新研發太陽能電池長得像光纖

太陽能電池一定得是平板狀的嗎？美國喬治亞理工學院(Georgia Tech)的研究人員開發了一種新技術，能將光纖變成細長狀太陽能電池。 透過將染料敏化太陽能電池(dye-sensitized solar cell)與光纖電纜的外殼結合，喬治亞理工學院的研究人員展示了一種纖細、軟性的太陽能電池，且其效率據說可達採用同樣材料的平板太陽能電池之六倍。

「我們將這種光纖的末端直接面對太陽；」喬治亞理工學院教授Zhong Lin Wang表示：「在該光纖的旁邊置放一個與外部負載(external load)連結的電極，就能收集所產生的電荷。」Wang是與該校研究人員Benjamin Weintraub與Yaguang Wei共同完成該研究。


喬治亞理工學院教授Zhong Lin Wang展示光纖電纜材料製成的太陽能電池

染料敏化太陽能電池是在1990年代發明，是薄膜狀的太陽能發電方案；不同於矽晶太陽能電池應用昂貴的半導體材料來發電，染料敏化太陽能電池是在週圍環繞金屬薄膜的電解質中，在氧化鋅奈米線(nanowires)上使用廉價的染料分子(dye molecules)薄膜。當太陽光線照射在染料分子細胞上，它們會射出電子到金屬薄膜，並傳輸到外部電極。

傳統太陽能板的一個問題，是入射的光子很少有機會能在退化成熱之前，於薄板中激發電子；但相反的，光纖能讓光子有更多的機會與活性層(active layer)互動。

Wang所製作的原型是使用20公分長的光纖，以確保能在長度範圍內吸收最大量的光子。 這種技術只會收集光纖尖端的太陽光，然後光線會沿著光纖向下；而未來將研發的新版本則可能會使用外部透明的金屬護套，好讓光線從裡面跟外面進來。

研究人員也計劃製造成束的子系統，包含數百條平行的光纖電纜。 研究團隊也打算將這種新型太陽能電池的能量轉換效率，由現在的3.3%提升到8%，好推向商業化。

Wang表示，他打算用成本更低的廉價光纖材料來進行實驗，並用氧化鈦代替氧化鋅來進一步提升效率。 在實際應用上，這種太陽能電池能讓產品設計師開發出新形狀的商業產品，或是在軍事應用領域，纖維狀的太陽能電池能內建在裝備中用來供電。

(參考原文：Solar cells spring from optical fibers，by R. Colin Johnson)

工研院日前宣佈，其研發的「高安全性鋰電池STOBA材料」獲得美國某科技雜誌的「2009年全球百大科技獎」，這是繼去年「AC-LED」技術得獎後，工研院連續第二年獲得此獎項，與英特爾(Intel)、美國太空總署(NASA)、美國阿岡國家實驗室齊名。

工研院材化所所長劉仲明表示，鋰電池是現有電子產品重要的動力來源，卻也是最不穩定的電子零組件，以前無法要求安全的鋰電池，是因為全球都沒有解決方案。現在發展的高安全性STOBA鋰電池技術，能有效提升鋰電池安全性，巨幅降低電池爆炸事件機率。

工研院開發獨創的高安全性STOBA鋰電池材料，已經申請專利9件29案，有機會讓台灣鋰電池產業站到國際舞台顛峰。 工研院材化所副所長彭裕民表示，STOBA是奈米級的高分子材料，添加在鋰電池後形成防護膜，好像是奈米級的保險絲。當鋰電池遇高熱、外力撞擊或穿刺時，STOBA會即刻產生閉鎖效果，避免電池發生短路，並阻斷電化學作用進而防止高熱，確保3C產品電池及電動車輛電池的安全性與實用性。

STOBA技術已經通過比國際安全標準更加嚴苛的強制短路穿刺實驗，也是目前全球從材料端根本創新，解決鋰電池安全的技術。


小型STOBA鋰電池

工研院STOBA研發團隊，經過各種嘗試與努力，最後在高分子組成物中，找到耐高溫、良好接著、具可撓性等特點的相似結構，經過數年的材料改質與測試，最後終於突破困境找到全新材料，除有效解決安全性問題，也提升高溫循環壽命20%以上。


大型STOBA鋰電池

補充資料： 2008年全球生產出31億顆鋰電池，六個標準差已經無法滿足鋰電池安全要求，工研院STOBA材料讓鋰電池具備重要的「冗餘(redundancy)」時間，並達12個標準差，讓鋰電池發生短路產生高溫時，即可產生閉鎖反應機制，避免後續的熱爆問題，確保消費者安全。

鋰電池安全問題主要來自電池內部溫度升高，包括電池不當加熱、過度充電、正負極材料接觸造成短路等。當內部溫度持續升高且無法抑制時，分開正負極材料用的隔離膜就會開始熔化、穿破，而導致大量電流短路，然後電池就會加速變熱，溫度上升至180℃以後會引發正極材料分解，產生很大熱量，使電池瞬間溫度急遽升高，如同在有裂縫的壓力鍋中不斷加熱一樣，最後產生熱爆升，噴出大量氣體，引發起火燃燒及爆炸等危險。