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綠能科技/綠能染敏電池 打造全新創能生產線

2018-09-10 11:34工業技術與資訊

為了向產業展現染敏電池的潛力,工研院研發團隊從原料、設備、製程到應用,全部從頭做...
為了向產業展現染敏電池的潛力,工研院研發團隊從原料、設備、製程到應用,全部從頭做到尾,終於獲得台塑技轉。圖為內裝染敏電池的芳香噴霧器。
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【撰文 唐祖湘】

太陽能發電已經是綠色能源相當重要的一環,甚至世界上許多區域型電力,都仰賴太陽能發電的供給。但太陽能發電深受氣候限制,有沒有一種在微弱光線下也能發電,甚至一般日常照明,也能轉換為電能,讓許多家用小電器也能自己供電?染料敏化電池能將室內照明轉換為電能,讓我們邊照明,邊發電,可說是「光資源的回收者」。

染料敏化電池就是這項「光資源回收技術」,現正由台塑與工研院共同合作研發,也成為首間進駐沙崙綠能科學城的廠商。工研院綠能與環境研究所長胡耀祖表示,染敏電池從材料、製程、設備到應用,100%由國產製造,在室內光源下,感測器即可自供電,且具有可撓輕量化、易客製化、環保可回收及低成本等優勢,進駐沙崙綠能科學城後,與台塑展開試量產,共同強化工業物聯網應用端技術的開發,並達成量產目標。

另闢蹊徑 染敏電池潛力無窮

歷經金融海嘯的衝擊,石油價格不斷攀升,各國將目光投向再生能源,太陽能就是其中之一。2008年前後,國內業者紛紛投入對太陽能發電的開發,矽晶、矽薄膜與染料敏化電池都是熱門選項,工研院也是在當時建立團隊,投入染敏電池的研究。

「染敏電池同樣可將光轉換為電,其累積發電量其實不輸矽晶電池,」工研院染敏電池專案計畫主持人童永樑說,他曾花2、3年,跑遍全台各地對100多家廠商說明染敏電池的優點,可惜由於染敏電池的戶外使用壽命太短,依當時技術水平,並不適合用來蓋太陽能發電廠,最後便由矽晶電池勝出,目前在太陽能發電市場占有率已大於9成。

儘管矽晶電池攻占了主要市場,但染敏電池並未全盤皆輸,這個領域不時仍有新創團隊成軍,顯示染敏電池仍有其利基市場。以特性而論,僅需100~200流明(Lux)的弱光(約3根蠟燭的燭光量),染敏電池就可以產生電,適合在低照度環境下使用,可更深入民生消費應用,既然擁有室內弱光發電的優勢,何必一定要走戶外發電的路呢?研究團隊再接再厲,努力爭取保留染敏電池研究計畫。

染敏電池的發電機制類似自然界的光合作用,有機光敏染料在壽命上自然難與無機矽晶電池相提並論,但各有其適合的場域;加上染敏電池製程毒性相當低,製程用水甚至可達直接排放標準;若以染敏電池加上充電電池,甚至比乾電池更環保。若不再執著室外太陽強光,轉而追求室內與弱光下的效率與壽命,更能發揮染敏電池的特長。

10年磨一劍 完全自主研發

由於國內過去幾乎沒有微小電力系統的開發經驗,在研發染敏電池的過程可說是跌跌撞撞。一開始感測研發團隊將初代的染敏電池做成感測器,電池總是很快就壞,電力也不太夠,幾乎1週至1個月就要換1次電池。但工研院努力突破技術瓶頸,使用期限愈拉愈長,產生的電力愈來愈高,現在於室內使用壽命已可維持5~7年,為打入商業市場邁進一大步。

「染敏電池」雖有「電池」之名,其實跟矽晶電池一樣,屬於創能而非儲能裝置,因此染敏電池若需要提供穩定電力,需搭配儲能裝置,如鋰電池等二級電池一起使用。考慮到染敏電池的特殊性,研發團隊除了致力提高轉換效率與壽命外,還得絞盡腦汁想應用。

內建染敏電池的發電桌,可吸收環境光能轉換成電,供電給手機等行動裝置。
內建染敏電池的發電桌,可吸收環境光能轉換成電,供電給手機等行動裝置。
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像是做成彩繪玻璃,發電同時還具有裝飾作用;做成露營燈,白天讓它吸飽日光,晚上拿來照亮營地,後續還開發出時鐘、電子桌曆、香氛產生器、溫濕度感測器等,只要將染敏電池結合儲電裝置,透過室內照明燈光驅動即可自行供電,甚至還有內嵌染敏電池的發電桌,吸收環境光能轉換成電,即可供電給手機等行動裝置。

