應用半透明有機或鈣鈦礦太陽能板在農業溫室

台灣水資源與農業研究院研究二所研究專員游慧娟／2025-05-09 13:22

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隨著氣候變遷日益嚴峻，以及全球人口不斷增長，如何永續地生產糧食和能源成為當前迫切的挑戰。傳統的農業和能源生產方式對環境造成了相當大的壓力，包括土地利用、水資源消耗和溫室氣體排放。農業用水占全球淡水取用量的72%，且自2021年以來，農業占美國總排放量的10.6%。為了應對這些挑戰，將農業與太陽能發電系統整合的「農電共生 (agrivoltaics)」概念應運而生。

傳統的農電共生系統多使用不透明的矽晶太陽能板，這會導致農作物產量因遮陰而下降。為了解決這個問題，半透明太陽能光電（ST-PVs）技術，如有機光電（OPVs）和鈣鈦礦光電（PPVs），提供了新的可能性。這些技術能讓部分陽光穿透，提供植物生長所需的光線，同時將多餘的光能轉換為電力。溫室結構能控制微氣候，實現全年作物種植和精準農業技術，但需要大量能源來加熱、照明、灌溉和通風。透過將半透明光電系統整合到溫室屋頂，可以部分利用太陽能發電，同時利用剩餘的屋頂透光來培育溫室內的植物。

透過探討ST-OPVs和ST-PPVs的技術原理和特性，以及它們在溫室應用中的潛在優勢與關鍵的效能指標，例如平均可見光穿透率（AVT）、平均光合作用穿透率（APT）、光利用效率（LUE）和功率轉換效率（PCE），並分析它們對溫室能源生產的影響，同時檢視實際案例，來了解ST-PVs在農電共生系統中的整合和效能，並進一步分析目前ST-PVs技術的挑戰，包括穩定性和毒性問題，以及在溫室農電共生應用中的實驗數據限制，來評估評估ST-OPVs和ST-PPVs在農電共生系統中的未來發展前景。

圖1. (a) 農業光電（Agrivoltaic）雙重土地利用效率的視覺概念。

(b) 半透明有機光電（ST-OPVs）在溫室應用中的潛在視覺概念。經授權重製，版權屬於NREL。

(d) Brite Solar Nanomaterials 溫室安裝的 OPV 面板。經授權重製。版權屬於 Brite Solar。

表1比較不透明與半透明光電板的特色。

表1.太陽光電板的特性比較

特性	矽晶不透明太陽能板	半透明太陽能板ST-PVs (ST-OPVs/ST-PPVs)
主要功能	主要用於發電，遮擋大部分陽光	同時發電和讓部分陽光穿透，供植物生長
透光性	不透明，幾乎不允許光線穿透	半透明，允許部分可見光和特定波長的光線穿透
對植物的影響	遮擋過多陽光，可能導致作物產量下降	允許特定波長的光線穿透，可優化植物生長
材料	矽晶體	有機材料 (OPVs) 或鈣鈦礦材料 (PPVs)
重量與柔韌性	通常較重，不具柔韌性	較輕，可製成柔性面板，易於整合到不同結構
製造成本	製造成本相對較高	潛在製造成本較低，可使用卷對卷等生產方式
效率	效率較高，目前可達 26.6%	效率較低但近年來快速提升，OPVs 超過 20%，PPVs 超過 26%
光譜選擇性	不具選擇性，吸收所有波長的光	可調整能隙，選擇性吸收特定波長，傳輸植物所需光線
應用	傳統太陽能發電，農電共生系統中作為遮陽設施	溫室屋頂、建築整合、農電共生，兼顧發電和植物生長
穩定性	穩定性較高，但仍受環境影響	ST-PVs穩定性較低，容易受氧化、高溫、濕氣等影響 OPVs中的有機材料容易因暴露在氧氣和陽光下而發生光氧化；PPVs對濕氣、熱和紫外線敏感，容易分解為其組成分
毒性	一般無毒	在製備過程中使用的有毒溶劑以及鈣鈦礦中的鉛洩漏，是潛在的環境和健康問題
其他	-	OPVs 可以使用環保溶液製程

根據研究結果，研究團隊有以下建議：

►選擇合適的材料：針對特定植物選擇合適的 ST-PV 材料，以確保能選擇性地吸收太陽光譜中的特定區域，同時提供植物生長所需的光波長。

►最佳化裝置設計：調整活性層的厚度和組成、電極材料，以及其他元件以提高透光率和效率，並且盡可能使用多層電極來提升效能。

►開發穩定的材料和封裝技術：研發更穩定的有機和鈣鈦礦化合物，並增強封裝技術，以提高 ST-PVs 的長期穩定性和耐用性。

►尋找環保的製備方法：積極尋找環境友善的溶劑來製備 ST-PVs，並開發無鉛或低鉛的鈣鈦礦材料，以減少對環境和健康的潛在危害

►進行更多實際應用研究：鼓勵更多針對 ST-OPVs 和 ST-PPVs 在農電共生系統中應用的研究，並收集更多的實驗數據，以評估其長期效能和可行性。

►跨領域合作與政策支持：促進決策者、空間規劃師、景觀建築師和工程師之間的跨領域對話，並建立支持農電共生技術發展的相關政策。

結論

ST-OPVs 和 ST-PPVs 在農電共生系統中的巨大潛力，這些技術不僅能將太陽能轉換為電力，還能讓植物獲得所需的光照，從而實現能源生產和農業的雙重目標。研究結果顯示，ST-PVs 的平均可見光穿透率( AVT)值可達到 10% 至 50%，效率可達到 5% 至 17%，且光利用效率(LUE)值可達 5% 以上。

儘管如此，目前 ST-PVs 技術仍存在一些挑戰，如穩定性、毒性和成本等。需要更多的研究來開發更穩定、更環保且成本更低的 ST-PVs 材料和製造技術。未來，通過跨領域合作和政策支持，ST-OPVs 和 ST-PPVs 有望在農電共生領域發揮關鍵作用，為實現永續的農業和能源生產做出貢獻。

研究強調，在農電共生系統中，光利用效率和光譜工程的重要性。透過結合這些研究發現，可以開發更有效率、更永續的農電共生系統，以應對全球糧食和能源安全挑戰。

參考資料

Kim, S. Y., Rayes, N., Kemanian, A. R., Gomez, E. D., & Doumon, N. Y. (2025). Semitransparent organic and perovskite photovoltaics for agrivoltaic applications. Energy Advances.