固态氧化物燃料电池和CIGS太阳能电

固态氧化物燃料电池和CIGS太阳能电池薄膜材料简介

固态氧化物燃料电池材料：

近百年来，人类科技的进步非常迅速，再加上全球经济的发展、社会的进步和人口的快速成长，使人类对能源的需求量有增无减，依赖程度也与日俱增，因此造成地球有限的化石能源日益枯竭。将来如果没有新型的替代能源，人类的生存会出现危机。

世界各国在开发的新能源中，发现具有低污染、低噪音、免充电、高效率、寿命长、适用范围广和可以分布式供电的燃料电池（fuelcell）是最适于投入发展的选择，在国际上已成为争相研发的重点科技。

燃料电池是一种将化学能直接转换变成电能的装置，虽然名为电池，但更像一个特殊的发电机，它并不储存能源，而是转换能源，只要持续的补充燃料与氧化剂，即可连续运转发电，且燃料电池所补充的燃料与氧化剂并不经过燃烧反应的过程，而是发生电化学反应产生电流。

对燃料电池系统而言，固态氧化物燃料电池(SOFC)对环境改善的贡献可能是最大的。固态氧化物燃料电池又称第三代燃料电池，系利用固态非多孔之金属氧化物作为电解质，借着氧离子在晶体中穿梭以进行离子传送，操作温度高达800~1000℃。其优点为不需以贵金属（如pt）为触媒，废热回收价值高，提高发电效率至65%

SOFC亦可以使用煤气或天然气为燃料，惟因其在高温环境下操作，材料选择受到若干限制，因此，低温动作之SOFC高性能电池的开发，已成为国际间积极开发之研究课题。平板式固态氧化物燃料电池的结构，其中关键零组件包含阳极(anode)、固体氧化物电解质(electrolyte)、阴极(cathode)、与夹持SOFC的双极板与密封材料等。由于是全固体的结构，固体氧化物燃料电池具有多样性的电池结构，以满足不同的需求。

固态氧化物燃料电池在发电过程之中，采用在高温下具有传递氧离子(O2-)能力的固态氧化物为电解质，通常直接以天然气、煤气等碳氢化合物作为阳极燃料气体，而以空气中之氧气作为阴极氧化剂。氧气在阴极催化剂的作用下，得到经由外电路从阳极释放的电子，而被还原成氧离子，氧离子再移动到阳极和氢气或碳氢类燃料作用，产生水和二氧化碳，并放出电子。经由机械设备将产生之化学能转化成电能，形成电池的运转回路。

SOFC之原理如上图所示，当空气通过阴极时，氧分子(O2)得到电子(e-)后变成氧离子(O2-)接着，氧离子在电解质隔膜两侧电位差与浓度驱动力的作用下，透过电解质隔膜中的氧空位，定向跃迁至阳极侧，并与燃料（如氢）及一氧化碳进行氧化反应，于单电池之电化学反应中，在使用氢气为燃料之情形下，为氢气之氧化生成水的反应，此即为水之电解的逆反应；若是使用一氧化碳为燃料的情形下，为一氧化碳之氧化生成二氧化碳的反应。

2.CIGS太阳能电池薄膜材料：

由于全球气候变迁、空气污染问题以及资源日趋短缺之故，太阳能发电做为动力供应主要来源之一的可能性，已日益引起人们注目，这也是近年以硅晶圆为主的太阳能电池市场快速成长的原因。然而硅晶圆为主的太阳能发电技术其成本毕竟高出传统电力产生方式甚多，因此目前市场仍只能局限于特定用途，也因此世界上主要的研究单位，均致力于投入太阳能相关技术的研究，企求开发出新的物质，能降低产品成本并提升效能。

薄膜式太阳能电池由于只需使用一层极薄光电材料，材料使用非常少，而且由于薄膜是可使用软性基材，应用弹性大，如果技术能发展成熟，相信其市场面将较硅晶方式宽广许多。

CuIn1-xGaxSe2太阳电池在70年代由贝尔实验室发展，刚开始是使用CuInSe2，后来发现以一部分Ga取代In可以提高能隙，进而提升电池性能。因此目前通用的化合物为CuIn1-xGaxSe2，简称CIS或CIGS太阳电池。CuIn1-xGaxSe2的能隙可以由Ga与In的相对比例来调整，CuInSe2为1.02eV，加入Ga后可提高至1.1-1.2eV。

CIGS太阳电池从很早就被视为具有潜力的低成本太阳电池，它有以下几个特点：

在各类薄膜电池技术中，相对效率较高，目前小面积组件效率已可达19%，大面积的模块效率已达13%。

它的制程可以使用低成本大面积的化学沉积方法。

其在室外长期使用的稳定性已被证实。

同时它对高强度辐射的抵抗力优于硅晶电池。

重量又轻(因为只需要微米等级的厚度)，因此也适合太空使用。

它又可以使用挠性基板制作，用途广泛。

3.资源再生材料:

藉由科学的方法，将具有可回收再利用之物质从污染物中提炼出来，是本实验室正在发展的方向之ㄧ。

本实验室研究之污染源可能来自于:

1.各种化学工业工厂。

2.有毒、有害之废弃物。

由于本实验室研究的种类项目繁多，故本文将只有简单介绍电镀工业所释放重金属之废水处理，一般使用来处理含重金属废水之传统方法有离子交换、电解、蒸发、中和沉淀等方法。

(1)离子交换法:

用于除去经传统法处理后之废水中微量的污染物，以便符合更严格的环保法规，或从清洗水中回收带微量离子电镀液，使净化的水回流再利用。

(2)蒸发法:

用于回收清洗水中，电镀用之化学药品的方法，用加温煮沸，以除去大量的水，并将药品浓缩送至电镀槽再用。

(3)电解法:

自稀溶液中将金属沉积回收。本法特别适用于贵重金属。

(4)中和沉淀法:

对含金属离子种类繁多之废水，皆以添加碱液，使其形成氢氧化物沉淀之中和法来处理，有时添加Fe2(SO4)3Al(SO4)3或高分子凝集剂，藉胶凝沉降之效果，可在较低之pH值，使重金属离子形成沉降。这种方法虽然可以处理废水达到放流标准，但是会产生大量不易脱水之重金属污泥，而且脱水后之污泥，若将其任意抛弃，则会由于雨水或地下水之流动，而有再溶出并造成第二次公害的危险，所以必须予以固化装置。由于污泥是一种非稳定性之氢氧化物。固化后污泥所产生之氧化与还原反应。也易使固化体崩坏分裂，再度造成污染。

本实验室在研究上，着重在改良各种污染物之一般处理方法，藉此减少与改善传统处理方法的缺失，并且积极研发废弃资源回收的新技术，未来期待研究成果能对环境保育能有所贡献。