應用半透明有機或鈣鈦礦太陽能板在農業溫室

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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-OPVsST-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-OPVsST-PPVs在農電共生系統中的未來發展前景。


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

(c) 在美國俄勒岡州立大學種植於太陽能板下的農作物。經授權重製。版權屬於美國農業部(USDA)。

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


    1比較不透明與半透明光電板的特色。

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

Ÿ  ST-PVs穩定性較低,容易受氧化、高溫、濕氣等影響

Ÿ  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 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 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% 50%,效率可達到 5% 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 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.