讓太陽能板彎曲！可撓印刷式太陽電池「做」到了

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圖片提供／工研院綠能所

太陽能板也會轉彎！工研院將研發能量聚焦在「輕量」與「生活化」上，用心力「印刷」出獨步全球的可撓式太陽電池，為台灣綠能科技軟實力再添一筆光彩。

露天咖啡座下，四張雅致的椅子留住漫遊的腳步，遊客的目光依舊是鎖定在手機螢幕上。不過等等，為什麼會有電線從頭頂上的遮陽大傘垂落下來，而且電線的另一端還是接在客人的手機上？

你沒看錯，這是「2017基隆城市產業博覽會」現場，一群婆婆媽媽們正興致高昂地體驗著工研院展示區的研發新品：「可撓印刷式CIGS太陽電池」。

「哇！不錯嘛！真的可以充電耶～」前來體驗的民眾不斷發出驚喜和讚賞。

圖片提供／工研院綠能所

參與專案研發的工研院綠能所「化合物太陽電池研究室」謝東坡博士，滿臉興奮的說：「我們在16片三角形的傘布上，共設計了8組CIGS次模組，然後兩兩併聯，提供4組USB輸出，每組的發電量大概是7～8瓦左右，其中2個留給民眾現場體驗手機充電，1個給休閒傘的LED燈使用，剩下的1個供直流播音喇叭使用。很高興看到民眾對於太陽能產品的接受度這麼高，而且樂於嘗試體驗，甚至是希望下訂單購買，這是6年前我們研發團隊想像不到的好成果。」

這條會「彎曲」的研發之路從零到有，軟性CIGS研發團隊幾乎是天天泡在裡頭發現問題、面對問題，然後逐步解決問題並摸索著前進，備嘗艱辛，甚至有一度想過要放棄！還好終究是挺了過來、一切努力都有了回饋。

即使太陽光電已經發展許久，但大部分的人卻沒有使用經驗，就算想嘗試也不知從何處取得，因此「太陽能使用還是要回歸到怎樣走入民生」，是研發團隊共同的目標，現在就跟著謝東坡的分享，一起用心感受太陽電池是如何被「印」出來的「曲折」迭起！

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可撓印刷式CIGS太陽電池：會「彎曲」的溫柔

可撓印刷式CIGS太陽電池，簡單來說，就是把發電料材以印刷技術塗布上去，成品具備輕、薄、可彎曲、不怕摔、又方便攜帶的特性，突破傳統太陽能板給人硬梆梆、不能彎曲折疊又太重的刻板印象。

「其實在8、9年前，台灣對於可撓式太陽電池是相當陌生也不太懂的，所以工研院與中科院在同時間提出這個技術構想。」謝東坡回憶道，從國防需求來看，希望能源物件可以做到「隨身攜帶」及方便使用，這點很容易理解，因為當時美國軍方也有一家公司專門在產製這類元件。工研院則是以國家型的科專計畫角度出發，並考量到太陽光電產業長遠的發展，「覺得應該要為台灣找出下一個世代的新技術，並且是國產國造的。」

攝影／謝惠子

基於這樣的理念，研發團隊決定放手挑戰困難度更高一些的「印刷式」太陽電池。其實他們當初跨進太陽電池領域時，最先是以真空製程技術來進行，卻發現相關設備較為昂貴，且技術、設備及材料大多掌握在德、美、日等國手上，儘管使用的材料容易找得到，卻難以達到「低成本」與「大量製造」的期待，因此將研究方向調整為「印刷」方式。

「印刷方式的概念是這樣的：希望以後製作太陽電池時，是不是可以用印報紙一樣的操作模式來生產，不但速度快，量也多。更重要的是，當時美國也有一家公司在做印刷式的，可我們不願意關鍵元件技術總是掌握在歐美大廠手中，因為這意味著突破空間也會變少。」就這樣，懷抱著與美國並駕齊驅的雄心，屬於台灣本土的「印刷式」太陽電池正式起步。

