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鈣鈦礦太陽電池與燃料電池的應用與技術現況
次世代綠能生力軍

【作者: 季平】   2021年09月06日 星期一

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為對抗氣候變遷帶來的衝擊,歐盟設定2050年實現氣候中和、零溫室氣體排放目標,美國承諾2050年成為100%採用再生能源的經濟體,日本承諾2050年達到碳中和,台灣政府則宣布2025年再生能源發電占比達20%。


承諾的背後,能源轉型與再生能源開發如火如荼展開,如日本力推次世代太陽能板及碳循環(Carbon Recycling)技術,台灣積極推動「綠能科技聯合研發計畫」,如沙崙智慧綠能科學城下設「綠能科技示範場域」。


再生能源不只能解決全球暖化問題,還能大幅降低電力成本,除了發展快速的太陽能及風電,次世代綠能技術鈣鈦礦太陽電池及燃料電池也在鴨子划水,等待上岸。


次世代綠能生力軍一:鈣鈦礦太陽電池

工研院綠能所組長林福銘指出,鈣鈦礦是存在於鈣鈦礦石中的鈦酸鈣(CaTiO3)化合物,因此得名,用於太陽光電領域的鈣鈦礦材料具有高吸光係數、可調控之能帶結構與能隙、極佳的晶格缺陷容忍度、多元的材料形貌(由零維至三維結構)等特性,「由於原料取得容易、合成方法簡單,加上價格低廉,鈣鈦礦材料有機會成為下個世代的超級材料!」目前已應用於Solar Cell、LED、Memory、Laser、Lithium battery anode、X-ray detector等多種光電領域。


圖一 : 工研院綠能所組長林福銘。(source:工研院綠能所)
圖一 : 工研院綠能所組長林福銘。(source:工研院綠能所)

鈣鈦礦太陽電池的優劣勢

許多材料都曾被製成太陽電池,如矽晶、III-V族(如GaAs砷化鎵)、CdTe(碲化鎘)、矽薄膜、CIGS(銅銦鎵硒)、CZTS(銅鋅錫硫)、染料敏化(DSC)、有機太陽電池(OPV)等,其中,有機型如染料敏化(DSC)、有機太陽電池(OPV)多應用在弱光發電的利基市場;III-V族太陽電池效率高,但材料價格昂貴,多用於太空衛星及國防軍事領域;CdTe效率佳,但鎘是各國管制的高污染性重金屬,所以發展有限;矽薄膜與CIGS曾被視為可能取代矽晶的潛力股。



圖二 : 工研院開發的關鍵鈣鈦礦原料(碘化鉛)合成;50倍顯微鏡下的晶態。(source:工研院綠能所)
圖二 : 工研院開發的關鍵鈣鈦礦原料(碘化鉛)合成;50倍顯微鏡下的晶態。(source:工研院綠能所)

由於矽原料價格持續下跌,矽晶太陽電池廠瘋狂擴產使製造成本大幅下降,矽晶太陽電池模組快速跌價,導致矽薄膜與CIGS成本無法與之競爭而逐漸沒落,被認為可解決CIGS成本過高問題的CZTS也因為材料特性不佳,效率無法突破,僅在學術研究上曇花一現,因此,目前市場主流仍以矽晶太陽電池為主。


鈣鈦礦太陽電池市場現況

鈣鈦礦太陽電池研究多在實驗室小尺寸進行,若與成熟的矽晶太陽電池相比,鈣鈦礦太陽電池的優勢在於原料容易取得、設備造價低廉、材料可調配性大,所以發展潛力較大,缺點則是材料、製程與模組開發仍屬前瞻研究,但大面積電池製成還無法完全克服,所以鈣鈦礦太陽電池的壽命仍無法與矽晶太陽電池相比。


「不過,鈣鈦礦的效率從2009年的3% (日本橫濱Toin大學)到2021年的25.5%(南韓國立蔚山科學技術研究院UNIST),短短12年就有顯著的進展,在太陽電池史上非常少見,顯示鈣鈦礦太陽電池具有非常大的發展潛力。」林福銘說。



圖三 : 工研院3.5x3.5cm2鈣鈦礦模組。(source:工研院綠能所)
圖三 : 工研院3.5x3.5cm2鈣鈦礦模組。(source:工研院綠能所)

看好鈣鈦礦太陽電池發展,歐洲Oxford PV預計開發250 MW堆疊電池生產線,中國協鑫、纖納、極電光及萬度等業者也積極投入,其中,協鑫規劃完成100MW產線、極電光則規劃2023年完成6GW產線。台灣目前以實驗室研究為主,除了工研院,明志科技大學、台灣大學研究團隊與太陽能業者研發「鈣鈦礦/矽晶疊層太陽能電池量產技術」已有突破,提高光電轉換效率達26%以上。


