透光率佳,又可充電的太陽能窗

文/楊嘉慧
審稿/工研院奈米粉體與薄膜科技中心研究員 陳瑞堂

太陽能發電窗是將光能導向窗邊的太陽能電池,透光率比光電玻璃高。其上有USB插孔,可隨時讓3C產品充電,既方便又環保。

開車外出時,若手機、相機正好沒電,實在傷腦筋。未來,遇到這種問題,只要將電池插頭接到汽車窗戶,就能馬上充電。這是工研院奈米粉體與薄膜科技中心研發的太陽能發電窗,它不但可保持較高的透光率,光能轉換效率也不差,目前已申請了台灣、中國、美國、日本的專利。

將光波橫向導引至窗邊

工研院奈米粉體與薄膜科技中心研究員陳瑞堂表示,太陽能發電窗與一般光電玻璃的構想不同,它不是在兩層玻璃間鍍上薄膜太陽能電池來發電,而是將光能導向窗邊,利用裝置在窗框的太陽能電池發電。發電窗的構造是在兩片透光率高的低鐵玻璃之間,夾一層內有「光散射粒子」的聚碳酸酯(polycarbonate,PC)擴散板(光散射粒子不易加入玻璃中,必須額外夾一層可添加光散射粒子的PC擴散板)。光散射粒子的粒徑大小為奈米等級,成份是不會吸收可見光的二氧化鈦(TiO2)。當陽光照射到玻璃,光波遇光散射粒子後,會經一連串散射與反射進入窗框上的太陽能電池,即可發電使用或存入電池。

能抵擋子彈,又可降低輻射

太陽能發電窗有許多優點,例如部份光波因為被光散射粒子導引到窗邊,所以發電窗具有降低輻射傳至室內的附加功能,也由於玻璃與PC膠合是典型的防彈玻璃結構,太陽能發電窗是屬於高強度的複合玻璃。此外,相較於光電玻璃,它能保持極佳的透光率及良好視野。光電玻璃是在玻璃表面塗矽薄膜層,有時為了提高發電量,矽薄膜層會塗得比較厚,使得光穿透率甚至不到10%。光電玻璃還會有一條條雷射切割線,影響視線。

太陽能發電窗在玻璃間加入的光散射粒子雖然也會降低透光率,但是可以控制添加的量,以及它的分佈位置,讓透光率不致於降低太多。此外,太陽能電池因為是裝在窗邊,不需考慮透光問題,所以可以不用供電較不穩定的非晶矽半導體,而選擇較昂貴但效率較好的單晶矽或多晶矽半導體發電,更可以進一步採用效率更高的砷化鎵太陽能電池。

陳瑞堂表示,太陽能發電窗轉換而來的電能會先儲存在電池內,其上有USB插孔,只要將電子書閱讀器、MP3、手機、數位相機接上,即可使用或充電。以太陽能電池充電的好處是MP3、手機等與太陽能電池同為直流電,充電過程不需經交、直流轉換,電力損耗約只有5%,而以交流電充電則會損失20%的電力。根據實驗,每平方公尺的太陽能窗,一整天日照時間產生的電力可充飽2~4支完全沒電的手機。若於玻璃帷幕高樓大量安裝,將可提供大樓內的所有3C產品使用,如桌上型電腦、筆記型電腦、LED型投影機、LCD螢幕或LCD電視。此外,太陽能發電窗還可加裝LED燈或電風扇等,擴大使用功能。

現在太陽能發電窗的成本比強化玻璃高2~5倍,但卻具環保節能的功能,壽命和一般強化玻璃一樣,可使用超過20年,數年後即可回收成本。未來,再結合照明設備,將可更多樣化地使用到汽車玻璃、落地窗、廣告看板、無背光顯示器等,讓太陽能充分被利用。

要明、要暗,依需求設計

太陽能發電窗的優點,在於具有較高的光穿透率,且不影響窗外景物的顏色,這是其他薄膜式太陽能電池不易達到的。該產品之所以研發成功,主要是工研院奈米粉體與薄膜科技中心的研究團隊突破幾項困難,例如調配出特殊的樹脂以及特殊膠合技術,使玻璃與PC擴散板兩種不同材質的物體成功緊密膠合起來。

研發過程,最大難題是找出適當大小的光散射粒子,太大或太小均無法使全光譜的光線有效橫向傳遞。陳瑞堂表示,目前使用的光散射粒子可使發電窗的透光率控制在5~80%之間,光散射粒子添加越多,橫向散射效果越好,也就是發電量越高,但同時透光率也會降低。像窗戶、室外看板與戶外藝術裝飾玻璃,需要適度透光,便加少一點光散射粒子;若是雨遮、汽車天窗,透光率要求不高,則添加多一點光散射粒子,讓發電量增加。換句話說,太陽能發電窗的製程彈性相當大,可以針對各種不同的應用來加以設計製作。

From:科學人雜誌

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