【发明所属 技术领域 】 本发 明是有 关于一 种光 伏装置 ， 且特别关于 一种以 可再生 长 的生物材 料制备 的光伏装 置。

【先前技术 】 传 统的光 伏装置 (或称太 阳能 电池 ( solar cell ) ) 大多采 用 半导体 材料， 其中尤以硅为 大宗 ， 其余的材料 包括 GaAs、 GaAlAs 、 InP、 CdS、 CdTe等。 随着 再生 能源的 需求日 益增加 ， 传统光伏装 置所需 要的半 导体 材料 或化合物 材料 的使用 量也随 之增加 ， 且该些材料 在生 产及 回收 的过程所 产生 的能源 消耗、 环境污染以及 高成本 等问 题 ， 也越来越受 到讨论 以及诟 病。 特别是对 于高发 电效率 的光 伏装 置来 说， 需要更高 纯度的 材料， 使得前述问题 也变得 更危 显着 。 近来 ， 生物光伏装 置被 提出， 藉此以更干净 节能的 方式来 生 产光 伏装 置， 例如 US9730433B2 、 US20120325290A 1 , US 8373064B 2等。 然而， 既有的生物光伏 装置， 存在发电效率 不佳 的问题 ， 因此， 仍有改进的必 要。

【发明内容 】 本发 明提供 一种 以可再 生长的 生物材 料制备 的光伏 装置， 包括 一载体 、 一或多个微 藻细 胞、 一阴极、 一可渗透的隔 膜以 及一 电解液 ， 该载体包括 复数个 沿一平 面方 向延伸 的导电 片， 该些 导电片 彼此 电性连接 ， 该微藻细胞 设置 于该载 体上， 该微 藻细 胞为螺 旋藻属 、 鱼腥藻属 、 颤藻属、 小球藻属 、 绿球藻属 或前 述的组 合， 该阴极包 括一导 电材料 ， 该可渗透 的隔膜设 置 于该 载体与 该阴极 之间 ， 该电解液能作 为藻类 培养介 质， 该电 解液 接触该 阴极 以及该微 藻细胞 ， 各个的该 导电片具 有一供 该 微藻 细胞设 置且接 触于该 电解液 的第 一表面积 ， 该阴极具有 一 接触 于该 电解液 的第二表 面积 ， 该些导电片 的该第 一表面 积的 一总 和与该 阴极的该 第二表 面积之 间的比值 介于 32至 64之间, 该微 藻细胞 在该 电解液 内捕捉太 阳光而 于该些 导电片 上生长 一 微藻 层而作 为一阳极 。 在一 实施例 中， 还包括 一透光 的容器 以及一 由该容 器限定 的反 应腔室 ， 该阳极、 该阴极以 及该 电解液设 置于该 反应腔 室 之 中。 在一 实施例 中， 该微藻细胞 为绿藻或 蓝藻。 在一 实施例 中， 该隔膜为 Nafion聚合物膜 、 玻璃纤维膜、 有机 多孔膜 、 无机多孔膜或 滤纸。 在一 实施例 中， 该电解液为 Zarrouk培养基 或 Bold Basal 培养 基。 在一 实施例 中， 该比值介于 44至 52之间 。 在一 实施例 中， 该光伏装置 产生一大 于 450 mV 的电压峰 值 。 在一 实施例 中， 该光伏装置 彼此串联 。 在一 实施例 中， 该光伏装置 组提供一 至少为 2 mA的电流 。 在一 实施例 中， 该光伏装置 组提供一 至少为 3 V的电压 。 【图式简单 说明】 指定代表 图为： 『图 1』

