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2020-01-01全新公式解鎖可算出雙面太陽能板電力極限 457 期

Author 作者編輯部

【本刊訊】近日，美國普渡大學（Purdue University）與孟加拉東西大學（East West University）物理學家於《美國國家科學院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS）發表全新的熱力學（thermodynamic）公式，並發現在不同環境下（草地、沙地、水泥地或灰塵多的地方），每個雙面太陽能電池（solar cell）可比單面電池平均多吸收15~20％的陽光，甚至可在幾分鐘內算出各環境下雙面電池所能產生的電力極限值。

太陽能板可捕捉太陽光，並把它轉換成電能，不過傳統的單面板有個大前提：板子必須面向天空。然而，如果太陽能板的背面，即背向天空的那一側，也能吸收地面反射回來的太陽光，就能提高產電的效能。此外這種雙面的太陽能電池，可以垂直地放在地面，或水平放置於加油站的天花板上，不易受到地點干擾之餘，也較能因應建築物設計做調整。這種發電效能極佳的產品近年備受矚目，不同的地形環境效果也不同。不過，它究竟能產出多少電力、省掉多少的成本呢？

這個由美國普渡大學電子與計算工程學教授阿朗姆（Muhammad Ashraf Alam）與孟加拉東西大學助理教授柯安（Ryyan Khan）發表的三角公式可不簡單，乍看只是個單純的三角形，卻能算出近五十年來太陽能電池在熱力學上的極限。該公式名為蕭克雷－奎瑟三角（Shockley-Queisser triangle），取自找到單面太陽能電池的理論最大效能的蕭克雷（William Shockley）與奎瑟（Hans-Joachim Queisser）。透過三角形向下傾斜的線段，可找出極限值：根據公式，雙面太陽能電池的效能，會隨著表面反射的光而增加；而與帶有植被的表面相比，來自水泥表面的反射又能經吸收轉換出更多能量。

視農場及城市中的建築不同，研究人員亦可透過這個公式，為人們設計出最好的雙面太陽能電池──透明且雙面的特性，能避免在收集能源的過程中產生阻礙農場作物生長的陰影；而窗戶樣式的設計，也有助城市使用更多的再生能源。此外，要將雙面太陽能電池的電位最大化，可控制太陽能板與半導體材料邊界──即「接面（junctions）」──的數量，而與單面太陽能電池相比，單一接面的雙面太陽能電池又能得到最大的效能。

普渡大學電子與計算工程學教授阿朗姆（Muhammad Ashraf Alam）於ScienceDaily的報導中表示，要想把複雜的物理問題濃縮成一個簡單的公式，得花上多年時間的研究與模擬才能達成；這個公式的誕生，讓業者能為下一代太陽能電池做出最好的投資決策，甚至協助他們設計出效能更好的電池。雖說單面電池成本效益高，在太陽能板領域走過近50年，卻難以在效能及成本考量上取得更多進展，且專家預估雙面太陽能電池將在2030年左右攻占全世界太陽能電池市場的一半，阿朗姆認為，新公式的出現或許能加快雙面電池科技的發展。

新聞來源
Muhammad A. Alam and M. Ryyan Khan, Shockley–Queisser triangle predicts the thermodynamic efficiency limits of arbitrarily complex multijunction bifacial solar cells, PNAS,2019.

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