軟性材料是打造軟性產業成功的基礎,生產化學材料的長興,預見綠能、軟性電池的未來性,於是投入軟性染料敏化太陽能技術的開發,經過兩年的努力,開發出效率大於6%的有機染料,大於5%的染料敏化太陽能電池(10cm x 10cm)玻璃基板,及大於4%的軟性染料敏化太陽能電池(塑膠基板)。同時有多項材料專利佈局,目前在國內外進行材料驗證,進而商品化。該公司能源材料組陳信宏博士分享了兩年多來的研發經過,及染料敏化太陽能的早期佈局。
整合既有資源 發展軟性太陽能電池新材料
長興化學原生產樹脂、化學材料、鋼模、鋼鑄等,近年看到綠能、軟性電池的發展,於是研究部門針對這兩者各自進行研發。軟性電池方面,由能源材料組持續執行業界科專,以太陽能電池為主。從96年7月開始,當時投入軟性染料敏化太陽能的廠商不多,長興為主體,與工研院材化所、台大、成大配合。
長興期望發展太陽能、軟性電池,審視內部資源,有奈米光觸媒材料及抗污塗料等,透過科專重新整合資源。因為長興擅長化學,雖是開發軟性太陽能電池,但仍以研發材料為主。
軟性電池關鍵技術應用廣
科專計劃期望開發出製造電池的關鍵性材料,有染料、電解質及奈米TiO2等三項,是整個業界科專材料開發的重點。封裝方面,將材料組裝成太陽能電池,因而延伸出組裝電池技術,這些關鍵技術可讓公司內各部門運用,運用於光觸媒、抗污、導電高光子及光學膜。
染料敏化太陽能成本低 室內待機隨時可充電
染料敏化太陽能(Dye Sensitized Solar Cell;DSSC)最主要的賣點,是成本低。它不需要真空製程,每瓦成本是電池中最低的,只要美金0.5元,是次世代的太陽能電池。
與現在的太陽能電池相較,它具有成本低,及可在室內充電產生電力等優勢。裝置染料敏化太陽能的軟性電子在室內日光燈下隨時可充電。採用的染料可吸收光,產生電荷與零凹,因而產生電力;與可見光頻率接近,可在室內發電。
各位或許會覺得這是一個看不到市場的未來產品。英國風險企業的G24 Innovations(G24i) 軟性染料敏化太陽能電池於2009年初在歐洲,目前在香港可以買到。這個電池,長約1.2mm,重約17克,可在室內充電,是全球第一個軟性電池。效力雖不高,約在2.5-4%之間,但對軟性染料敏化太陽能而言,在市場上做了起頭作用。
二氧化鈦(TiO2)核心技術具關鍵影響
長興在科專開發了染料、電解質及奈米二氧化鈦三種材料,對生產電池的成本及效能具有關鍵性影響,其中二氧化鈦急迫性更高。開發這些材料,是因為它們的應用不同。
染料敏化太陽能可以從硬板製作到軟板,硬板是玻璃,玻璃用FTO,耐熱的導電玻璃;軟板可以用在ITO-PEN,或者運用在金屬基板,有鈦板、不鏽鋼金屬基板,甚至到鋼板。ITO-PEN可以製成帷幕,日本Peccell開發很多。在市面上可以買到用鈦板或不鏽鋼金屬基板製作的商品。歐洲Corus鋼鐵廠想將軟性染料敏化太陽能電池做在鋼板上,當成建材。
談到軟性,該如何定義?雖說是鋼板,製成薄而軟呢?軟性顯示器不管是可攜式,或是運用於室內外的建材,如果本身就具有軟性電池,將有助於推動軟性電子及軟性顯示器。
長興研發材料,可分為高穿透力(High transparent TiO2 paste)、光線散射(Light scattering)及低溫三種二氧化鈦漿料,因應基板需求,採用低溫。當二氧化鈦運用於電池上,塗布後必須經過燒結,將有機物趕掉,用來導電。以低溫塗布及燒結,技術並不容易。
以產品來看,長興製作分為三個方向:
1.有高穿透TiO2 paste,如果厚度5um,效力6.7,穿透力達到高於88%;
2,光線散射(Light scattering),光線如果直接穿透,會造成損失及浪費,因此在層與層之間加入光散射層,Light scattering不會讓光線透過去,進行散射,提升光線再利用率。早期Light scattering TiO2 paste都是使用100-300 nm 大小的particle,particle越大顆表面積越小,染料吸附量少,因此電池效率不高,於是將100-300 nm 大小的particle本身進行粗糙化,提高表面積(BET surface area從4-5之間提高到8-20之間),讓染料吸附量提高,電池的效率也提高,從原本1.8%提高到10.26%;
3.低溫燒結(Low sintering temperature),應用在多材質上,它的複雜性很重要,電池效率也很重要。目前低溫二氧化鈦漿料製成膜後附著性最高可達4B,燒都燒不會掉。長興實作了一個電池,可以驅動風扇。新開發的低溫二氧化鈦漿料已可做成網印型,未來軟性電池的設計就會非常多元化。
在染料方面,採用機染料可以多元顯色,但因為材料穩定性的問題,現正停滯。電解質開發液態、膠態,因為安全關係生產固態及液態電解質。
圖說:長興化工開發出的高溫與低溫二氧化鈦漿料
科專計劃執行成果
經過兩年的努力,長興化學透過染料分子設計概念,開發出效率大於6%的有機染料;專利的聚醚型高分子、聚氧化乙烯及氧化還原電對電解質材料;利用合成概念,製作新型結構散射層的二氧化鈦漿料;達成材料合成有機染料、電解質、二氧化鈦至電池製程(電池設計)的專利佈局;開發出效率大於5%的染料敏化太陽能電池(10cm x 10cm)玻璃基板及軟性染料敏化太陽能電池(塑膠基板)效率大於4%。目前與國內國外進行材料驗證,進而商品化。
針對本次科專執行的成果,陳信宏強調,科專計畫對長興於染料敏化太陽能的基礎研究有實質的幫助,且藉由科專計畫達到產、研(工研院)、學合作機會,讓長興達到染料敏化太陽能的早期佈局與加速材料開發及商品化。