『图 1』， 为本发明一实施例的光 伏装置 的示意 图。

『图 2』， 为本发明实验例的光伏 装置的 示意图 。

『图 3』， 为本发明实验例的光伏 装置的 照片。

『图 4』， 为 『图 3』 实验例的电压及电流的数据图 。

『图 5』， 为 『图 3』 实验例在第 2周的照片。

『图 6』， 为本发明实验例的光伏 装置组 的照片 。

『图 7』， 为 『图 6』 实验例的电压及电流的数据图 。

『图 8』， 为 『图 6』 实验例点亮发光二极体灯泡的照 片。

『图 9 ] , 为本发明实验例的采用不同微 藻细胞 的电压及 电流的 数据 图。

【实施方式 】 尽管 本文和 申请专 利范 围中使用 「第一」、 「第二」 等用语 来描 述部分 元件或 特征 ， 但该些用语 并非用 于限制 该些元 件或 特征 。 该些用语仅 用于 区分一个 元件 或特征 与另一个 元件或 特 征 。 例如， 可将第一元件 或特征 解释 为第二 元件或 特征， 类似 地， 也可将第二元件 或特征 解释为第 一元件 或特征 。 当元 件被称 为 「在 …之上」、 「覆盖」 或 「在…上方」 另一 个元 件时 ， 它可以直接在 该元件 之上 、 直接覆盖该元 件或直 接 在该 元件上 方； 或中间也 可能存 在其他 元件 。 相反地， 当一个 元件 被称为 「直接在… 之上 」、 「直接覆盖」 或 「直接在…上方 」 另一 个元件上 时， 不存在中 间元件 。 在本 文和 申请专利 范围 的描述 中所使 用的用 语只是 为了描 述特 定示例 的目 的， 而并非旨在 进行 限制。 除非上下文另外 明 确地 表明， 或刻意限定元 件的数 量， 否则本文所用 的单数形 式 「一」、 「该」 也包含复数形式。 将进一步 理解， 用语 「包括」 及/或 「包含」 在本文中使 用时指 出了 所叙述 的特征 、 元件及/ 或组 件的存 在， 但不排 除再一个 或多个 其他特 征、 元件、 组件 及/或它 们的群 组的添加 或存在 。 不定冠词和 定冠词 应包括 复数 和单 数， 除非从上下 文中清 楚地看 出相反的 情况。 除非 另外指 明， 否则本文 和申请 专利 范围使 用的尺 寸、 数 量和 物理特 性的所 有数值 均应该 理解 为在所 有情况 下均是 由术 语 「约」 来修饰。 因此， 除非有相反 的说明 ， 否则本文和 申请 专利 范围 中列出 的数值参 数均是 近似 值， 本领域技 术人员 能够 利用 本文和 申请专 利范 围所公开 的内 容寻求 获得的 所需特 性， 适当 改变这 些近似 值。 用端点表 示的数 值范 围的使用 包括该 范 围 内的所有 数值以及 该范围 内的任何 范围， 例如， 1至 5包括 1、 1 .2、 1 .5、 1 .7、 2、 2.75、 3、 3.80、 4和 5等数值。 本发 明公开 一种 以可再生 长的 生物材料 制备 的光伏 装置， 参 阅 『图 1』， 在一例子中， 该光伏装置包括一载体 10、 一或多 个微 藻细胞 20、 一电解液 30、 一阴极 40以及 一可渗 透的隔 膜 50 , 该电解液 30被放置在 一容器 60的一反应 腔室之 中。 该载 体 10包括复数个 沿一平 面方向延 伸的导 电片 101 , 该 些导 电片 101 彼此电性连接 。 本实施例中， 该些导电片 101 之 间透 过一导 电的连接 件 12彼此电性连接 ， 该些导电片 101用来 供一 或多个 的该微藻 细胞 20设置， 该导电片 101分别具有 一第 一表 面 101 a以及一与该第一表面 101 a相对的第二表 面 101 b , 一或 多个的 该微藻细 胞 20设置 于该些 导电片 101的该第一 表面 101 a与该第 二表面 101 b上， 该载体 10放置 于该电解 液 30之 中， 该导电片 101 可以是例如铝 、 不锈钢或铜 的金属或 其他导 电非 金属材 料。 一或 多个的该 微藻细 胞 20浸泡于该 电解液 30之 中， 一或 多个 的该微 藻细胞 20可以是螺旋 藻属 ( Spirulma sp. )、 鱼腥藻 属 ( Anabaena sp. )、 颤藻属 ( Oscillatoria sp. )、 小球藻属 ( Chlorella sp. )、 绿球藻属 ( Chlorococcum sp. ) 或前述的组 合 。 在一例子中， 该微藻细 胞 20为单 一种类 的微藻细 胞， 而在 某些 例子中 ， 该微藻细胞 20可以是多 种类的 微藻细胞 ， 在一例 子 中， 该微藻细胞 20为绿藻或 蓝藻。 该 电解液 30是能作为 藻类培养 的介质 ， 且对光具有穿 透力, 例如 采用 Zarrouk培养基或 Bold Basal培养基。 如此， 浸泡于 该 电解液 30之中的一或 多个的 该微藻 细胞 20会在该载体 10上 进行 生长而 形成一微 藻层， 生长于该些导 电片 101 上的该微藻 层作 为一阳极 。 该阴 极 40放置于 该电解 液 30之中 ， 该阴极 40可以采 用导 电的 碳纸或其 他可用 于电化 学电池 中的阴极 材料。 该隔 膜 50放置于该 电解液 30之 中， 且设置于该 阳极与该 阴极 40之 间。 该隔膜 50可使氢 离子 (H+)、 氢氧根离子 (0H-) 等离 子移动 ， 可采用一质子 交换膜 ， 例如 Nafion聚合物膜 、 玻 璃纤 维膜、 有机多孔膜、 无机多孔膜 或滤纸 等。 该导 电片 101 为平板状 ， 即厚度相较于 长度以及 宽度可 忽 略， 各个的该导电片 101具有 一第一表 面积 (该第一表 面 101 a 的表 面积加 上该第二 表面 101 b的表面积)。 该阴极 40也可以 是 平板 状， 且具有一 第二表 面积 401 , 该第一表面积 及该第 二表 面积 401系定义 为接触 该电解液 30的部分 的面积 。 该些导电片 1 01 的该第一表 面积的一 总和 (即该些导 电片 1 01 的数量乘上 各个 该导电 片 1 01的表面积) 与该阴极 40的该第二 表面积 401 之间 的一比 值介于 32至 64之间 ， 在一例子中 ， 该比值介于 44 至 52之间。 经由适当的选择 该第一表 面积与 该第二表 面积 401 之 间的比值 ， 可以在最少 量的 阴阳极 的材料使 用下 ， 让该光伏 装置 的发电 效能达最 佳化。 该些 导电片 101 以及该阴极 40分别 透过一 阳极连接 件 1 1 以及 一阴极连 接件 41 而电性连接 至一负 载 70。 该微藻层为一 光合 生物体 ( photosynthetic organism ) , 在接收一照光 80之 下， 浸泡于该电解液 30之 中的一或 多个的 该微藻 细胞 20会在 该些 导电片 101 上生长出该微藻 层。 该微藻层将 进行光 合作用, 并 使得周 遭的 电解液 解离 出氧 、 质子跟电 子， 即水光解作 用 ( water photolysis ) , 藉此与该电解液 30与该阴极 40形成 一 电化 学电池 ， 给予该负载 70电力。 解离出的 电子从该 阳极移 动 至该 阴极 40 , 氧跟质子则是在该 阴极 40 被还原成水 。 该微藻 层可 以是丝 状的蓝 绿藻 ( filamentous cyanobacteria ) o 利用多 个的 该导电 片 101 的配置， 加上丝状结 构的该微 藻层， 可以大 幅地 增加该微 藻层的 表面积 。 以下 透过实 验例更 具体地 描述本 发明 ， 然而， 本发明的实 验例 并不局 限于以下 内容， 而是可以适当地 变化。

