


「漿料」技術獨特,有了成品更要論環保!

講完這些甘苦談之後,謝東坡方才笑嘻嘻的將訪談導入核心技術的分享,他認為技術本來就深奧難懂,何妨先以生活化的故事來暖暖場,才不至於枯燥乏味。

「這個技術最大的能量就是在『印刷』上面,既然是印刷,就要有墨水,也就是『漿料』。」謝東坡以柳橙汁調配做比喻:一杯水,放進一些零碎的柳橙顆粒,接著滴入黃色調色劑,重點是要加入「起雲劑」,進行濃度及口感的調整後,就會變成一杯看似很濃醇香甜的柳橙汁!「我們的漿料混合了3種成分奈米粒子,算是獨門配方,漿料的均勻度和穩定性高,黏度適中,而且採用了水系溶劑,既環保又可以避免有機溶劑經過熱處理所殘留的碳及雜質,讓成分組成與量產能夠更加穩定。」

目前實驗室1天已可自製10公升的漿料,這樣的量足以做出2萬片的太陽電池(每片約100平方公分)。至於濕式塗布上料技術,則是以類似金屬刮刀的設備,均勻地將漿料濕覆在基材上,因為是濕的,接下來就是高溫加熱烤乾(耐熱度達到120~130度)、鍍膜、結晶的熱處理及剩餘電池製程,也就完成可以吸收陽光、薄如銀翼的太陽電池了。

聽起來好像很容易,可是事實上一點都不簡單,因為就在製作小尺寸再到放大尺寸的過程中,團隊還警覺到鍍膜處理所衍生的環保問題。原來在鍍膜過程後會殘留下有害的化學藥劑,如果隨意排放將對環境造成可怕的污染,必須經過加工處理才能進行廢棄,可是如此一來又將耗費更多的能資源。

為此,他們發展出「新式低廢液化學浴鍍膜技術」,能夠降低50%的廢液剩量、節省能源損耗1倍及縮短一半的製程時間,同時提高鍍膜的均勻性與化學品的利用率3倍以上。「新的作法是這樣:一次拿幾片想要鍍膜的量,把它放在槽裡框住,再從上面倒入適量的液體,接著加熱,鍍膜手續完成了,槽裡幾乎可以沒有剩料,與之前放一大堆進池子裡加熱相比,雖然鍍膜的片數多,可是一來加熱時間拉長,二來浪費的化學液體也很可觀,無形中成本與能資源不斷地在耗損。」

克服、跨越了這一大步之後,從2015至2017年,團隊開始著手於試量產。


奈米漿料及氧化鋅透明導電膜試量產技術
圖片提供/工研院綠能所

◆ 核心技術:以低成本量產技術及高效率製程技術兩大重點發展,成功開發各階段關鍵製程技術,包含:(1)奈米粉體量產製造及漿料分散技術,(2)濕式塗布技術,(3)高效硒/硫化製程技術,(4)大面積高效水浴法鍍膜技術,(5)高品質金屬及氧化物薄膜濺鍍技術,(6)太陽電池模組串接及封裝技術。

◆ 研發成果:建立台灣第一條非真空印刷軟性CIGS太陽電池技術,完成2MW國產可撓式非真空CIGS試量產線,最佳次模組效率達14.6%,並開發獨步全球的漿料技術。


一定要做起來!「在地發、在地用」的超級行動電源

抱持著「一定要做起來」的信念,研發團隊最終以印刷式電池(200平方公分)轉換效率14.6%,擊敗了美國的13.9%,正式晉升為可撓印刷式太陽電池領域的全球NO.1,而且材料及技術全部是台灣製造。跟隨著這份榮耀光環而來的,是量產推廣與「在地發、在地用」的渴望。

此時謝東坡略略彎腰,將一個工字捲軸從地上搬上檯面,隨著攤展的動作,「清明上河圖」躍然眼前,雖然塗布表層看來斑剝點點。

軟性太陽電池具備可懸空垂掛的優點,方便裝繫與拆卸,結合美麗圖像更是努力方向之一
圖片提供/工研院綠能所

「這是試驗版還不完善,第二版將強化材料與電池晶片的契合度。妳知道我們最想做什麼嗎?就是光電農業大棚。」這句話強烈撞擊了小編的心、暖暖的感動著,原來謝東坡是農家子弟,他覺得軟性太陽電池結合了「觀賞」與「懸空」的好處,同時可以像帆布一樣的便利收納,使用在農業上不會改變耕作方式、農人的生活習慣或地貌,相當適用。「其實很多農作物都很怕熱,像蓮霧還可以靠套袋來避熱遮蚊蠅,但是不是所有的農作物都能這樣保護著,所以會特別使用黑網或搭建溫室,可是通常上午10點到下午2點正是陽光大好的時候,遮起來多可惜!如果這個時候可以拿這種軟性的太陽電池披覆在棚架上,既發電又隔熱,多好!」而且優點是無須特別去上職工架設訓練課程,就能自行裝繫、上工,用途上彈性度很高。

另外,像是這次參加「2017基隆城市產業博覽會」時,還有一組設計師請他們幫忙製作「紙飛機」。這架紙飛機上面有14片三角形太陽電池拼在一起,可以「折疊」隨身攜帶、或放在山中的某些站點,一旦有山難發生時,登山客就把紙飛機拿出來往空曠的地方射出去,它能夠靠著陽光飛行5至10分鐘,同時發出救難訊號與告知受困者的位置,相當靈活輕巧。

至於展區上備受矚目與喜愛的手機充電片(器),重量大概200~300公克左右,電量約9瓦左右,充飽手機只要1至2小時,目前正朝向A5或是更小尺寸的「電子書」型式精進。而太陽電池背包也有小量生產外銷,售價達到新台幣1萬多元,「此技術提供隨身及輕量化整合發電服務,能夠有效拉抬產品的附加價值。」謝東坡相信,未來在休閒戶外設備、建築設施、國防通訊、農業或不利耕作地等方面,都將有實質的市場需求。

應用於軍用供電系統、手機充電電源、無人機等,印刷式技術讓產品用途更多元
圖片提供/工研院綠能所

對於最後邁入量產前的準備,謝東坡認為,民眾多半是從生活的功能性去認識一樣物件,成品即代表視覺與觸覺的實質呈現,因此量產有其必要性。「我們在2016年初次展出試成品時,就獲得極大的迴響,包括印度、韓國、日本甚至是加拿大都來詢價,顯見大家對可撓式太陽電池產品的期待與重視。若是再回歸到用電的本質上,我們覺得在地發、在地用是幫助國家降低用電量的一個重要環節。」所以藉此也鼓勵大家讓綠電走入家庭、實踐「自發自用」,一起把研發太陽光電的初衷延續下去,讓太陽的「溫晴」真正滿人間。


關鍵字:可撓式太陽電池,彎曲,折疊,漿料,手機充電

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