固態(tài)氧化物燃料電池和CIGS太陽能電池薄膜材料簡介

??????? 近百年來，人類科技的進(jìn)步非常迅速，再加上全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會的進(jìn)步和人口的快速成長，使人類對能源的需求量有增無減，依賴程度也與日俱增，因此造成地球有限的化石能源日益枯竭。將來如果沒有新型的替代能源，人類的生存會出現(xiàn)危機(jī)。

??????? 世界各國在開發(fā)的新能源中，發(fā)現(xiàn)具有低污染、低噪音、免充電、高效率、壽命長、適用范圍廣和可以分布式供電的燃料電池（fuel cell）是最適于投入發(fā)展的選擇，在國際上已成為爭相研發(fā)的重點(diǎn)科技。

??????? 燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換變成電能的裝置，雖然名為電池，但更像一個(gè)特殊的發(fā)電機(jī)，它并不儲存能源，而是轉(zhuǎn)換能源，只要持續(xù)的補(bǔ)充燃料與氧化劑，即可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，且燃料電池所補(bǔ)充的燃料與氧化劑并不經(jīng)過燃燒反應(yīng)的過程，而是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流。

??????? 對燃料電池系統(tǒng)而言，固態(tài)氧化物燃料電池(SOFC)對環(huán)境改善的貢獻(xiàn)可能是最大的。固態(tài)氧化物燃料電池又稱第三代燃料電池，系利用固態(tài)非多孔之金屬氧化物作為電解質(zhì)，借著氧離子在晶體中穿梭以進(jìn)行離子傳送，操作溫度高達(dá)800~1000℃。其優(yōu)點(diǎn)為不需以貴金屬（如Pt）為觸媒，廢熱回收價(jià)值高，提高發(fā)電效率至65%
　
??????? SOFC亦可以使用煤氣或天然氣為燃料，惟因其在高溫環(huán)境下操作，材料選擇受到若干限制，因此，低溫動(dòng)作之SOFC高性能電池的開發(fā)，已成為國際間積極開發(fā)之研究課題。平板式固態(tài)氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)，其中關(guān)鍵零組件包含陽極(anode)、固體氧化物電解質(zhì)(electrolyte)、陰極(cathode)、與夾持SOFC的雙極板與密封材料等。由于是全固體的結(jié)構(gòu)，固體氧化物燃料電池具有多樣性的電池結(jié)構(gòu)，以滿足不同的需求。

??????? 固態(tài)氧化物燃料電池在發(fā)電過程之中，采用在高溫下具有傳遞氧離子(O2-)能力的固態(tài)氧化物為電解質(zhì)，通常直接以天然氣、煤氣等碳?xì)浠衔镒鳛殛枠O燃料氣體，而以空氣中之氧氣作為陰極氧化劑。氧氣在陰極催化劑的作用下，得到經(jīng)由外電路從陽極釋放的電子，而被還原成氧離子，氧離子再移動(dòng)到陽極和氫氣或碳?xì)漕惾剂献饔?，產(chǎn)生水和二氧化碳，并放出電子。經(jīng)由機(jī)械設(shè)備將產(chǎn)生之化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，形成電池的運(yùn)轉(zhuǎn)回路。
???????? SOFC之原理如 上圖所示，當(dāng)空氣通過陰極時(shí)，氧分子(O2)得到電子(e-)后變成氧離子(O2-)接著，氧離子在電解質(zhì)隔膜兩側(cè)電位差與濃度驅(qū)動(dòng)力的作用下，透過電解質(zhì)隔膜中的氧空位，定向躍遷至陽極側(cè)，并與燃料（如氫）及一氧化碳進(jìn)行氧化反應(yīng)，于單電池之電化學(xué)反應(yīng)中，在使用氫氣為燃料之情形下，為氫氣之氧化生成水的反應(yīng)，此即為水之電解的逆反應(yīng)；若是使用一氧化碳為燃料的情形下，為一氧化碳之氧化生成二氧化碳的反應(yīng)。
　
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2.　CIGS太陽能電池薄膜材料：

