电变色玻璃 (郑惟元).pdf

作者：鄭惟元 博士 1. 電致變色玻璃 (electrochromic glass, EC glass) 前期所提之低輻射玻璃、太陽能控制玻璃雖具有阻絕紫外線以及熱能之功能，然因其不具備可調變光透過性、隔熱性以及玻璃色彩性等缺點反侷限此類產品之應用近年來電致變色玻璃因具備可調控光透過性、隔熱性以及玻璃色彩故逐漸受產業界所注意目前於頂級豪華車款與特殊安全會議室中已可見此類產品之應用電致變色玻璃主要乃由透明導電膜、電致變色膜( 有WO3、 NiO、 V2O5等，其中以 WO3膜之應用較為普遍) 、離子導體層(Ta2O5)、離子儲存層(NiO) 以及透明導電膜 5 層所夾層而成( 如圖 1 所示) 圖 1.電致變色玻璃之夾層結構 1十一月號 電致變色玻璃運作之原理主要為乃導電膜經通電後使夾層內部之氧化鎢(WOx)產生氧化還原之反應，導致電致變色膜產生顏色之改變目前電致變色玻璃內之 5 層夾層結構主要為ITO-WO3-Ta2O5-NiO-ITO所構成，夾層內之ITO 導電膜經施加 1~3V左右之電壓後，離子從儲存層 (NiO)穿過導體層(Ta2O5)而進入電致變色膜(WO3)時，即產生色變作用，其中可見光的透過率可從 10%變化至 80%，此一色變行為亦同時控制了太陽光的輻射能進入量。

雖電致變色玻璃可利用電旋鈕調節玻璃之顏色與透光率， 然目前仍受限於價格成本，惟待成本價格下降後，普遍性的應用才能真正展現 圖 2.電致變色玻璃於不同電場條件下之顏色變化 2. 奈米自潔玻璃 (self-cleaning glass) 隨建築物高層化、玻璃幕牆使用率激增以及環境污染的增加，具自潔功能之可抗菌、可分解油污、有害氣體之具光催化效能的玻璃逐漸為大眾所重視 自潔玻璃之製備方法有化學氣象沈積法(chemical vapor deposition) 、溶液-凝膠法(sol-gel) 、熱噴塗法(thermal spray)等方式目前較普遍的方式為以溶液-凝膠法於玻璃表面鍍製具奈米結構之TiO2膜目前，具光催化功能之TiO2奈米顆粒尺度約在 50~100nm左右，其可見光之透光率約為普通玻璃的 70%以上，對紫外線具有遮蔽之作用，在波長 550nm範圍具有一寬帶吸收在陽光的照射下， TiO2自潔玻璃可將有機物質分解為無機物質( 如圖 3 所示) ，其光分解催化率除與TiO2顆粒粒徑有關外，亦與塗層之厚度有關 2 圖 3. TiO2之光催化自潔作用 目前市售之自潔玻璃都以鍍製單一TiO2成分為主，由於TiO2之能隙(band gap)寬度為 3.2eV，其光催化特性僅限於紫外線波段，而太陽光之波長分佈為0.25~2.5μm，於此一範圍，紫外線波段僅佔其 2%左右，故TiO2於日光下之光催化分解的效率仍屬偏低，因而無法具有廣泛之應用價值。

目前已有學者採用元素摻植之方式於TiO2材料中添加一定量之Ag ，或是使用CdS 複合TiO2材料之方式來提昇光催化之效能 結論 拜科技進步之賜，玻璃的附加應用逐漸為大眾所注意玻璃因具有高度之透光性、型態可塑造性以及顏色可變性，不論是在民生、建築、汽車亦或是光電、通訊等領域之應用已開始萌芽近年來，綠色環保主義的抬頭，亦造就許多新玻璃產品的開發，諸如自潔玻璃、超疏水玻璃、電致變色玻璃、光致變色玻璃、節能玻璃等產品，在在顯示出玻璃的多樣性，雖部分產品目前仍處於實驗室階段且尚有大幅之改善空間，但相信在不久後這類的產品在人類的生活上將會佔有越來越重之比重 3 作者：鄭惟元 博士 太陽能電池玻璃窗 -點亮大眾生活與心靈 從具高透光性之玻璃窗到可產生電力之太陽能窗- 拜太陽能電池發展之賜，玻璃現今已附有此項附屬功能 結合高效率光伏太陽能電池、高透光導電電極，藉由鍍膜技術與控制薄膜成長之厚度來達到高光穿透性，太陽能電池玻璃窗的面市已不再是夢！！！ 圖 4. 太陽能電池玻璃面板 玻璃窗賦予我們能時時刻刻接近明亮的日光並照亮我們的生活，現在，玻璃窗多了另一項功能- 產生電力！！！ 隨著石油儲存量日益減少，發掘新的取代能源已成為刻不容緩之事。

