染料敏化電池技術深耕與產業化整線技術

新聞來源:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=43499

 

染料敏化電池是新世代的「光動能科技」!之所以是光動能,是因為有光就有電,只要約100~200流明的弱光環境,染敏電池就可以產生電力。染敏具有發電門檻低、可撓輕量化、低成本與技術100%掌握的優勢。打造從材料、模組、製程與設備的一條龍技術,目前工研院正攜手台塑公司進軍綠能產業,於沙崙智慧綠能科學城建立年產量12萬片的新一代染敏電池試量產線,並規劃未來量產的進行。從材料到設備製程等從上到下游的技術,完全由工研院與台塑公司包辦,不需仰賴國外,在成本、技術的掌握上可以做到完全自主。
【內文精選】
前言
兼具環保與製造成本低的染料敏化電池(DSC),何時才能抵達商業化?這或許是每一個對這技術有興趣者都想探究的問題。但是在商業化的前提下,市場的需求是推動技術進步的關鍵因素,換句話說就是對於技術的定位,要符合市場的需要。以往染敏電池(染料敏化電池的簡稱)最開始是希望與矽晶太陽電池一樣,用作大型發電用途。的確染敏電池的一些特性,例如較不受光入射角度的影響、對於環境溫度變化較不敏感、光線強度變化效率也影響不大,因此若是以相同額定瓦數的太陽能板,確實染敏電池較矽晶太陽電池可以多將近20~30%的總發電量,即使裝設在背陽面同樣可以多出將近40%的發電量,功效確實不錯。但是一般太陽能板的要求最少要能在「大太陽下」使用20年,這點依目前的技術仍有些許的困難。若是以此目標作為切入市場的點,縱使產值很大,仍然是看得到吃不到,反而會造成使用者對染敏電池失去信心。
一個合理且適當的時機是一個技術切入市場的「天時」。藉由物聯網(IoT)時代的漸臨,將染敏電池導入工業4.0與智慧化工廠應用,切入染敏電池低照度發電應用、結合無線傳輸技術與二次充電電池,建立物聯網的基礎—感測器的方便使用,消除大量更換乾電池的問題,減少廢電池回收或填埋處理等環保議題,正為染敏電池創造應用商機。根據市調報告,染敏電池材料全球產值在2020年將逾百億,整體模組與應用端產值也將達3百億元以上。
區隔市場–弱光應用
太陽能產業目前仍處於供過於求的局面,染敏電池必須在太陽能的殺戮戰場中找尋藍海。弱光的應用(圖一)是目前太陽電池技術較少人去接觸的一塊,因為其必須跨領域整合,且創造一個新的使用習慣,這對於以往一直強調製造成本的製造業而言,相對來說是一項吃力不討好的工作。而物聯網的興起或許是契機,根據International Data Corporation (IDC)報告指出,2016年全球物聯網支出達7,370億美元,其中製造業在物聯網的支出為1,780億美元。因此對於技術輸出的工研院而言,我們採取以下策略將新的太陽電池一步步推展出去:
①另闢戰場,擺脫太陽能電池以瓦計價的紅海殺戮,追求系統或產品整合的高值化收益。
②掌握時機,區隔市場,藉物聯網興起,加速應用產品開發與試量產投入。
③跨領域整合上、中、下游廠商,鏈結龍頭大廠進行染敏電池量產規劃。
④量身訂製,針對各廠商強項與需求進行技術移轉或技術合作。
技術發展與重點
染敏電池相關專利從2008年9月迄今已相繼過期,對應不同的製程方法布局自有的專利群,是發展關鍵技術不可或缺的環節。本團隊於整體製程包含材料、製程與設備建立IP並布局關鍵專利組合,目前共獲證國內外專利40餘篇。近年在低照度應用模組技術上更獲得長足性的進展,性能均優於國內外公司(TDP),如圖二、表一。為目前唯一可以大量生產模組的試量產線。
圖二、工研院模組(與台塑公司合作研究)與國內外能買到的模組,於白光LED不同照度下的效率表現,廣域型可使用的電池模組,更符合物聯網需求與消費性使用
圖二、工研院模組(與台塑公司合作研究)與國內外能買到的模組,於白光LED不同照度下的效率表現,廣域型可使用的電池模組,更符合物聯網需求與消費性使用
染敏電池依使用基板不同可區分為三種模組型式(圖三):玻璃基板型(Glass-Glass)、薄型電池(Glass-Ti Foil)與可撓曲式電池(Plastic-Ti Foil),共同由工作電極(包含基板、二氧化鈦與染料)、對電極(基板與白金催化劑)與電解質組成(圖四)。要能夠進行商業化(試)量產,每一個環節幾乎都是必須兼顧的,這與以往在文獻中提及的單點突破截然不同,各個單元都需要進行相互間的匹配與製程優化。以下針對各點簡要說明 …以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
圖三、染敏電池模組的三種型式
圖三、染敏電池模組的三種型式
★本文節錄自《工業材料》雜誌396期。
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