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三機一體 太陽能光電玻璃

2010/08/05 楊嘉慧
審稿/楊錦懷(台灣科技大學材料科技研究所副教授)
三機一體光電玻璃除了透光,本身還具發電、自潔、使室內外溫差達15℃的隔熱功能,是具有環保、節能概念的綠建材。

 目前市面上有一種太陽能透光模組,兼具透光與吸收陽光的發電功能,然其不具隔熱效果,本身在太陽照射後,會經由熱傳導而造成室內溫度過高,浪費空調電力。為了提升實用性,並使現有的太陽能透光模組具多功能,台灣科技大學營建系副教授楊錦懷帶領的研究團隊,已研發出全世界第一片結合自潔、發電、隔熱等多功能的三機一體光電玻璃,該產品不但取得中、台、日、美、德等多國專利,也引起日本光電產業重視,於 2009 年東京光電展中榮獲最具潛力的太陽能產品。


光電玻璃具隔熱、自潔及發電功能,是相當實用的綠色建材。(影像來源:楊錦懷)


 三機一體光電玻璃的重量約為強化玻璃的 2~3 倍,厚度 20 餘毫米(一般建材用的強化玻璃為 8 毫米),其主要特殊結構包含:奈米光觸媒層、可發電矽薄膜層及隔熱層。奈米光觸媒層是塗在三機一體光電玻璃表面,當光觸媒表面吸收紫外光後,會將附近水分子游離出來的氫氧離子(OH-)氧化成氫氧自由基(·OH)。氫氧自由基活性大,若遇到由碳、氫、氧組成的有機物,會奪取其電子,打斷有機分子的鍵結。一般污染物多半是有機物,分解後即成為水及二氧化碳,達到自我潔淨作用。


光觸媒作用示意圖。光觸媒吸收陽光後,表面的電子會因吸收足夠能量脫離,而形成帶正電的電洞。電洞會奪取水分子游離出來的氫氧基的電子,使氫氧基成為氫氧自由基,後者可將有機物分解成水及二氧化碳,達到自我潔淨功效。(電腦繪圖:姚裕評)


 可發電矽薄膜層是將具透光性的非晶矽半導體(註)鍍在兩片玻璃之間。而最外一層玻璃是使用透光率較一般玻璃高出一成的低鐵玻璃。當陽光穿透玻璃,照到非晶矽半導體上時,就會激發其上的電子產生電能。

 此外,為了增加隔熱功能,光電玻璃在前後玻璃之間增加空氣層及高反射率的隔熱膜。空氣層與隔熱膜除了具隔熱效果外,反射回去的光波經過矽薄膜層時,又能進行二次發電,提升發電效率。


光電玻璃由外而內主要有三層特殊構造:塗佈在玻璃表面的奈米光觸媒層、夾在兩層玻璃之間的可發電矽薄膜層及位於空氣層中間的高反射率隔熱膜層。陽光穿透玻璃時,使矽薄膜層發電,而高反射層會反射光線,使陽光再次被矽薄膜層吸收而二次發電,增加發電效能。(電腦繪圖:姚裕評)


 三機一體光電玻璃目前一平方公尺的發電功率有 88 瓦,而隔熱效果方面,在實驗用的玻璃監測屋中,於不開空調和不通風的條件下,三機一體光電玻璃屋和一般強化玻璃屋相比,兩者室內溫差於中午時可高達 15℃ 左右;若室外溫度 36℃,室內空調溫度設為 26℃,則冷氣耗電至少能節省 40% 以上。此外,光電玻璃所產生的電力還可與台電並聯使用,降低對台電的電力需求。

 楊錦懷表示,三機一體光電玻璃為了達到發電效能,必須降低玻璃的透光率,目前只能做到 30% 的透光率(一般玻璃是 60 ~ 80%),不過在節能減碳的環保意識下,該產品仍有市場性。現階段三機一體光電玻璃主要推廣到大型建物或公共建築上,未來希望能普及到一般家庭,實現家家戶戶發電自給自足的想法。




註:矽晶片太陽能電池依結晶方式分成單晶矽、多晶矽和非晶矽三種。單晶矽是所有矽原子排列規則,性質穩定,發電效率較高。多晶矽晶片是由很多小塊單晶矽組成,發電效率不如單晶矽。非晶矽是矽原子排列沒有規則。它對光的反射率低,只要薄薄一層即可發電,成本比前二者低很多,而且透光,可廣泛應用在光電玻璃上。




發電效能 持續提升


 三機一體光電玻璃在 2007 年就已申請專利,專利範圍是在利用各種光反射原理增加發電力與隔熱功能。不過,當時的發電效能低,隔熱效果也不好,產品遲遲未能量產。直到 2008 年做了些改良,才使每平方公尺的發電功率從原先的 50 瓦提升至 88 瓦,隔熱效果也提高,且使用壽命延長,大大提升實用性,因此開始商品化。

 台灣科技大學營建系副教授楊錦懷表示,提高發電功率主要從兩方面著手,一是可發電矽薄膜層從原先的只鍍一層變成兩層,亦即直接在兩片玻璃之間鍍雙層矽薄膜層,此法可使電功率上升至 80 瓦。另一個是高反射率隔熱膜材質的改良,他們試驗多種材質,最後終於找到對紅外線和紫外線反射率特別高的材質,可使其穿透率幾乎為零,但讓較多可見光穿透,這樣使發電功率再提升至每平方公尺 88 瓦。

 現在,三機一體光電玻璃已經應用在馬來西亞的光電牌樓、新光集團吳家陽明山別墅、高雄縣龍興國小太陽能光電採光屋頂,以及由台灣科技大學與內政部合作建造的太陽能節能屋「MEGA HOUSE」,而 2010 台北國際花博展美國館也採用三機一體光電玻璃。楊錦懷表示,目前該產品每平方公尺的價格介在新台幣 1 萬~1 萬 5000 元之間,相較於強化玻璃的 3000 元雖然貴了 3~5 倍,然而因具有發電、省能、自潔功能,預計八年左右即可回收成本。將來若需求量大增,價格還有機會降低一半以上,是相當具潛力、值得推廣的環保節能產品。


圖為太陽能節能屋「MEGA HOUSE」,光電玻璃安裝在屋頂上。(影像來源:楊錦懷)







延伸閱讀

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〈什麼是光觸媒?〉,蘇俊鐘專文解答,《科學人》2003年6月號

〈取不盡的能源--太陽能發電〉,李名揚撰文,《科學人》2008年2月號

《永續建築導論》,江哲銘著,建築情報出版

《我愛綠建築:健康又環保的生活空間新主張》,林憲德著, 新自然主義出版

高二課本《化學》


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