近年來太陽能電池製備技術的日益進步，以矽面板為主的太陽能電池光伏效率已從 13%上升至 17%以上，未來以太陽能電池發電之相關元件與產品必定在人類的日常生活上，佔有不小的比重藉由在玻璃基板上直接鍍製透明導電玻璃與矽薄膜，玻璃窗將兼具高透光性與具光伏效能 矽太陽能電池種類 目前太陽能電池之光電轉換膜仍是以矽薄膜為主，這類的矽薄膜可分為 3大類： 41.單晶矽太陽能電池：藉由區融法或從矽晶種直拉生成之單晶矽太陽能電池，此類生產成本為 3 種之最高 2.多晶矽太陽能電池：於晶圓上直接成長薄層多晶矽膜或由熱處理、退火非晶向矽而生成之多晶矽太陽能電池 3.非晶向矽太陽能電池：藉由摻質硼、磷等元素於非晶向矽膜內使載子濃度產生變化之太陽能電池，此類電池光伏效率最差 考量製備成本、生產方式以及量產可行性，目前矽類太陽能電池主要是以多晶矽膜為主，又因非晶向矽薄膜可於較低之溫度下鍍製( 低於 4000C以下) ，可鍍於玻璃板、塑膠基等軟性材料上，故經由雷射退火非晶向矽膜而形成之多晶向矽膜在應用上具有較大的空間( 如圖 5.所示) 圖 5. 以雷射退火方式處理非晶相矽薄膜基板 太陽能電池玻璃窗結構 如圖六所示，太陽能電池玻璃窗主要結構有：玻璃基板、透明導電電極、 PP+型多晶矽膜、n-型多晶矽膜。

藉由導電電極以及P+P 型、n-型多晶矽膜的搭配，可藉由載子濃度的梯度分佈，產生電子、電洞轉移，利用結構材料的光伏效應將部分太陽光轉換成電能，藉此提供再生能源目前此類的結構為: 玻璃- 透明導電電極- P 型多晶矽膜-n 型多晶矽膜- 透明導電電極- P 型多晶矽膜-n 型多晶矽膜- 透明導電電極 5 圖 6. 高透光性太陽能電池玻璃結構示意圖 目前此類電池窗約可生成 0.46 伏之電壓與 7mA/cm 之電流，在效能上仍屬不足雖說此類電池窗之光伏效率約 2~3%遠低於 13%，但因其具高度透光性，且電流之數值可藉由大面積化來提高，相信在環保意識的抬頭與未來生產技術提昇的時代下，具節能性並可生成能源之太陽能電池玻璃窗，將具有十足的市場潛力 6 作者：林景熙 博士 雖然在一般人的刻板印像裡, 玻璃工業屬於市場供需穩定的傳統產業, 發展潛力小, 但其實它是在成長的, 並且平 均以高於世界經濟成長率~1%的速度增長就長期趨勢而言, 全球玻璃市場平均約 以 3.5%的年成長率在成長近年來更由於一些安全、環保的法規陸續落實, 進一步地帶動節能、生態等功能玻璃的研發與需求, 替玻璃產業注入了新生命。

以玻璃窗來做一個例子, 目前的液晶顯示器(LCD)產業藉著取代傳統的陰極射線管監視器(CRT)而急速發展, 成為前景看好的新興產業, 國內更在南科成立了全世界第一個 LCD 電視專區; CRT 的電腦、電視螢幕全面被取代基本上已成了難以回頭的趨勢, 這龐大的商機也帶動了LCD 產業的全面成長同樣的, 具有節能、生態等功能之玻璃窗也將隨著節能、安全、環保等觀念的普遍化全面取代目前仍佔大多數的普通窗戶玻璃, 這背後潛藏的商機實在不容小覷, 值得國內產、官、學、研各界即早準備 玻璃產業的一項特點是產品多種多樣, 涵蓋著不同的行業與市場有傳統產品, 如玻璃瓶罐、門窗玻璃、汽車玻璃、各式明鏡等; 有較新的產品, 如各式玻璃燈管、各式功能平板玻璃、光纖玻璃、結晶化玻璃、液晶顯示器玻璃等; 也有複合產品, 如上釉陶瓷器、各式玻璃傢俱等也因為如此, 過去國內在玻璃相關產品的分類上並不明確, 這分類的不明確影響了產業的定位, 並或多或少地造成國內玻璃工業長期的受到冷落與忽視可喜的是, 這種分類不明確的現象近年來已有很大的改善目前在經濟部統計處的工業生產統計資料裡, 玻璃相關產品的分類如下所示 製造業Æ 民生工業Æ 非金屬礦業製品製造業(類別編號: 22)Æ 2221 平板玻璃及其製品製造業 2223 玻璃纖維製品製造業 由於美國是全球玻璃產業的領先者, 其玻璃產業之產值約佔世界玻璃產值的 20%, 因此以下先簡短地介紹美國玻璃產業的現狀, 供作參考。

