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第51期 染料敏化太陽能電池(Dye Sensitized Solar Cell, DSSC) 全球相關專利剖析

June 3, 2010

IPAMA智管會/TSipo戰國策 張天山/王維位 發表
2010/06/03

 

 

染料敏化太陽能電池效率獲突破進展

 

更新日期:2010/05/05 (中央社記者林惠君台北5日電)

中央大學化學系教授吳春桂主持的第三代太陽能電池開發,有突破性進展,染敏太陽能電池的效率達11.5%,為目前文獻報導最高效率染料。

行政院國家科學委員會今天邀請吳春桂報告「第三代太陽能電池技術─染料敏化太陽能電池研發成果(Dye-Sensitized Solar Cells,DSSCs)」。染敏意謂染料藉由二氧化鈦(TiO2)扮演介面,吸光後產生電流。

吳春桂團隊研究染敏太陽能電池效率達11.5%,是目前文獻中效率最高者;即將發表具更高效能的釕(RU)錯合物染料,還在驗證當中。

吳春桂表示,太陽能電池很早前就在研發,目前太陽能電池科技現況,以單晶矽的效率最高(24%),能源回收期達2至10年最長;染料敏化太陽能電池效率為11%,製程簡單,能源回收時間短,日本研究回收期可在 6個月,成本也較低。

吳春桂指出,染敏太陽能電池的特色,在於轉換效率不受日照角度影響,轉換效能隨溫度上升而提升,模板雙面皆可吸收光線,有利於吸收散射光,如果效率作得好的話,室內光源可發電。

根據日本富士總研預估,2014年DSSC市場產值可達2億美元,不過,吳春桂認為,這部分應該是指小規模的客製化設計,進入大規模市場則太樂觀。另外,雖然未預估商用化時間,但依日本預估,可能在2020年左右。

另外,Nano Market預估,2015年DSSC產值約3.7億美元。

吳春桂指出,塑膠染敏電池具可撓曲的特性,可放在各種地方;染敏太陽能電池的應用潛力,未來可應在消費性電子產品,如iPod、手機充電等。

吳春桂表示,未來將以既有的染料敏化太陽電池研發成果為基礎,持續開發高效能的染料分子,並和國內外一流的研究團隊共同進行元件相關研究,同時也將尋求與國內廠商合作,共同進行商用染料敏化太陽能電池的開發。

第三代太陽能電池─染料敏化太陽能電池,是1991年由瑞士洛桑聯邦理工學院教授Michael Gratzel等人提出的一種可能降低產電成本的太陽能電池。

此種新型太陽能電池由於具有透光性、色彩可調變性、可撓曲性、良好的光電轉換效率、效率受環境影響小,以及低製造成本等優點,成為目前相當熱門的研究領域之一,並有國內外相當多的企業積極投入DSSC商品化開發。

Source from:http://www.cna.com.tw/ShowNews/Detail.aspx?pNewsID=201005050160&pType0=aIT&pTypeSel=0

 

染料敏化太陽電池的結構

 

DSSC 電池的構造和現在一般市售的矽質半導體太陽電池不同,其基板通常是透光導電玻璃基板,也可以是透明且可彎曲的有機聚合物膜片(polymer foil),玻璃片或有機聚合膜上塗有一層可讓太陽光穿透,且可導電的薄透明導電氧化物(transparent conducting oxide,TCO)薄膜。此既可以透光也可以導電的氧化物通常是使用摻雜氟的二氧化錫(SnO2:F)玻璃基板,簡稱FTO 玻璃。

 

近9年DSSC相關專利統計趨勢與
全球太陽光電系統年度安裝量分析

 

下圖為使用THOMSON REUTERS之Aureka軟體來檢索美國(USTPO),歐洲(EPO),日本(JP),世界(WIPO)公開、公告專利資料庫,依申請日統計至2009年為止(並經patent family篩除)。由圖中可以看到,DSSC相關專利的公告(公開)數量於2003年時開始有比較大幅度的成長,從2002年的30筆、2003年的62筆、2004年的98筆到2005年的165筆,幾乎每年都有近倍數的成長,到2009年達到378筆之多,顯示近幾年有許多廠商和研究單位投入許多人力與金錢做研發並申請專利,相關研究的專利數目大增。

由下圖中資料可看出全球太陽能的安裝量不斷成長,由於有許多國家政府有補助太陽能的方案,例如歐盟的百萬屋頂太陽能計畫、德國的十萬屋頂太陽能計畫、日本的新陽光計畫、美國的加州百萬太陽能屋頂法案及中國的金太陽工程等政策支持,使全球太陽能安裝量從2007年的2179 MW成長到2009年將有4340 MW的安裝量,成長快速。

