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【科技新知分享】陽明交大DIYGreen農園結合太陽能板打造高效屋頂

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全球暖化問題日益嚴重,致使生態與氣候均受到不良影響,都市水泥化所造成的熱島效應更加重此問題,亦因而耗用更多能源在空調上。由陽明交大環工所高正忠教授研究群所開發的DIYGreen零廢棄循環型屋頂農園,可隔熱降低屋頂表面及室內溫度,因而可減少空調能耗,研究亦顯示其具有節能減碳、減緩溫室效應、增加綠覆面積、減緩熱島效應、截流雨水、減少地表逕流、改善空氣品質、增加建築美觀及供種植零食物里程蔬果等效益,因而受到國內外所重視,亦因而正在各縣市推廣中。

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讓太陽能板不與植物搶陽光!

國內缺乏能源,正積極推動安裝太陽能板,但若在屋頂設置太陽能板,由於傳統的太陽能板會檔住植物所需要的陽光,導致下方無法同時建置屋頂農園,讓太陽能板與屋頂農園只能擇一建置,甚為可惜。陽明交大物理所孟心飛所長研究群成功開發的可透光的太陽能板,除可供發電,亦可透光。在二個研究群合作下,成功的在陽明交大環工館屋頂平台搭建示範農場,用可透光太陽能板發電的同時也讓下方的蔬菜能照到陽光順利生長,共榮發展。

DIYGreen原型再利用回收瓶為基座,可供使用者在家中屋頂陽台種植蔬果,回收瓶儲存雨水讓農園低維護,除發芽期外,一週只需澆一次水,再結合回字循環蚯蚓養殖消化生廚餘產生優質的有機蚓肥回到農園促進植物生長,富含微生物的蚓肥可作為地墊建立幾乎無異味的雞舍飼養蛋雞,形成零廢棄循環為家人生產零食物里程的優質食物,但若上方是架設傳統的太陽能板把陽光檔住時,就不易建置DIYGreen屋頂農園,但若結合可透光的太陽能板,仍然可在其下方建置DIYGreen屋頂農園。

有機太陽電池之吸光層厚度僅100奈米, 搭配15-20奈米之銀電極, 可製作透光率約兩成之太陽能板 ,陽明交通大學有機半導體實驗室之大面積模組效率可達10%,光照壽命達數千小時 此為國際領先水平,有機半導體實驗室與冉曉雯老師共同指導,太陽電池計畫與師大趙宇強老師密切合作。

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環工所與物理所合作,在環工館打造DIYGreen屋頂農園結合可透光太陽能板的綠色屋頂,可透光太陽能板可發電,下方仍可種植植物不影響生長。

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陽明交大環工所教授高正忠研究群開發DIYGreen零廢棄循環型屋頂農園,而物理所長孟心飛研究群則成功開發的可透光的太陽能板,在二個研究群合作下,成功的在陽明交大環工館屋頂平台搭建示範農場。

用獨特技術提升發電效率與使用年限

不只建置示範性應用,孟心飛及趙宇強近年來亦積極投入有機太陽光電元件、模組和製程工藝的研究,希望提高大面積有機太陽光電模組的發電效率和使用年限。「以 A4 大小的玻璃基板來看,藉由我們創新研發的刮塗工藝法和模組設計,讓發電效率由 5% 成長到 11% ,室外使用年限預估為 3-4 年,皆領先國際研究,」孟心飛說。

先就發電效率來看,有機溶液塗在玻璃基板表面時,必須要薄且均勻,發電效率才會高。然而傳統大面積基板使用的狹縫塗佈法,是利用壓力將有機溶液從狹縫中擠出去,具有不容易精準控制速率、設備複雜且管線多等缺點。相較之下,孟心飛團隊使用的刮塗工藝法則是用很細的針頭將溶液滴在圓柱體底部,利用毛細現象原理,使圓柱體下的溶液擴散到基板上,在簡單、價格便宜且不需要精密控制的狀態下,就能均勻塗佈。

再就使用年限而言,為解決太陽光中的紫外線會導致有機物結晶、造成薄膜破損的問題,孟心飛團隊透過材料的組合和設計,改善原本有機材料的結晶現象,進而大幅提升有機太陽光電模組在室外運作的穩定性,並讓其在室外使用年限提升至 3-4 年,優於目前國際發表的文獻。

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陽明交通大學材料科學與工程學系教授韋光華研究團隊,投入半透明有機太陽能電池研究,近期採用連續塗佈(SD)新穎策略所製備半透明有機太陽能電池具有p-i-n主動層結構,成果發表在國際科學期刊。

對國土面積有限的臺灣來說,土地如果只能做單一用途,免不了會引起各方產業競逐土地資源,因此讓土地複合式利用、提高土地利用效益,才是比較適合臺灣的作法。有機太陽光電不只能兼顧發電與農耕需求,貼合現今「農電共生」的發展趨勢,還能避免「假種田、真種地」的外界爭議,並改善農作物因為光照不均勻致使品質良莠不齊的問題,加速推動臺灣太陽能發電的發展。

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