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。

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！