鈣鈦礦太陽電池的發展挑戰

鈣鈦礦太陽電池的光電轉換率約20-25%,多是小面積(<1cm2)電池數據,相當於小指頭指甲切成6份。雖然效率有所突破,但鈣鈦礦太陽電池還有許多問題有待克服,如穩定性、製程的再現性、放大面積的均勻性、封裝方式、機台整合與設計等。高效率鈣鈦礦太陽電池用到的有機材料在製程上容易配合調整,但光、濕、熱等穩定性還需要進一步測試,材料需要持續改進,此外,製程從放大、步驟搭配到機台設計等問題也需要一一克服。


林福銘認為,未來鈣鈦礦太陽電池技術的發展重點包含大面積化提升效率、效率持續提升、改善壽命問題,之後方能量產。鈣鈦礦太陽電池放大技術可細分為透明導電層、電子傳輸層、鈣鈦礦吸收層、電洞傳輸層、阻擋層與對電極層等,每一層都有需要面對的挑戰。


「小面積拔大會遇到均勻性或是電流收集的問題,但放大面積必須考慮電阻過高的問題。」克服技術包含金屬電極、電池串聯技術等,若是小面積使用的旋轉塗佈無法滿足製程需求,就必須開發新的塗布技術,如Doctor-bladed coating、Inkjet printing、Slot-die coating等,「每個技術都各有優缺點,必須針對薄膜缺陷、厚度、結晶性與表面粗糙度等問題進行改善,鈣鈦礦上下兩層的電洞與電子傳輸層必須與吸收層配合,否則效果會大打折扣。」


與發展成熟的矽晶太陽電池相比,鈣鈦礦太陽電池是後起之秀,各有特色,林福銘認為,鈣鈦礦太陽電池可以輔助矽晶太陽電池,助其突破原有的轉換效率極限,共榮共存,「可以堆疊方式提高矽晶太陽電池效率達30%以上,讓既有的電池廠在變動最小的狀況下可以持續增加競爭力,發揮更好的效能。」


次世代綠能生力軍二:燃料電池

燃料電池是一種將化學能轉換為電能的裝置,能量來源是外部供給的氫氣與氧氣,氫氣與氧氣分別在燃料電池的陽極與陰極觸媒反應,只要持續供應就可以不斷提供電力。


燃料電池的優劣勢

圖四 : 工研院綠能所組長張文昇。(source:工研院綠能所)
圖四 : 工研院綠能所組長張文昇。(source:工研院綠能所)

工研院綠能所組長張文昇指出,燃料電池依工作溫度區分為二,一是低溫型燃料電池(攝氏60~200度),如質子交換模燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC),二是高溫型燃料電池(600~1000°C),如固態氧化物燃料電池(SOFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)。


燃料電池具有高效率、低碳排、穩定運轉、無轉動零件、安靜、料源多元、規模彈性極大、適於分散獨立應用、可當基載電力以及運送用途,缺點則包含系統成本高(使用貴金屬觸媒)、長期耐用性待改善、氫氣基礎設施少、氫氣品質要求高等。



圖五 : 不同類型燃料電池之特性。(Source:工研院綠能所整理)
圖五 : 不同類型燃料電池之特性。(Source:工研院綠能所整理)

圖六 : 不同類型燃料電池之優、缺點。(Source:工研院綠能所整理)
圖六 : 不同類型燃料電池之優、缺點。(Source:工研院綠能所整理)

新興燃料電池目前主要朝提高發電性能、降低材料成本(使用非貴金屬觸媒)、多元料源及增加使用壽命等方向邁進,具有潛力的發展技術包含鹼性陰離子交換膜燃料電池(Alkaline Anion Exchange Membrane Fuel Cell, AEMFC)、直接氨燃料電池(Direct Ammonia Fuel Cell)、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell)、直接二甲醚燃料電池(Direct Dimethyl Ether Fuel Cell, DDMEFCs)、直接甲酸燃料電池(Direct Formic Acid Fuel Cell, DFAFC)等,技術成熟度(TRL)約為4以下,仍處於實驗室研發階段。


