【專題企劃2】太陽能電池的轉換效率 誰說了算?─專訪中央大學新世代光驅動電池模組研究中心吳春桂教授、陳家原助理教授

by Yang-Kuang Chao
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圖1. 中央大學新世代光驅動電池模組研究中心太陽能電池效率驗證實驗室主要成員─吳春桂教授(左)、陳家原助理教授(右)

採訪 ‧ 撰稿  /  Stella Y.T. Sun (科學推展中心特約編輯)

他們是一組力爭上游的實驗室團隊,卻也是孤獨的草根英雄

座落在國立中央大學科二館,一間寬敞而清涼的實驗室獨自安坐在側。這裡是全國大專院校唯一獲得國際認證的PV校正實驗室-中央大學新世代光驅動電池模組研究中心(RCNPV)麾下的太陽能電池效率驗證實驗室。自2017年起,該實驗室依循準確、公正和追求一致性的品質政策,取得了ISO/IEC 17025認證,也被賦予了相當的使命:依據國際標準提供高精準與高信賴度的太陽能電池及微型模組性能參數校正評價結果予客戶,以及提高太陽能電池效率驗證實驗室的國際知名度。然而,這些生難字詞注定了這間實驗室獨自負重前行、鮮少被外人理解的命運。

新世代光驅動電池,顧名思義,是可將光能轉換為電能的裝置,坊間最在意的就是光轉換成電的效率,而效率驗證實驗室的存在,就是為了確認光電轉換效率的準確性,一但確認效率高於既有的紀錄,便能協助登上太陽能電池技術領域雜誌《Progress in Photovoltaics: Research and Applications》中的國際權威報導─Solar Cell Efficiency Tables。

緣起於2009年,有機太陽能電池研究量測實驗室的規劃案第一次在國科會(現科技部)被提出,當時的吳春桂教授-也就是現在的實驗室主任,因染料敏化太陽能電池相關研究做得出色,爭取到了這個科技部大型專案計畫,三年後的 2012年,包含太陽能電池效率驗證實驗室(PVEVL)的RCNPV完成基礎設備建置,其中PVEVL核心設備包括高近似型太陽光模擬器、光譜響應量測系統、由日本AIST校正的一級標準電池、標準光源等,時至今日整套系統仍是台灣最好的設備。PVEVL實驗室在2017年取得ISO/IEC 17025校正實驗室的國際認證,目前已通過認證延展至2023年。當實驗室主任吳春桂教授提起:「我們是全國大專院校唯一獲得ISO/IEC 17025認證的太陽能電池校正實驗室,要維護起來,真的不太容易。」雖然是甘苦談,臉上卻掩藏不住笑意,像看著拉拔多年的孩子已成氣候的慈祥母親。

在負責實驗室作業的陳家原助理教授努力之下,PVEVL不止協助評測,也參與了研發。2021年五月,與位速科技(Ways Tech)聯合研發的有機太陽能電池微型模組(OPV mini-module)創下國際公認的新世界紀錄-光電轉換率高達13.6%-並登上Solar Cell Efficiency Tables 。這次登上權威報導的微型模組,正是可以開始投入實際應用的尺寸,接近大規模商業化的技術先有了,便能著手拓展應用範疇,最後轉變為物美價廉的產品,其商業價值不容小覷。近六、七年間,新世代光驅動電池技術有突破性的進展,其中有機薄膜與鈣鈦礦微小電池的最高轉換率已分別達到18.2%及25.5%,後者已與傳統矽晶電池不相上下,因此願意投入新世代光驅動電池模組技術的企業不在少數,國內外都有,目前各國均朝著「同步提高光電轉換效率與面積」的目標而努力。科技部正是在十多年前就看準了這點,伸出了橄欖枝,希望國內各界技術能進一步整合,因此設立了有機太陽能電池研究量測實驗室,中央大學也以實驗室為基礎,建立了研究中心(RCNPV),希望經由服務學界及業界來促進新世代光驅動電池的商業化。

回到PVEVL實驗室的重要任務-太陽能電池的效率驗證,實驗室有對外開放量測服務,在有預約的狀況下,委託人可以送樣品確認性能。實驗室負責人陳家原助理教授表示:「設備之外也需要人才」。由於執行面有很多細節需要注意,驗證實驗室長期以來都是陳教授孤身一人負責研發量測技術,與親自著手驗證各單位委託的太陽能電池,陳教授解釋道:做產品會需要很多人才,而驗證是個比較特別的技術,相對不需要那麼多跨領域背景知識,但其過程繁複,需要上很多的課、投入很多經費和時間,也必須背負著不能出錯的壓力,光是培育一人就很困難,因此,長期下來,實驗室的驗證技術開發與服務一直處於只有一人執行,其他人協助文書來維持這個組織的辛勞狀態。

回顧2015年,台灣曾舉辦了首次大規模光驅動電池的同儕比對活動,參與實驗室總數為22,執行方式是將相同電池送至不同實驗室進行量測,以確實了解各實驗室量測結果的偏差程度,在取得比對結果後即可進一步分析量測結果偏差的主因,以提出關於效率量測的建議,與提供訓練課程和驗證服務,希望藉此能提高國內整體效率評價結果的準確性;然而,當年的標準測試條件(STC)-也就是在標準太陽光照射下,國內各間實驗室的光電轉換效率量測比對最大偏差有54%,室內弱光條件(T5;照度為600 lx)-也就是仿照使用螢光燈管的室內環境,最大偏差更是達到了152%,顯示國內技術不同步,還有很大的進步空間。陳家原教授解釋:正所謂魔鬼藏在細節裡,量測電池元件的操作看似很簡單,卻有很多細節需要注意,所以不同實驗室才會出現很多差異,特別是新型的電池技術的特性有別於傳統矽基電池,會需要因應其特性額外調整量測方法,這也是為何新世代光驅動電池性能量測的準確性會如此地重要,大家一起檢討偏差程度、原因,就能一起進步。

圖2. 實驗室使用的一級校正標準太陽能電池(例)

跳脫國內的框架,國際上這個驗證領域被承認、指定的頂尖實驗室目前共有九間,這幾間實驗室在新型太陽能電池技術的產業發展中扮演至關重要的角色,它們最常做的就是相互比對,將相同的樣品異地驗證多次,以共同確保地表上量測結果的一致性。2021年五月初,為加速驗證結果的審查以登錄新世界紀錄,中央大學與位速科技聯合研發的有機薄膜太陽能微型模組,於中央大學優先完成驗證後,另送至位於義大利的歐盟聯合研究中心光伏實驗室(JRC-ESTI)進行再次確認,雙方所得數據幾乎完美重合,可見台灣也能做到和世界上少數幾間被國際承認的實驗室並駕齊驅。吳春桂主任與陳家原助理教授共同表示:「我們正在努力成為世界上第十間被承認與指定的實驗室。」

在樣品來往送驗、比對的途中,除了海內外手續繁瑣,更有可能出現意外損壞,導致驗證結果失真,甚至無法執行量測。疫情之前,派員親自運送肯定是最妥善的方式,但疫情期間只能透過寄送傳遞樣品,須承擔高度風險,若是未來能在台灣即被承認,便可免除在運送過程中產生的風險與加速頂尖成果的發表。有著如此清晰的努力目標和為台灣產學研單位佈下的願景,相信這間力爭上游的實驗室,未來將不再如此孤獨,成為人盡皆知的台灣之光。

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