綠色能源與材料科技 (二): 太陽能

綠色能源與材料科技 (二): 太陽能

一、太陽能光電裝置

太陽能板

地球的大氣，海洋和陸地吸收的太陽能每年大約是 3,850,000 艾焦耳 (Exa Joule，EJ)。在2020年，一小時內所能吸收的太陽能比全世界在一年內使用的能量還要更多，雖說「取之不盡，用之不竭」，如何有效取用是最大的挑戰。利用太陽能的方式很多，包括太陽熱能集熱，太陽能光電發電，太陽熱能發電，和人工光合作用等，而以太陽能光電發電最為重要。

如何有效應用太陽能是最大的挑戰

約有一半來自太陽的能量可達地球表面

太陽能電池在一九五零年代就被製造出來，目前主流是用單晶矽與多晶矽為基板，轉換效率分別達26.7%與23. 3%  (理論極限為29.4%，稱為 Shockley–Queisser 極限)，同時不僅晶片，模組價格也都節節下降，已漸具經濟價值，到2020年，全球已裝設773 兆瓦 (Giga W，GW)，相當於285座核四電廠 (原預計 2.7 GW)，預計到2050年會達到4.7 兆瓦 (4,674 GW) ，那更相當於1,700個核四電廠，將為全球能源最大來源。

太陽能電池效率圖

矽晶基板與太陽光譜

Shockley–Queisser 極限

太陽能發電指數式增加

太陽能光電累積裝置量排名

太陽能板的成本從2000年到2018年已經降低了70-90%電廠的成本，某些地區大型太陽能電廠成本已經比傳統電發還低，但屋頂型太陽成本還是偏高，且投資電廠須要高額的初期投資。同時太陽能發電有間歇性、受日夜與氣候變化影響，用於大型電網必須要有其他能源備載。

晶片價格節節下降

模組價格也快速降低

投資電廠須要高額初期投資

必須要有其他能源備載

設立大型太陽能電廠，用地廣而且要考慮日照因素。大規模地面型太陽電廠，如果設計不當，會造成生態和環境的影響。太陽能電池板壽命有限。大約是20-30年。而生產時所需使用的矽、鍺、硼可能會造成其他方面的污染，需妥善管控處理。太陽能板的原材料和電腦晶片原材料一樣。大量生產過程中化學物質是有毒有害，主要靠工廠所在地法律法規管控。

太陽能電池剖面圖

在太陽能電池研究上，除矽晶材料外，多種其他半導體材料如非晶矽、GaAs、CdTe、CIGS、鈣鈦礦以及敏化染料等也都展現應用的潛力，近年來二維材料太陽能電池也受到相當的注目。二維材料是指材料在三度空間某一方向的尺寸是原子層級。最先是在2004年開發的石墨烯，具有許多奇異的性質，推向原子級科技極限，發明人並因此得到2010年的諾貝爾物理獎，其後化合物二維材料，主要是過渡金屬與硫屬化合物，如MoS2、WS2等，也紛紛登上世界舞台，可能為未來的科技發展與產業帶來石破天驚的改變。二維材料也將使奈米科技的應用發展，更進一步並廣泛的深入各種應用科技領域。

石墨烯

以原子尺寸橫向單層 p-n 異質接面太陽能電池研究為例，其中包括製作原子尺寸轉變二維單層 WSe2-MoS2 p-n 橫向異質接面的太陽能電池，該異質接面通過兩段式以化學氣相沉積法合成，首先生成單層WSe2，再於上成長單層MoS2，用各種可分析單層原子，甚至單原子，的儀器，如原子力顯微鏡與穿透式電子顯微鏡等鑑定材料的結構與性質，其次利用電子束蝕刻技術製作WSe2-MoS2 p-n 橫向異質接面的太陽能電池。在模擬太陽光 (AM 1.5G) 照明下，實現了高達 2.56% 的功率轉換效率 (PCE)。電池的平面結構並導致前所未有的全向光收集行為，在 75° 的高入射角 (AOI) 下僅損失 5% 的 PCE。對斷路電壓 (Voc) 和短路電流 (Isc) 的低溫測量和模擬證實了光電效應源自單個 WSe2-MoS2 單層形成的橫向 p-n 接面。此外，也表明不受環境影響的二維單層元件在沒有保護層的情況下也是可行的。結果顯示單層 p-n 橫向異質接面在開發下一代光電元件，特別是穿戴式裝置，方面的潛力。(略)

本研究是利用新開發的材料系統製作具特殊應用價值的光電元件，屬性上是科學研究以及技術發展，有初步優良成果，是否導致規模化製造，還待進一步研發以及評估相關應用性、成本等問題。

橫向單層 p-n 異質接面太陽能電池