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綠色科技研究中心之發展近況與未來趨勢

綠色科技研究中心之發展近況與未來趨勢

綠色科技研究中心

  近年來由於油、電價等能源高漲,以及溫室效應造成地球暖化的危機,人們對綠色環保概念愈加看重。如何有效的節能或使用高效率的產品,已成為多數人關切的話題。在應運而生的綠色產業中,高效率 LED、太陽電池及智慧能源管理技術,皆屬於現今最熱門的核心產業。本校近幾年來就積極推展從事綠色能源的研究,並成立綠色科技中心,發展太陽能電池、發光二極體固態照明及綠色環保製程技術等為重點研究。時至今日,綠色科技中心底下規劃出三個部門,分別為『太陽能電池組』、『智慧能源管理組』、『照明科技組』,中心成員來自校內電機、電子、光電、化材等系所中各具專才的教授,貢獻出個別的智慧結晶,使中心的研究成果逐年遞增,在研究發展上已有了較大幅度的進展。

  在太陽能電池研究上,我們著眼在次世代薄膜太陽能電池 ( Solar cell ) 技術的研發,其中以銅銦鎵硒型 ( CIGS, CuInGaSe2 ) 化合物太陽能電池因高效率、無環保問題是其中最有潛力的一種。截至目前為止,組已利用真空濺鍍及共蒸鍍法製作出小面積 CIGS 太陽電池,效率已經達到 11.4%。這個結果來自於我們小組各實驗室團隊的密切整合,以及擁有完善且能逐年建置新製程的太陽電池設備;另外,我們也與中國南開大學、日本東北大學與俄羅斯科學院持續進行技術交流,能適時地給予協助。今後在 CIGS 太陽電池的研發上,該組會朝向:( 1 ) 於製作過程中無重金屬硫化鎘生成之無鎘 CIGS 電池模組製程技術的開發,以期達到無毒性,低污染、具專利性且不致降低轉換效率之無鎘緩衝層薄膜材料;( 2 ) 目前以共蒸鍍及真空濺鍍製程為主,但製造成本高昂,下階段目標將採用非真空製程(例如:電鍍法、塗佈法),一方面減少真空設備昂貴支出,也能提高材料使用率,降低生產成本。而現階段工作重點為:( 1 ) 引進銅銦鎵硫硒 ( CIGSSe ) 電池技術與粉體合成;( 2 ) 改善非真空法製程塗佈技術與塗佈液調配;( 3 ) 研究化學水浴法 (  Chemical Bath Deposition, CBD ) 進行電池備製,以期降低成本並減少耗能;( 4 ) 實現 CIGS 主動層中 Na 離子含量而增加效率技術。2012 年 CIGS 產能規劃為真空製程效率 15%,非真空且無鎘製程效率 10%,我們也正朝著這些目標邁進。

  在智慧能源管理方面,該組主要目標在於統合該中心的電力電子技術、控制理論及控制晶片設計,將替代性能源,諸如風力、太陽能等天然發電系統的能量轉換效率發揮到最大,並改善其電力品質。在近期的研究成果及報告中,已經利用本校在林口台地高地形落差之地理優勢及年平均速度達 6-7 m/s 的風力資源,建置出總容量達 10 kW 的單晶矽太陽能陣列及 6.5 kW 的風力發電機機組。另外,因為太陽能電池或風力的輸出電壓及電流會隨著日照情況及負載的變動而浮動,有時會離最大功率點甚遠造成發電效率低落,為解決這種問題,計畫中也規劃設計製作最大功率追蹤及控制電路,利用高速且高解析度的轉換器 IC 追蹤能量波動情形,使發電系統的輸出電力功效達到最大化。以台灣目前在半導體產業的成熟技術及電子產業的健全發展下,由於太陽能電池生產技術與半導體產業製程技術相似,此研究能儘早令台灣在太陽光電產業中取得先機,獲得領先優勢。另一方面,該組平均挹注在研究生的研究設備經費也超過 100 萬元。相關研究議題包含無效電力補償、電機磁場導向型向量控制、不平衡三相系統補償、風力、太陽能互補發電技術、蓄電池平衡充電系統、主動式濾波器、及電力線載波訊號通訊。上述研究成果已發表在國際知名期刊,除獲得多項國內、外專利之外,也屢在論文競賽中脫穎而出。在研究生的訓練上,注重理論與實務的互相印證,強化學生的專業技術及知能,以提升未來在就業市場之競爭力。該組近期的研發成果『應用於風力太陽能發電系統之多模節能最大功率追蹤晶片開發』,已連續兩期由『數位時代雜誌』報導,是唯一獲得該雜誌報導之私立學術單位。

  在照明科技方面,該組著重在高效率 LED ( Light Emitting Diode ) 的開發及改良,由於 LED 具有低耗電、壽命長、高效率、安全性高、無熱輻射、發光響應時間短等特點,另一方面,由於 LED 及太陽電池都屬於直流元件,不需使用變頻器,也降低因變頻產生的效率轉換損失,且傳統燈具含汞,LED 燈具不需此有毒物質,並且可回收再生,因此 LED 照明的研發與應用可稱為綠色環保的重要里程。該組現階段工作重點有:

1.利用雙束型聚焦離子束 ( Focused Ion Beam, FIB ) 在 GaN LED 晶粒上蝕刻出光子晶體陣列 ( Photonic crystal array ),研究其發光特性。

2.利用側壁濕式蝕刻製程製作 GaN LED 晶粒,改善其發光效率。

3.研發覆晶 LED 與其陣列的構裝體與模組之散熱最佳化,以增加 LED 使用壽命。

4.利用三原色 LED 晶粒研發白光燈具模組。

5.開發 LED 透明導電層新材料。未來的研究重點則朝向開發高效率藍綠光及深紫外光 LED、開發布拉格反射鏡及開發遠離螢光粉 ( Remote phosphor ) 封裝技術,並製作以矽或矽化碳為基板之高功率 GaN 高速電子遷移率電晶體 ( High Electron Mobility Transistor,  HEMT ) 元件,並研究 HEMT 元件靜電崩潰的保護機制。

  該組也將持續對光電薄膜的各種特性做研究,希望能夠找到提高功率的方法來提升 LED 的特性並運用於日常照明設備。近期發表於 Applied Physics Express 的論文『Effect of Electron Leakage on Efficiency Droop in Wide-Well InGaN-Based Light-Emitting Diodes』英國Semiconductor Today Magazine 節錄並報導。另外,研究主題『Electron Blocker Boosts Brightness in Wide-Well LEDs』也曾被 Compound Semiconductor Magazine 專文討論,顯見研究廣受學術雜誌重視。

  綠色科技中的綠色,象徵的是我們對環境的目標,著重於如何節能減碳,一方面改善我們的生活環境,同時也引領著科技發展的轉向。我們期望綠色科技不僅能針對目前環境的危機進行處理或應變,更能將地球生態回歸到低污染,低破壞,綠意盎然的生活環境,使地球生態永續發展。


 
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