 

近9年DSSC相關專利之公告、公開數量統計(從2001年起統計至2009年底)
及全球太陽光電系統年度安裝量

IPAMA智管會/TSipo戰國策整理 2010/04

source from:http://www.taiwangreenenergy.org.tw/files/Activity/200832712258.pdf

 

全球染料敏化太陽電池2007~2015年
產值與每W成本預估

資料來源:工研院IEK,IPAMA智管會/TSipo戰國策整理 2010/04

由於染料敏化太陽電池的技術才剛進入量產的階段,所以能製造並量產的廠商並不多,多數廠商預估將從2009~2010年才開始有量產計畫,目前英國的廠商G24 Innovation(G24i)已經開始量產,2009年全球DSSC的產值有240萬美元,但預估到2015年全球產值將有3億7千萬美元,成長的速度驚人,且製造成本從每W1.5美元降低至2015年的0.8美元。

 

全球DSSC相關之專利地圖
(統計至2010年4/30之公開/公告專利)

由上圖可以看出專利地圖中,主要有4個Group的發展技術如下:

由此可知此領域的發展技術集中在染料化學替代材料、導電玻璃材料與染料組成粒子成分。除了之外,染料敏化太陽電池模組(Group 1)的改良也是一個重要的發展技術,以下我們將針對此染料敏化太陽電池模組(Group 1)的發展技術做進一步的分析。

 

有關染料敏化太陽電池模組(Group 1)
相關專利進一步分析

 

 

針對染料敏化太陽電池模組(Group 1)的相關專利來做統計,可得到上述的結果,由上表可看出染料敏化太陽電池模組(Group 1)相關專利IPC數量統計前5名的分類中,以H01L031/00此IPC分類的專利數量為最多,共達14筆專利,其次為 H01L0031/04,有6筆。

 

IPC內容描述:

H01L031/00:對紅外輻射,光,較短波長之電磁輻射,或微粒輻射敏感者,且適用於將此種輻射能轉換為電能者,或適用於通過此種輻射進行電能控制之半導體裝置;製造或處理此等半導體裝置或其部件所特有的方法或裝置;此等半導體裝置之零部件。

H01L031/04:用作轉換裝置者。

H01L031/042:包括光電池板或陣列,如太陽電池板或陣列。

H01L031/052:具有冷卻、反光或集光裝置者。

H01L031/048:封裝或有外殼者。

 

經分析有關染料敏化太陽電池模組(Group 1)的相關專利之後,可以將染料敏化太陽電池模組改良技術分成下列幾種:

 

 

染料敏化太陽電池模組改良技術之
相關專利數量統計趨勢圖
(從2002年起統計至2010年4/30之公開/公告專利)

IPAMA智管會/TSipo戰國策整理 2010/04

由圖中可以看出,改良透光層是三種改良技術中,唯一從2007年起就不斷增加的研究領域,2008年有2筆,2009年有7筆,2010年統計至4月已有4筆之多。改良電極結構的專利數量最多,有23筆,從2006年之後每年都有約3~4筆的專利,顯示此技術領域的發展相對穩定。

 

 

IPAMA智管會/TSipo戰國策整理 2010/04

 

台灣DSSC相關專利數量統計趨勢圖
(從2002年起統計至2010年4/30之公開/公告專利)

 

 

 

IPAMA智管會/TSipo戰國策整理 2010/04

上圖為DSSC相關專利之公告、公開數量統計,統計從2002年到2010年4月為止,總共有166筆,其中由圖中可以看出從2005年以後的相關專利數目快速增加,2007年有15筆,2008年有28筆,到2009年達到70筆之多,2010年統計至4月為止已經有31筆相關專利,已經達到2009年70筆的將近一半的數目,相關專利成長的速度驚人,顯示DSSC相關技術於近幾年在台灣受到各家廠商及研究單位的重視且發展快速。

 

 

 

台灣染料敏化太陽電池模組改良技術之相關專利數量統計趨勢圖
(從2002年起統計至2010年4/30之公開/公告專利)

IPAMA智管會/TSipo戰國策整理 2010/04

上圖為DSSC相關專利之公告、公開數量統計,統計從2002年到2010年4月為止,總共有166筆,其中由圖中可以看出從2005年以後的相關專利數目快速增加,2007年有15筆,2008年有28筆,到2009年達到70筆之多,2010年統計至4月為止已經有31筆相關專利,已經達到2009年70筆的將近一半的數目,相關專利成長的速度驚人,顯示DSSC相關技術於近幾年在台灣受到各家廠商及研究單位的重視且發展快速。

