〈工業技術與資訊〉供給面推動能源轉型

工研院長期致力投入太陽光電新結構技術創新, 成功開發出「穿隧氧化鈍化接觸太 陽電池」可克服傳統太陽電池效能的限制。(圖:工業技術與資訊月刊)
工研院長期致力投入太陽光電新結構技術創新, 成功開發出「穿隧氧化鈍化接觸太 陽電池」可克服傳統太陽電池效能的限制。(圖:工業技術與資訊月刊)

撰文/唐祖湘

在臺灣,溫室氣體排放量來源,能源燃料燃燒就占了 9 成以上,因此落實低碳、低空汙的發電方式,將是 2050 年實現淨零碳排的有效方式。工研院除了創新研發前瞻能源技術,更鏈結產業能量,落實再生能源應用,讓供給面科技朝低碳、零碳轉型,扮演綠能產業化的關鍵推手。

現代人享受生活上的種種便利,很大一部分是來自電力的充分供應與方便性,因應全球暖化,臺灣面臨能源轉型的關鍵時刻,工研院在創能、節能、儲能、電網管理與系統整合技術,皆有長期而深入的研發,為供電穩定與友善環境尋找解方,擘畫臺灣電力永續藍圖。

1. 分散式能源系統管理 輸配電調節最佳化

傳統電力的供應由發電廠經過輸配電網單向輸送到用戶,依能源轉型目標,我國 2025 年再生能源發電量占比將達 20%,而再生能源並非集中設置,且各自屬性不同,如太陽光電晚間無法發電、風電的日夜及冬夏發電量也有差異;加上部分來自民營電廠、汽電共生、與需量反應用戶的調配,如何截長補短,互通有無,未來將面臨更大的挑戰。既有輸配電網必須轉型,導入先進電能管理技術,以維持電力系統的穩定性。

工研院打造「整合多元資源的虛擬電廠」(Virtual Power Plant;VPP)驗證平台,透過資通訊技術整合分布在各區域的分散式資源,如儲能、需量、再生能源或小型發電機等多元資源,進行運轉監測分析與決策。當電網缺乏電力資源時,VPP 可調度轄下的各種資源,提供輔助電力。反之,當電網發電過多時,VPP 可彈性提升負載或以儲能吸收電力,協助達成平衡。VPP 可提升電網運轉彈性,協助再生能源併網整合,促成淨零碳排的目標。

該平台將以工研院新竹中興院區為調度中心,連結臺南六甲院區、沙崙綠能科技示範場域與其他分散式資源,開發多元資源協同調度的關鍵技術,進行實場驗證;未來也將規劃進行台電需量反應及輔助服務等技應用示範,開啟國內低碳能源產業新契機。

工研院打造「整合多元資源的虛擬電廠」 驗證平台,透過資通訊技術整合分布在各區域的分散式資源,進行運轉監測分析與決策。
工研院打造「整合多元資源的虛擬電廠」 驗證平台,透過資通訊技術整合分布在各區域的分散式資源,進行運轉監測分析與決策。
2. 染料敏化電池 三根蠟燭微光就能發電

傳統矽晶太陽能電池在陽光燦爛的戶外有極佳表現,但到了陰暗處就無用武之地,有鑑於此,工研院 10 多年前便布局投入染料敏化電池的研發,這項技術僅需 200 流明(約三根蠟燭光線)就可以產生電力,適用於陰天與室內弱光環境,完全可補足光線不足無法使用的缺陷;加上構造簡單,製作材料二氧化鈦不含有毒物質,被視為新世代最有潛力的太陽能技術。

經過多年鑽研,染料敏化電池從材料、設備、製程等上下游,工研院均可一條龍包辦,技術完全自主掌握,毋需仰賴國外。目前在弱光下的光電轉化效益可達 17%,室內常溫的使用壽命達 8 至 10 年,對照其他國家轉換率僅為個位數,已經領先全球,亮眼表現勇奪 2020 年全球百大科技研發獎(R&D 100 Awards)。

2018 年,工研院與台塑公司在沙崙綠能科技示範場域,成功建置全球第一條染敏電池試量產線,年產量可達 10 萬片,良率超過九成,並以智慧家電概念應用於電動窗簾,弱光即可提供窗簾電能,無需用到市電,環保又節能;隨著物聯網時代來臨,感測器、電子標籤等應用大增,染敏電池可望取代傳統乾電池,減少環境汙染,作智慧綠能的好幫手。

工研院投入染料敏化電池的研發,從材料、設備、製程等上下游,工研院均可一條龍包辦,技術完全自主掌握,毋需仰賴國外。
工研院投入染料敏化電池的研發,從材料、設備、製程等上下游,工研院均可一條龍包辦,技術完全自主掌握,毋需仰賴國外。
3. 穿隧氧化鈍化接觸太陽電池 翻轉太陽能產業

再生能源已是世界各國的能源策略主軸,臺灣目前以太陽光電推廣狀況最佳,但太陽能板需要大量土地面積,在臺灣地狹人稠的限制下,發展高效率、低成本的太陽光電極為重要。工研院長期致力投入太陽光電新結構技術創新,成功開發出「穿隧氧化鈍化接觸太陽電池」(Tunnel Oxide Passivated Contact;TOPCon),可克服傳統太陽電池效能的限制。

此技術結合半導體科技,運用奈米技術的量子穿隧效應,讓電子(Electron)可以輕易穿透非常薄的穿隧氧化層(Tunnel Oxide),電洞(Hole)則被阻擋在外,減少電子與電洞在矽晶圓表面的異質接面處復合,藉以增加光電轉換效率。

這項技術現已與太陽能大廠茂迪合作,於沙崙綠能科技示範場域進行驗證,試量產電池轉換效率達 23.5%,相較目前主流的鈍化射極與背面電池(PERC)高出 1% 以上,且可節省 10% 以上的太陽能電廠用地面積,增加電廠投報率 3%,可改善陰雨天等低照度時的發電能力,大幅縮短能源回收期,有效降低碳排放量。

此外,該模組功率達 360W,比起傳統 330W 輸出量超出 10%,成果領先全球。原本試量產 20MW 電池與模組每年產值上看 3 億元,現已供不應求,並擬擴充至 60MW,預計將成為再生能源方案的新焦點。

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 352 期 2021 年 6 月號,未經授權不得轉載。


《工業技術與資訊》月刊 | 《工業技術與資訊》月刊

《工業技術與資訊》月刊,現為工研院發行之全院性對外出版品,刊物發行於1991年,目前每期發行數量約為6,000份;對象含括全國具研發單位的中小企業、立法委員、政府官員、媒體等。

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