結構有如三明治般的染敏電池,可說是「光資源回收再應用」的最佳體現,所有技術都存在兩片玻璃中間(約1根頭髮的厚度)。更難得的是,材料、規格封裝、設備製程等從上到下游的技術,完全是由工研院包辦,不需仰賴國外,在成本、技術的掌握上可以做到完全自主。

建置試量產線 拚明後年量產

工研院團隊現已進駐沙崙綠能科學城,希望克服製程良率,導入新的配方設計,提升模組光電轉換效率並延長使用壽命,預計明後年邁入量產;短期可切入消費性產品市場,中長期往建築、汽車等整合性發展,未來將邁向客製化製作,包括形狀、厚度、大小皆可依需求更改,在消費性電子產品、物聯網、穿戴式裝置上都有很大應用空間。

台灣每年乾電池的使用量高達9,000萬公噸,如果沒有妥善回收處理,恐將造成環境汙染、危害生物,染敏電池能在任何有光的地方都能發電,若搭配儲能電池,可降低一次性使用的乾電池使用量,對於節能省電也有顯著效果。一樣都是開燈照明,有了染敏電池後,消費者不用改變使用習慣,就能達到省電的最高境界──「無感」省電,在能源緊俏、萬物聯網的時代可望成為工業、消費市場最佳的電力備援幫手,也將成為台灣綠能產業的得力後援。

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胡耀祖/建立技術競爭門檻 切入利基市場

【撰文 陳玉鳳】

因應國際綠色能源產業趨勢,我國政策已明定2025年再生能源占總發電量20%為目標,並透過「5+2產業創新計畫」,將「綠能科技」視為重點發展項目之一。

在邁向「非核家園」的道路上,工研院始終是推進產業進步的中堅力量,「我們長期投入新能源的技術產品開發及數據分析、模擬,協助政府落實能源轉型政策,正是為了能帶動台灣綠能產業自主發展,」工研院綠能與環境研究所所長胡耀祖說。

2017年底,工研院率先進駐國內首座綠能科技試驗場域──沙崙綠能智慧科學城—綠能科技示範場域,以「創能」、「儲能」、「節能」、「系統整合」四大發展主軸,連結現有綠能科技、帶動創新綠能產業,透過串聯產學研資源,打造綠能創新產業生態系。工研院規劃百餘名人才進駐高鐵台南站旁的「沙崙綠能智慧科學城──綠能科技示範場域」,初期鎖定以超過10項最具商業化潛能,且可望快速產業化的綠能技術進行建置,包括染料敏化電池、鋁電池、太陽光電多元應用示範系統、節能元件示範生產技術平台等,並將在科學城展開產業化進程。初步盤點進駐的技術,皆已投入多年的研發能量,建立完整的關鍵技術並具有亮眼的研發成果。以鋁電池為例,工研院擁有多達51件的鋁電池專利,數量冠於全球,值得台灣廠商投入資金,共同開拓鉛酸電池替代及電網儲能等應用市場。在節能技術領域,高效率外轉子馬達技術則以軟硬整合的堅強研發能量,進行國內產業的跨領域整合及開創加值應用,規劃未來以整廠輸出方案,協助國內產業技術提升。

另外,多年心血投入所開發的染敏電池具有發電門檻低、可撓輕量化、低成本、環保等優勢,在低照度環境中可有效進行光電轉換,可用於室內物聯網感測裝置的電力來源。工研院現已掌握超過40件的染敏電池專利,是台灣廠商投入量產的最大助力。目前工研院與台塑合作的染料敏化電池已經進入試量產階段,初期目標設定為年產12萬片,未來台塑也將在廠內建置年產量達100萬片的生產線,預計2020年正式量產,搶攻綠能市場先機。

胡耀祖強調,「更重要的是推動產研合作,加速能源新技術及產品的量產與技術產業化,為台灣的能源轉型政策建構堅實及長遠的基礎。台灣產業沒有必要競逐量多低價的市場,我們一向擁有彈性、靈活的製造優勢,非常適合進入高功能、多樣化的利基區隔,」胡耀祖認為,產業應專注於建立技術競爭門檻,立基於與廠商共建長期利潤領域的開創,這也是工研院技術在研發選題及推動產業化的重要方向。

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工業技術與資訊

1991年創刊的《工業技術與資訊》月刊,為工業技術研究院發行之全院性對外出版品,主要提供工研院重大技術發展、相關產業趨勢、技術移轉成效等內容,為一般大眾接觸工研院的管道之一。工研院是台灣最大的產業技術研發機構,不論技術引進、人才培育、育成中心、技術服務移轉,對台灣中小企業的發展具有舉足輕重的地位。

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