燃料電池市場現況

全球燃料電池產業處於發展初期,市場規模不大,2019年燃料電池全球總裝置容量(MW)自1,196.3MW大幅增長至1,318.7 MW;E4Tech 2020年報告指出,2020年全球燃料電池出貨量逾82,400套,較2019年高出72,500套;定置型燃料電池出貨量從2019年約52,200套增加至2020年約57,800套,裝置容量也成長至324.8 MW,主要成長市場為亞洲市場,如韓國大型機組發電系統及日本小型住宅用燃料電池系統。


此外,可攜式燃料電池的出貨量也微幅增加,自2019年約3,900套增加至2020年約4,100套,可攜式燃料電池的裝置容量約達0.4 MW。受惠於運輸型燃料電池需求增加,運輸型燃料電池出貨量約為20,500套,電池裝置容量達993.5 MW。


張文昇認為,燃料電池可以作為分散式電力,降低電網負擔,南韓的做法是透過可再生投資組合標準(Renewable Portfolio Standard, RPS)及再生能源憑證制度(Renewable Energy Certificate, REC),鼓勵大型燃料電池電廠建置,目標設定於2040年產業用燃料電池發電量達15 GW,這些做法有助促進韓國氫能與燃料電池產業發展。


台灣則因應不同場域條件及氫料源,將燃料電池做為分散式或備援電力來源,如SOFC燃料電池應用於廠區,利用工業副產氫或天然氣發電,作為廠區分散式電力來源,供應廠內電力需求,同時降低市電負荷。張文昇指出,燃料電池列為再生能源發電設備需搭配適當的氫能料源,若能作為儲能選項,有助提高分散式電力比例,減緩電網負擔,有助能源調節。


依國際發展趨勢來看,台灣定置型燃料電池發展方向,短期可以備用電力、利基產品及商業用定置型發電系統為發展目標;中期導入低成本燃料電池CHP系統應用,以醫院、大賣場、飯店、工業區等熱需求處為推展目標;長期則是逐步導入中大型定置型發電系統,作為工業區或用電大戶的分散式電力來源。


燃料電池的發展挑戰

燃料電池商轉需搭配燃料電池載具與加氫站開發,是否增加商轉難度?對此,張文昇表示,從數據面不難看出燃料電池普及率及未來發展性逐步升溫。國外燃料電池載具與加氫站已商轉多年,車輛中心資料顯示,全球氫燃料電池乘用車數量自2015年498量增加至2020年25,745輛,其中有15,821輛(約61%)集中在2019-2020年售出,受惠於COVID-19疫情,反而逆勢創下8,241輛年度銷售新高紀錄。


此外,H2stations網站數據顯示,全球加氫站數量在2014年後呈持續增長趨勢,2020年底全球營運加氫站數為553座,全年新投入107座,再次刷新紀錄。


雖然數據帶來好消息,燃料電池未來仍有需要克服的挑戰。以台灣來說,商轉有難度,「未來要先解決氫氣供應問題,包含取得低成本氫氣及提高加氫站密度。」張文昇說,若採天然氣重組(不含碳捕捉)方式產氫再加儲存與運輸,商業售價約20元/Nm3,比鋰電池車充電成本高。



圖七 : 經濟部能源局經費支持下,工研院綠能所於沙崙綠能示範場域之-25 kW SOFC發電示範系統。(source:工研院綠能所)
圖七 : 經濟部能源局經費支持下,工研院綠能所於沙崙綠能示範場域之-25 kW SOFC發電示範系統。(source:工研院綠能所)

台灣有不少業者投入燃料電池生產,提供原材料、燃料電池零組件、周邊到後端系統等相關產品,目前部分關鍵組件業者成為國際大廠Bloom energy SOFC燃料電池供應鏈;各地系統業者亦可提供定置型緊急備援產品,也著手建置多處燃料電池備援電力運轉案場,外銷產品至東南亞、南非等地。


2050年淨零碳排迫在眉睫,歐盟執委會今年7月公布12項規定,其一就是車輛在2035年前達零碳排,歐盟也已經將燃料電池載具列為重要選項。為加速燃料電池車普及,歐盟已針對加氫站建設訂出方向,高速公路等幹道至多每隔150公里需設置一座加氫站,後續將立法明文規範,台灣不妨引為參考,在既有基礎技術下加速制定氫氣運輸、儲存、加氫站與燃料電池載具安全規範等配套法規。


張文昇認為,台灣的燃料電池供應鏈相當完整,已有數十家業者投入膜電極組、金屬雙極板、電堆、周邊關鍵組件、發電系統整合與加氫設備,而且持續有新廠商投入,「燃料電池作為載具的優勢是續航力高,加上未來自製率高,未來國產電池導入載具市場應是指日可待的。」


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