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3年苦熬，0.5平方公分迷你版成形

開創之路寂寥而艱苦，因為投入的前2年幾乎沒有成果。

「明明真空設備製造的太陽電池在國際間的發展期程也超過20年以上了，可是漿料印刷技術連小尺寸0.5平方公分的太陽電池都做不出來！」團隊驚覺到用印刷技術來做，實在是太困難了，縱使是投入15至20位碩博士專家，還得兩兩一組的漏夜輪番上陣，一樣難以突破。

謝東坡解釋，製作印刷式太陽電池一來要有漿料，這要用到化學人才，二來要大面積製造，要有化工背景，再來是跟電有關的專業，所以需要電機人力，另外還要有材料、製程整合的人，加上有一些物理特性在裡頭，所以物理人才也需在列，「所以說已經是一條龍包括上、中、下游的所有人才匯聚與應用，就像是業界的模組廠一樣，」說明了每個細節都需要特定的專才來負責。

就在研發頻頻觸礁、大家都想放棄的時候，非常奇妙的，轉機出現了！「因為是從零到有，所以無法明確歸納是哪個步驟有了成果，而是看到一個極細微的變化，這個變化能夠支撐計畫再次走下去！」這個戲劇性的進展，讓電池的轉換效率、穩定性開始到位，團隊也在失敗與反覆修正的過程中，逐漸摸索到印刷製程其實是有規則可依循的，所以在第3年（2012年）終於做出0.5平方公分大小的試成品，轉換效率達到14.2％。

「雖然與一般太陽電池的效率18～20％相比還是有段差距，但是以軟性基板、印刷技術的領域來說，已經是世界級的水準之作了。」可是這份喜悅沒有持續太久，因為通過小尺寸試圖要再放大面積的製程中，研究又被打回原形、重新落入困頓！原因是只要有一個參數、小細節的改變，就會牽一髮而動全身，經過印刷排列上去後的結果，成品出現大面積不均勻及生產上種種的問題，致使轉換效率無法均一，「簡單來說，就是有如奧運選手跟小學生牽手賽跑一樣的不協調！」謝東坡苦笑著說。

所以團隊又耗費1年多的時間做調整，終於成功把面積放大、效率變好。「看到它們願意排排站的團結在一起發電，真好！」

攝影／謝惠子

「我們的第1個產品很醜，但是堪用，是用普通的線路自己動手串接起每一片，長相不整齊，尺寸也不齊，不夠高富帥就是了！非常有個性及自由意志：『我就想長這樣，不行嗎？我就是幼稚園的程度，沒辦法排排站』，有些歪斜扭曲的真樸。」――謝東坡

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「漿料」技術獨特，有了成品更要論環保！

講完這些甘苦談之後，謝東坡方才笑嘻嘻的將訪談導入核心技術的分享，他認為技術本來就深奧難懂，何妨先以生活化的故事來暖暖場，才不至於枯燥乏味。

「這個技術最大的能量就是在『印刷』上面，既然是印刷，就要有墨水，也就是『漿料』。」謝東坡以柳橙汁調配做比喻：一杯水，放進一些零碎的柳橙顆粒，接著滴入黃色調色劑，重點是要加入「起雲劑」，進行濃度及口感的調整後，就會變成一杯看似很濃醇香甜的柳橙汁！「我們的漿料混合了3種成分奈米粒子，算是獨門配方，漿料的均勻度和穩定性高，黏度適中，而且採用了水系溶劑，既環保又可以避免有機溶劑經過熱處理所殘留的碳及雜質，讓成分組成與量產能夠更加穩定。」

目前實驗室1天已可自製10公升的漿料，這樣的量足以做出2萬片的太陽電池（每片約100平方公分）。至於濕式塗布上料技術，則是以類似金屬刮刀的設備，均勻地將漿料濕覆在基材上，因為是濕的，接下來就是高溫加熱烤乾（耐熱度達到120～130度）、鍍膜、結晶的熱處理及剩餘電池製程，也就完成可以吸收陽光、薄如銀翼的太陽電池了。

聽起來好像很容易，可是事實上一點都不簡單，因為就在製作小尺寸再到放大尺寸的過程中，團隊還警覺到鍍膜處理所衍生的環保問題。原來在鍍膜過程後會殘留下有害的化學藥劑，如果隨意排放將對環境造成可怕的污染，必須經過加工處理才能進行廢棄，可是如此一來又將耗費更多的能資源。