『图 2』 显示了实验例所采 用的 光伏装 置的配 置， 该容器 60 采用 了由压克 力制成 的一管状 容器 60a, 该管状容器 60a的 内径 约 36 mm , 高度约 100 mm , 该管状容器 60a内注入该 电 解液 30 , 该电解液 30的体积约 40 ml , 该管状容器 60a置放在 一支 撑板 90 ± o 该载 体 10 为 6 片的铝箔片 ， 该铝箔片单面 的表面 积约 8 cn? , 该微藻细胞 20 是采用 螺旋藻属 ， 该螺旋藻属放 置于该 铝 箔片 的两侧面 。 该阴极 40的该 碳纸的表 面积约 为 2 cm2 , 该碳 纸放 置于该 管状容器 60a 的底部， 且仅有该碳纸 的一顶 面暴露 于该 电解液 30 , 因此， 该载体 10的该第一表 面积约 为 96 cm ² , 该阴 极 40的该 第二表面 积 401约为 2 cirP。 在实 验例中 ， 系使用 10W 的发光二 极体产生 该照光 80 , 以 12 小时的 亮暗周期 ( light-dark cycle ) 进行照射， 该阳极连接 件 1 1 以及该阴极连接件 41 连接至一万用 电表 ( multimeter ) 71 o 在一例子 中， 该光伏装置产 生一大 于 450 mV 的电压峰值。

