固态氧化物燃料电池和CIGS太阳能电池薄膜材料简介

        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（fuel cell）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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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，如果威廉希尔官方网站 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1.02 eV，加入Ga 后可提高至1.1-1.2 eV。

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：

在各类薄膜电池威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ，未来期待研究成果能对环境保育能有所贡献。