為此，他們發展出「新式低廢液化學浴鍍膜技術」，能夠降低50％的廢液剩量、節省能源損耗1倍及縮短一半的製程時間，同時提高鍍膜的均勻性與化學品的利用率3倍以上。「新的作法是這樣：一次拿幾片想要鍍膜的量，把它放在槽裡框住，再從上面倒入適量的液體，接著加熱，鍍膜手續完成了，槽裡幾乎可以沒有剩料，與之前放一大堆進池子裡加熱相比，雖然鍍膜的片數多，可是一來加熱時間拉長，二來浪費的化學液體也很可觀，無形中成本與能資源不斷地在耗損。」

克服、跨越了這一大步之後，從2015至2017年，團隊開始著手於試量產。

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一定要做起來！「在地發、在地用」的超級行動電源

抱持著「一定要做起來」的信念，研發團隊最終以印刷式電池（200平方公分）轉換效率14.6％，擊敗了美國的13.9％，正式晉升為可撓印刷式太陽電池領域的全球NO.1，而且材料及技術全部是台灣製造。跟隨著這份榮耀光環而來的，是量產推廣與「在地發、在地用」的渴望。

此時謝東坡略略彎腰，將一個工字捲軸從地上搬上檯面，隨著攤展的動作，「清明上河圖」躍然眼前，雖然塗布表層看來斑剝點點。

圖片提供／工研院綠能所

「這是試驗版還不完善，第二版將強化材料與電池晶片的契合度。妳知道我們最想做什麼嗎？就是光電農業大棚。」這句話強烈撞擊了小編的心、暖暖的感動著，原來謝東坡是農家子弟，他覺得軟性太陽電池結合了「觀賞」與「懸空」的好處，同時可以像帆布一樣的便利收納，使用在農業上不會改變耕作方式、農人的生活習慣或地貌，相當適用。「其實很多農作物都很怕熱，像蓮霧還可以靠套袋來避熱遮蚊蠅，但是不是所有的農作物都能這樣保護著，所以會特別使用黑網或搭建溫室，可是通常上午10點到下午2點正是陽光大好的時候，遮起來多可惜！如果這個時候可以拿這種軟性的太陽電池披覆在棚架上，既發電又隔熱，多好！」而且優點是無須特別去上職工架設訓練課程，就能自行裝繫、上工，用途上彈性度很高。

另外，像是這次參加「2017基隆城市產業博覽會」時，還有一組設計師請他們幫忙製作「紙飛機」。這架紙飛機上面有14片三角形太陽電池拼在一起，可以「折疊」隨身攜帶、或放在山中的某些站點，一旦有山難發生時，登山客就把紙飛機拿出來往空曠的地方射出去，它能夠靠著陽光飛行5至10分鐘，同時發出救難訊號與告知受困者的位置，相當靈活輕巧。

至於展區上備受矚目與喜愛的手機充電片（器），重量大概200～300公克左右，電量約9瓦左右，充飽手機只要1至2小時，目前正朝向A5或是更小尺寸的「電子書」型式精進。而太陽電池背包也有小量生產外銷，售價達到新台幣1萬多元，「此技術提供隨身及輕量化整合發電服務，能夠有效拉抬產品的附加價值。」謝東坡相信，未來在休閒戶外設備、建築設施、國防通訊、農業或不利耕作地等方面，都將有實質的市場需求。

圖片提供／工研院綠能所

對於最後邁入量產前的準備，謝東坡認為，民眾多半是從生活的功能性去認識一樣物件，成品即代表視覺與觸覺的實質呈現，因此量產有其必要性。「我們在2016年初次展出試成品時，就獲得極大的迴響，包括印度、韓國、日本甚至是加拿大都來詢價，顯見大家對可撓式太陽電池產品的期待與重視。若是再回歸到用電的本質上，我們覺得在地發、在地用是幫助國家降低用電量的一個重要環節。」所以藉此也鼓勵大家讓綠電走入家庭、實踐「自發自用」，一起把研發太陽光電的初衷延續下去，讓太陽的「溫晴」真正滿人間。

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關鍵字：可撓式太陽電池,彎曲,折疊,漿料,手機充電