　　由于全球氣候變遷、空氣污染問題以及資源日趨短缺之故，太陽能發(fā)電做為動(dòng)力供應(yīng)主要來源之一的可能性，已日益引起人們注目，這也是近年以硅晶圓為主的太陽能電池市場快速成長的原因。然而硅晶圓為主的太陽能發(fā)電技術(shù)其成本畢竟高出傳統(tǒng)電力產(chǎn)生方式甚多，因此目前市場仍只能局限于特定用途，也因此世界上主要的研究單位，均致力于投入太陽能相關(guān)技術(shù)的研究，企求開發(fā)出新的物質(zhì)，能降低產(chǎn)品成本并提升效能。

　　薄膜式太陽能電池由于只需使用一層極薄光電材料，材料使用非常少，而且由于薄膜是可使用軟性基材，應(yīng)用彈性大，如果技術(shù)能發(fā)展成熟，相信其市場面將較硅晶方式寬廣許多。
??????? CuIn1-xGaxSe2太陽電池在70 年代由貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)展，剛開始是使用CuInSe2，后來發(fā)現(xiàn)以一部分Ga取代In 可以提高能隙，進(jìn)而提升電池性能。因此目前通用的化合物為CuIn1-xGaxSe2，簡稱CIS 或CIGS太陽電池。CuIn1-xGaxSe2的能隙可以由Ga 與In 的相對比例來調(diào)整，CuInSe2為1.02 eV，加入Ga 后可提高至1.1-1.2 eV。

CIGS 太陽電池從很早就被視為具有潛力的低成本太陽電池，它有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

在各類薄膜電池技術(shù)中，相對效率較高，目前小面積組件效率已可達(dá)19%，大面積的模塊效率已達(dá)13%。

它的制程可以使用低成本大面積的化學(xué)沉積方法。

其在室外長期使用的穩(wěn)定性已被證實(shí)。

同時(shí)它對高強(qiáng)度輻射的抵抗力優(yōu)于硅晶電池。

重量又輕(因?yàn)橹恍枰⒚椎燃壍暮穸?，因此也適合太空使用。

它又可以使用撓性基板制作，用途廣泛。
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3. 資源再生材料:

藉由科學(xué)的方法，將具有可回收再利用之物質(zhì)從污染物中提煉出來，是本實(shí)驗(yàn)室正在發(fā)展的方向之ㄧ。

本實(shí)驗(yàn)室研究之污染源可能來自于:

1.各種化學(xué)工業(yè)工廠。

2.有毒、有害之廢棄物。

由于本實(shí)驗(yàn)室研究的種類項(xiàng)目繁多，故本文將只有簡單介紹電鍍工業(yè)所釋放重金屬之廢水處理，一般使用來處理含重金屬廢水之傳統(tǒng)方法有離子交換 、電解、蒸發(fā)、中和沉淀等方法。

(1) 離子交換法:

??????? 用于除去經(jīng)傳統(tǒng)法處理后之廢水中微量的污染物，以便符合更嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)，或從清洗水中回收帶微量離子電鍍液，使凈化的水回流再利用。

(2)蒸發(fā)法:

??????? 用于回收清洗水中，電鍍用之化學(xué)藥品的方法，用加溫煮沸，以除去大量的水，并將藥品濃縮送至電鍍槽再用。

(3)電解法:

??????? 自稀溶液中將金屬沉積回收。本法特別適用于貴重金屬。

(4)中和沉淀法:

??????? 對含金屬離子種類繁多之廢水，皆以添加堿液，使其形成氫氧化物沉淀之中和法來處理，有時(shí)添加Fe2(SO4)3Al(SO4)3或高分子凝集劑，藉膠凝沉降之效果，可在較低之PH值，使重金屬離子形成沉降。這種方法雖然可以處理廢水達(dá)到放流標(biāo)準(zhǔn)，但是會產(chǎn)生大量不易脫水之重金屬污泥，而且脫水后之污泥，若將其任意拋棄，則會由于雨水或地下水之流動(dòng)，而有再溶出并造成第二次公害的危險(xiǎn)，所以必須予以固化裝置。由于污泥是一種非穩(wěn)定性之氫氧化物。固化后污泥所產(chǎn)生之氧化與還原反應(yīng)。也易使固化體崩壞分裂，再度造成污染。

??????? 本實(shí)驗(yàn)室在研究上，著重在改良各種污染物之一般處理方法，藉此減少與改善傳統(tǒng)處理方法的缺失，并且積極研發(fā)廢棄資源回收的新技術(shù)，未來期待研究成果能對環(huán)境保育能有所貢獻(xiàn)。