美國玻璃產品之分類如下: 7‧平板玻璃 (Flat glass) ‧容器玻璃 (Container glass) ‧玻璃纖維 (Glass fiber) ‧特種玻璃 (Specialty glass) 這裡的特種玻璃是指光纖、液晶顯示器(LCD)玻璃等加工層次較高, 針對特殊需求的玻璃產品, 目前 Corning 公司是全世界最大的液晶顯示器(LCD)玻璃製造商, 佔全球 50%的市場(2003), 但 Corning 公司在全世界的 5 座液晶顯示器(LCD)玻璃熔爐裡只有一座是在美國本土平板加工玻璃的進一步分類如下所示: 平板加工玻璃: 平板 ‧分類 (classification) ‧種類 (Kinds) ‧Kind HS: 熱增強玻璃(Heat-Strengthened glass, 強度一般為 普通退火玻璃(anneal glass) 的 2 倍, 其破裂碎片類似普通退火玻璃, 碎片較大) ‧Kind FT: 強化玻璃(Fully-Tempered glass, 強度一般為普通退火玻璃的 4 倍, 其破裂碎片較小, 使用於安全要求較高之場合) ‧表面處理 (condition) ‧Condition A: 表面沒有鍍膜 ‧Condition B: 表面無機材料鍍膜 ‧Condition C: 其他表面鍍膜 平板加工玻璃: 彎板 ‧分類 (classification) ‧種類 (Kinds) ‧Kind BA: made from annealed flat glass ‧Kind BCS: Chemically strengthened bent glass ‧Kind BFT: Fully tempered bent glass ‧Kind BHS: Heat-strengthened bent glass ‧Kind BL: Laminated bent glass ‧Kind BX: 其他彎板玻璃 8美國的玻璃從業人員目前約有 15 萬人, 每年生產超過 2000 萬噸的玻璃產品, 市場價格超過 300 億美元。

在這些玻璃產品裡, 若按重量計算, 容器玻璃佔~50%,平板玻璃佔~25%,玻璃纖維佔~15%,特種玻璃佔~10%一般而言, 全世界的容器玻璃市場穩定而少變化, 美國也不例外目前, 美國每年約生產 410 億個各種各樣的玻璃容器, 約值 50 億美元, 其前三大的容器玻璃製造商佔了全美 95%的容器玻璃市場, 集中度非常高在平板玻璃方面, 目前美國有 6 家一次製造商, 其中以浮法製造的平板玻璃佔了 90%以上, 平板玻璃的二次製造商則約有 400 家; 在市場價格方面, 2003 年每平方英尺平板玻璃原片(退火玻璃)約 0.37 美元, 若經二次加工功能化處理後, 有很大的加值空間, 例如低輻射 low-E 玻璃在市場上的價格超過 5 美元/每平方英尺因此, 一次製造商也逐漸將重心轉往加值化的方向, 2003 年美國所生產的加工功能玻璃裡, 有超過 40%是由 6 家一次製造商所生產在所有的平板玻璃裡, 強化玻璃(tempered glass)佔 31%, 膠合玻璃(laminated glass)佔 24%, 普通浮板玻璃(basic float glass)佔 18%, 雙層玻璃(insulating glass)佔 16%。

強 化玻璃主要用作汽車玻璃, 被預估每年將以4.8%的速度成長, 至 2008 年時應有約 37 億美元的銷售額; 膠合玻璃主要用在建築物, 包括防火玻璃、防颱玻璃等, 被預估每年將以 5.9%的速度成長, 至 2008年時應有約 30 億美元的銷售額; 普通浮板玻璃。