 

IPAMA智管會/TSipo戰國策整理 2010/04

由上圖可以看出有關染料敏化太陽電池模組相關專利在台灣之申請數量,其中三種技術中的改良電極材料在2009年有5筆,比2007年的2筆多出一倍,成長最多。在改良電極結構與改良透光層方面,筆數平均每年都有大約1~2筆。

 

福盈科今年獲利續躍進 染料敏化太陽能明年量產

 

精實新聞 2010-03-17  記者 陳怡潔 報導

福盈科二年前透過澳洲公司Dysol的技術轉移,切入染料敏化太陽能模組的製造,這種號稱第三代太陽能電池的發電技術,不採用矽晶,而採用化學品發電,關鍵原料包括染料、二氧化碳、電解質等。特色為可用室內光源充電,便宜但效率較低(約5%),可作為3C產品電池的輔助商品,適用於手機、MP3等用電量較小的產品,未來應用可能是直接附在手機上,或做成可摺疊的外接式裝置,已受到手機業者的關注。

但目前已量產此產品的廠商不多,只有英國的替代能源公司G24 Innovations等公司發展較成熟,福盈科技術來源的澳洲公司自身亦尚未進行商業生產。

賴宜廷表示,目前福盈科的技術已超越當時技術轉移的水準,染料敏化太陽能模組正要從實驗室生產,進入先鋒量產的試產階段,第二季就可更確定正式量產的時程,目前預計是第四季將開始籌設太陽能模組產線,產線約半年可完成,因此最快明年上半年就能正式量產。

賴宜廷表示,該產品的利潤率很高,且手機廠商的興趣很高,目前已有做山寨機的大型手機零組件商來接洽,公司預計擴建一條太陽能產線約需1.5億元資金,但兩年內就能回收成本,未來也可能再度籌資以支應太陽能業務所需。

Source from:http://tw.myblog.yahoo.com/jw!33ywHnGTEQfNYp55CA_X8A--/article?mid=2523&prev=2586&l=f&fid=30

 

利機佈局DSSC太陽能電池,鎖定一般民生應用

 

精實新聞 2010-01-18 10:10:36 記者 黃星善 報導

電子通路商利機(3444)宣布與交通大學簽訂奈米管染料敏化太陽能電池(DSSC)技術授權合約,該公司表示,有別於矽晶太陽能和薄膜太陽能的發展訴求,DSSC太陽能電池主要是以結合各項民生用品的個人化應用為主,如外套、皮包等,使其均能成為供應太陽能發電的基礎配件之一,同時在利機長期的研發贊助下,未來也將優先取得該項技術的商業化權利,惟預期這部份尚須歷經1-2年的努力,短期仍無法帶進實質的業績貢獻。

據瞭解,交大太陽能光電實驗室DSSC研發團隊目前已達成小尺寸應用約7%的轉換率水準,且不須直射光即可產生運作效能,該項產品基礎核心係屬染料的一環,其可使太陽能電池被生產為各種顏色,同時更具備可撓式的使用特性,因此在透過塗佈方式的生產流程後,可充分與外套、皮包等個人化配件進行結合,未來目的即在於支應個人可攜式電子裝置的電源需求。

此外,由於DSSC具有輕薄、可撓式及可攜式等特性,因此未來還可以充分運用在屋內小型電池、兒童玩具電池以及與3C產品相結合的電力系統上。

利機則指出,看好DSSC將有機會發展成為第三代太陽能電池的主流技術,主因在於DSSC具備原料成本便宜(以二氧化鈦(TiO2)為主要材料)且取得容易的發展利基,完全不受矽原料短缺的影響,同時生產環境也不須像矽晶或薄膜太陽能電池得在無塵室內進行作業。

Source from:http://www.funddj.com/kmdj/news/NewsViewer.aspx?a=a464fea2-8c41-4c18-88e7-60ab4f436ab7

 

 

重要提醒:

全球太陽電池產業發展迅速,但台灣的第三代染料敏化太陽電池相關的專利佈局與研究跟國際大廠比起來仍然較為不完善,由於染料敏化太陽電池的製程簡單,成本較低,在未來有很大的成長空間,雖然全球染料敏化太陽電池的量產及商業化還需要多加努力,包括產品品質與規格的確立,但國內的廠商或研發單位應該可以加強投入這方面的人力物力,或是與美日廠商在研發段的策略聯盟,加強相關專利的整合佈局。尤其韓國廠商積極在台灣佈局染料敏化太陽電池相關的專利,未來若台灣廠商切入相關產品之製造,勢必會遭遇到專利上的攻防或侵權訴訟,此問題不可不注意。

 

 

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