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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

346期2020年11月號

出版日期:2020/11/15

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染料敏化電池

撰文/陳怡如

工研院與台塑合作開發出「染料敏化電池」,不需要高照度太陽光,在陰天、室內光、甚至只有3根蠟燭的弱光,也能發電,亮眼表現勇奪2020年全球百大科技研發獎。
工研院與台塑合作開發出「染料敏化電池」,不需要高照度太陽光,在陰天、室內光、甚至只有3根蠟燭的弱光,也能發電,亮眼表現勇奪2020年全球百大科技研發獎。

有別於傳統太陽能電池需要強光發電,工研院「染料敏化電池」只需3根蠟燭的亮度,即可產生電力,被視為綠能的明日之星,不僅突破傳統染敏電池轉換效率低的困境,又解決量產的製程難題,成果領先全球,亮眼表現勇奪2020年全球百大科技研發獎。

根據再生能源調研機構REN 21的最新報告,太陽能裝置容量在2019年大躍進,增加1,000億瓦,占所有再生能源的一半以上。儘管傳統太陽能電池在大太陽下電力十足,但換個戰場,卻英雄無用武之地。被稱為「第三代太陽能電池」的染料敏化電池,不需要高照度太陽光,在陰天、室內光、甚至只有3根蠟燭的弱光,也能發電,若在室內跟一般太陽能電池PK,染敏電池的光電轉換效率更是矽晶太陽電池的3倍。

工研院綠能與環境研究所經理童永樑解釋,染料吸收光線,把光變成電的過程就叫做「敏化」,染敏電池單靠吸收環境光就能自主發電。看準染敏電池的潛力,工研院早在2007年便開始著手進行專利布局及元件製作,鎖定三大突破點:弱光下光電轉換效率、建立壽命預估方法以及建立模組製作標準流程。

帶領研發團隊的工研院綠能與環境研究所組長林福銘指出,工研院投入研發染敏模組,有兩大挑戰要克服,首先若能將現行的光電轉換效率提升,將是邁向商業化的第一步;其次則要把實驗室成果放大,並維持良率和品質,為此團隊必須建立絕對嚴謹的標準化生產流程,以免「失之毫釐、差之千里」。

團隊走出實驗室 突破量產關卡

結構有如三明治的染敏電池,所有技術都在僅約1根頭髮厚度的兩片玻璃中間,想要提升光電轉換效率,技術關卡不小。像是在產製過程中,需要把二氧化鈦的漿料塗布在玻璃上,若漿料品質不穩定將影響染料吸附的均勻度,致使效率差異變大。

由於供應商原料難掌握、品質佳的又有成本過高的限制,為了找到完美組合,團隊最後只能找原料盡可能自己合成,百分百控制品質,務求每一個生產流程的步驟都能精準掌握,正因為所有細節與步驟都被是自己研發、仔細記錄,「即使是新進1個月的同仁,跟已在團隊1年的同仁,都能做出同樣效能的模組,」林福銘說。

2010年,台塑公司加入合作,讓工研院看到了量產的曙光。當時台塑開始布局太陽能事業,鎖定較接近母公司化工產業的染敏電池作為研發項目,「台塑讓研發團隊看到不同層次的風景。」林福銘表示,許多研發人員可能一輩子待在實驗室,沒有機會看到從實驗室走到試量產的這層風景,為了突破量產瓶頸,團隊從機台開發、產線規劃、成本計算重新學起,獲得無價經驗。

2018年,工研院與台塑在沙崙綠能科學城綠能科技示範場域,建置染敏電池試量產線,最終成功完成全球第一條試量產線,年產量可達10萬片,良率超過9成,「這條產線最大的創舉在於,所有製程、技術、材料、設備,百分百MIT,」童永樑表示。由雙方共同研發的染敏電池模組,光電轉化效益達17%,領先全球,室內常溫的使用壽命可達7年之久。

鎖定室內弱光市場 搶攻智慧家庭商機

十年磨一劍,目前工研院掌握超過40件的染敏電池專利,也率先將染敏電池鎖定在室內應用這樣的「弱光市場」,搭上智慧家庭熱潮,已將染敏電池導入電動窗簾、感測器等多項商品應用。

市調機構Gartner預測,在2020至2025年,1個智慧家庭約有500個感測器,涵蓋溫度、濕度、空氣、水質等感測應用,其電力來源往往需仰賴乾電池或水銀電池,若用染敏搭配儲能電池,隨時擷取環境光源,提供源源不斷的電力,如此不僅可減少環境汙染,更有經濟效益。雖然看似發電量很小,但用在使用電池的產品上,更添增其競爭性與環保訴求,所減少的乾電池使用量累積起來是相當龐大的,童永樑說。

除了智慧家庭,未來染敏電池也能應用在電子貨架標籤和建築整合應用等領域,「染敏電池可以嵌入在各式各樣的產品裡,把傳統太陽能電池沒吃到的市場吃下來,未來潛力很大,」林福銘說。目前與台塑的合作,會將沙崙試量產線,進一步優化,並提供染敏電模組供廠商測試,期許染敏電池在未來智慧生活成為重要的綠能推手。

2018年,工研院與台塑成功完成全球第一條染敏電池試量產線,年產量可達10萬片,良率超過9成,光電轉化效益達17%,領先全球。
2018年,工研院與台塑成功完成全球第一條染敏電池試量產線,年產量可達10萬片,良率超過9成,光電轉化效益達17%,領先全球。

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