分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

吐納之間完成充蓄電的太陽能電池

充電蓄電二合一,大幅減少電子運輸損耗

過去的太陽能電池是透過太陽能板發電,經由電線將電能儲存到蓄電池中。但從太陽能板到蓄電池的轉換過程中,容易散逸電能、降低轉換效能。為改善這樣的問題,俄亥俄州州立大學把太陽能板和充電電池結合成混合裝置,讓太陽能板成為電池的一部份,電能就能直接存於電池中。

俄亥俄州州立大學化學與生化系武毅英教授(Yiying Wu)帶領的團隊相信這項裝置能使成本降低四分之一,改善長久存在的太陽能儲存效能問題。一般的太陽能電池,只有 80% 的電子能從太陽能板移動到電池;有了這項新設計,光能直接在電池內部轉換為電子,儲存效能近乎百分之百。

1200033563

藉由光和空氣便可自行充電的太陽能電池:負責捕捉光能的二氧化鈦柱和覆蓋於上方的網狀態金屬,可允許空氣從孔隙中流入電池。Source: Yiying Wu, The Ohio State University.

太陽能電池在吸入空氣時放電,呼出空氣時充電

太陽能電池(Solar Cell)是利用太陽光直接發電的光電半導體薄片,薄片吸收光能之時,電子脫離原子核束縛而被激發成自由電子,形成電流與電壓。但我們俗稱的太陽能電池實際上是晶片組,並不具備儲電的能力,因此需要接上蓄電池,將電能儲存。

俄亥俄大學研發的新的太陽能電池則將太陽能晶片與充電電池結合。光會進入網狀太陽能板中創造電子,氧氣則通過網狀孔洞進出電池內部。電池裡的電子參與過氧化鋰的化學分解時釋出鋰離子與氧氣,其中氧氣經孔洞釋放到空氣中,而鋰離子儲存在電池中、準備之後捕捉電子形成鋰金屬。電池放電時,化學反應則使鋰金屬與氧氣反應,消耗氧氣形成過氧化鋰。

設計讓電池「呼吸」的麻煩在於太陽能板通常是實心的半導體版,會阻隔空氣進入電池。因此,研究團隊以網狀鈦金屬製成「滲透性網狀太陽能板」,並於板上植上葉片狀的二氧化鈦柱。讓二氧化鈦柱在捕捉光的時候,同時也能讓空氣從孔隙中流入。

電解質新秘方+電極新構造+經得起考驗的電池壽命

電極之間的電解質是負責運輸電子的載具,過去的充電電池(如鋰金屬)使用的電解液是鋰鹽、常見的鹼性電池的電解液則是氫氧化鉀。這款新型太陽能電池採用了一種新的電解質:碘化物添加物,將其加入電極與網狀太陽能板間大幅提升了電池的效率。

而相較於一般太陽能板需要用四個電極連接電池,這項新設計只需要用到三個:網狀太陽能板自成第一個電極,太陽能板的下方則放置薄層孔洞狀碳板(第二個電極)和鋰版(第三個電極),在電極間夾層則夾入電解質層來乘載電子傳遞。由於只需要三個電極,也得以減低這項新設計的製造成本。

測試電池的過程會重覆為電池充放電,同時以 X 光光電光譜儀分析電極材料的消耗狀況,研究者利用紅色染料來篩選所要捕捉的光的波段,原本所使用的釕物質在八小時的充放電過程後染料消耗殆盡,於是轉以鏽鐵鍍上網洞。測試結果顯示新型太陽能電池的壽命能與市面上的充電電池相抗衡。

大眾過去所關注的太陽能發展,大多集中於晶片板狀太陽能板的資訊,使用情境幾乎是被固定在屋頂或是廣漠平地上,需要有龐大的蓄電池組儲存電力,才能發揮效能。會呼吸的太陽能電池,巧妙的將太陽能板與充電電池結合,使太陽能電池能擺脫繁瑣的線路與較為笨重的蓄電池,整合成自成系統的太陽能充電電池,使太陽能電池更為輕便,應用面向也更加貼近我們的生活。挖掘各種多元的新型太陽能電池可打開我們對於太陽能的想像侷限:太陽能可以更「行動化」、應用可以更貼近日常生活。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所
審校:陳妤寧

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

延伸學習:

「空虛寂寞覺得冷會傳染嗎?」「為什麼人看到可愛的東西就想捏?」「為什麼蚊子喜歡叮穿深色衣服的人?」

科學從不只是冷冰冰的文字,而是存在世界各個角落熱騰騰的知識!不論是天馬行空的想像或日常生活的疑問,都可能從科學的角度來解釋。

本月的泛科選書 《不腦殘科學2》是泛科學作者編輯團隊嘔心瀝血的超級鉅獻!不只能滿足大人與小孩的好奇心,更將拓展你的視野,帶領大家發現一個嶄新的世界!

泛科限時優惠79折(含運),現在就帶一本回家

關於作者

台大化工系畢業,卻對建築情有獨鍾。熱愛聊天分享,前一句科學後一句人文,喜歡把看起來艱澀的事情試著講得簡單好玩。生性矛盾,愛出外旅遊又愛掛網看文章狂轉貼。若有意和我聊天,歡迎餵食,請勿拍打。