『图 3』 显示了实验例所采 用的 光伏装 置的照 片， 该光伏 装置 的操作 与量测 的时间约 为 2周， 该光伏装置在 这 2周的电 压及 电流显 示在 『图 4』， 线段 L 1表示电压， 线段 L2表示电流。 在第 1个星期 ， 该光伏装置的 电压介于 400 mV至 600 mV之间 的范 围， 而在第 2周， 该光伏装置 的电压 可达 600 mV 以上， 在这 2周的期 间的电压 峰值约为 972 mV , 所量测到的 电流介于 1 .0 mA至 8.0 mA之间的范 围。 藉由观察该载 体 10上的该微藻 层， 可以发现在第 2周时， 该载体 10上生长出 新的一层 该微藻 层 ， 如 『图 5』 所示， 新的该微藻层可 以帮助水 光解作 用， 因 此提 供了较 高的电压 。 为测 试该光 伏装置 能满足 商业 上的应 用， 实验例进 一步将 6 个该光伏 装置串 联而形 成一光伏 装置组 ， 如 『图 6』 所示。 该 光伏 装置组 操作与 量测的 时间持 续约 3.5 周， 如此量测到的电 压峰 值为 4.74 V , 电流介于 2.0 mA至 7.0 mA之间的 范围， 电 压介 于 3 V至 4.74 V之间的 范围， 该光伏装 置组在这 3.5周的 电压 及电流 显示在 『图 7』， 线段 L3表示电压， 线段 L4表示电 流 。 『图 8』 进一步显示了该光伏 装置组可 以分别 驱动与 点亮发 光 二极体灯 泡， 『图 8』 的 （a） 至 （d） 分别显示了点亮红、 绿、 白以及粉 红的发光 二极体灯 泡。 表 一显示 了采用 不同微 藻细胞 的光伏 装置所 量测 到的电 压 范 围， 采用如 『图 1 J 所示的配置， 其电压及 电流显示 在 『图 9 ] , 线段 L5表示采用螺旋藻 属， 线段 L6表示 采用颤 藻属， 线 段 L7表示采 用绿球 藻属， 线段 L8表示 采用鱼 腥藻属 ， 线段 L9 表 示采用 小球藻 属。 由于 『图 9』 的实验例的进行不 同于 『图 4 ] , 因此即便采用相同的配置 （即 『图 9』 线段 L5与 『图 4』 线 段 L 1）, 数据仍有所不同。 表一 为 验证本 发明的 光伏装 置能得 到更优 良的 发电效 能， 表二 比 较了根 据 『图 1 J 所示的配置的实验例 以及 依照以 下文献 所 准 备的 实验例 所量 测到 的峰值 电压 ： Ahiahonu, E. K. , Anku, W.W. , Roopnarain, A. , Green, E. , Serepa-Dlamini, M. H . , & Govender, P.P. (2022) . Exploring indigenous freshwater chiorophytes in integrated biophotovoltaic system for simultaneous wastewater treatment, heavy metal biosorption, CO2 biofixation and biodiesel generation. Bio electro chemistry, 147, 108208. 表二 根据本 发明， 利用该微藻层 的丝状 蓝绿藻 ， 配合多个 的该 导电片 101 的配置， 可以大幅地增加 该微藻 层的表 面积， 加上 控制该 第一表 面积与 该第二 表面积 之间 的比值 ， 使得该光伏装 置能够 以低成本 的材料 以及配置 ， 达到优良的发 电效能 。