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太陽能技術突破 增轉化率擴大應用

【明報專訊】太陽能光伏板的關鍵物料多年來一直都以矽(硅)、尤其是單晶矽(單晶硅)的光電效應轉化率最高。可是,經過多年發展,單晶矽的潛力已差不多發掘殆盡,陷於停滯不前;而在近期,串聯式光伏板及多種嶄新物料應運而生,重新為市場帶來突破和驚喜。不少專家和業者都十分看好這兩項發展,相信太陽能光伏板的光電效應轉化率未來有望突破40%。

自從美國貝爾實驗室在1954年推出第一片具有實際應用價值的太陽能光伏板以來,太陽能光伏板的物料主要都是以矽為基礎。之後60多年,矽晶類太陽能光伏板的光電效應轉化率,由最初期約6%起一直不斷改善。2017年8月,日本Kaneka Corporation宣布,成功研發出光電效應轉化率達26.63%的矽晶類太陽能光伏板,再次創下業界紀錄。上一個紀錄同是由Kaneka在2016年9月所創,轉化率是26.33%。而再對上一個紀錄則是由松下(Panasonic)在2014年4月創造,轉化率為25.6%。

矽晶只接收紅外光能量 性能近見頂

不過,細看資料之後就會發覺,矽晶類太陽能光伏板的轉化率在超過25%後,已可說是舉步維艱。不少業者指出,矽晶類太陽能光伏板的轉化率理論上最多僅約30%。由於光電效應過程中還有好幾種損耗(包括電阻等),所以實際數值無法達到理論上限。事實上,過去近5年,矽晶類太陽能光伏板的轉化率似再無提升。

為什麼矽晶類太陽能光伏板的轉化率會有大約30%這個理論上限?最主要的原因是,這類光伏板只能對紅外或接近紅色波段的光線產生光電效應,太陽光中的其他波段能量都被白白浪費。

為克服這個問題,有些專家多年前開始提出串聯式光伏板(Tandem Photovoltaic)設計:即是一片光伏板由多個吸收層重疊組成,每個吸收層物料都可以吸收某個波段的光線能量來發生光電效應。這樣分工合作、各司其職,便可以將更多的太陽光能量轉化成電力,轉化率達到40%至50%也有可能。

果然,這種串聯式光伏板的轉化率近幾年屢創新高,予人無限驚喜。例如,6月6日,夏普(Sharp)就宣布,已經研發出轉化率高達 32.65%的串聯式太陽能光伏板原型。這片串聯式太陽能光伏板原型包括了3個吸收層,現時每片尺寸為34厘米×29厘米,而且可以彎曲,非常輕身,僅重56克。與現時普遍使用的單晶矽或多晶矽太陽能光伏板相比,其重量和厚度只是一個零頭。

雖然夏普方面說得非常保守,只表示將會繼續研發轉化率更高、成本更低的串聯式太陽能光伏板,希望在2050年之前應用在電動車和太空方面。但一般業者和傳媒都認為,以其原型的尺寸來看,其商業可行性已經相當高,應該無需20多年後才量產,有可能幾年後就能夠量產。

事實上,早在2013年4月,夏普已經研發出一片轉化率高達37.9%的串聯式太陽能光伏板原型。只不過,當時的原型面積只有1.047平方厘米,可見過去9年,夏普已大幅改良了相關的製造工藝,大步向商業化邁進。另外,2020年4月,美國國家可再生能源實驗室(NREL)亦曾研發出一片包括6個吸收層、轉化率高達39.2%的串聯式太陽能光伏板原型。德國Fraunhofer ISE則在2021年4月研發出一片轉化率達到35.9%的串聯式太陽能光伏板原型。只不過兩者未詳細談及其原型的尺寸和重量等,相信其原型的面積還很小,距離商業量產還有好一段時間。

鈣鈦礦性價比高 明日之星

串聯式太陽能光伏板之所以能夠出現,乃得益於兩大類嶄新物料。第一類是砷(As)、鎵(Ga)、銦(In)等的化合物。第二類則是鈣鈦礦類物料。其中,第一類化合物的轉化率較高,但成本亦較高,暫時甚至可能比矽更加昂貴。而鈣鈦礦類物料的轉化率則略低,但性價比高,其成本至少比單晶矽低一半甚至以上。現時每片串聯式太陽能光伏板都有幾個吸收層,大多數是3至6個。目前,矽的地位仍然重要,最底那一層仍然可能會使用矽。但長遠來說,業者希望鈣鈦礦類物料可以完全取代矽。

事實上,太陽能光伏板的轉化率出現重大突破,令各界相信,這類設備應用在電動車身上充電,絕對可以成事,尤其是東南亞和南亞區的電動「篤篤」,甚至重燃了應用在電動無人機和電動飛機上充電的可行性。

明報記者 薛偉傑

[薛偉傑 科技觀潮]