百年設計迎來徹底革新
140多年來，太陽能看起來幾乎都一個樣。自從查爾斯・弗里茨於1883年製作出最早的太陽能板之一，採用堅硬平板設計以來，太陽光電技術一直以安裝在屋頂或大面積排列的扁平藍色矩形板為主。這種設計如此普遍，以至於多數人從未想過太陽能電池是否非得是平面的。然而在日本，Kyosemi Corporation的工程師決定挑戰這項基本假設，研發出名為Sphelar的微型球形太陽能電池系列，有望改變我們利用太陽能的方式。
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傳統平板設計在理想條件下運作良好，也就是陽光以完美的90度角直射表面時。但在現實世界中，理想條件並不常見。太陽整天在天空中移動，日照角度也隨季節變化。雲層會散射光線，建築物、樹木和其他障礙物則會形成陰影。光線以斜角照射時，平板的效率會大幅降低；一旦受到遮蔽，幾乎就無法運作。這些限制使太陽能的有效部署地點與方式受到約束。
Sphelar背後的日本團隊認為，自然界中的光線並非均勻直射。一天之中、不同季節裡，光線會從各種角度而來；除了直射光，也包括水面、玻璃和其他表面反射的光，以及雲層和大氣粒子散射的漫射光。他們推想，球形太陽能電池更能捕捉這種多維光場，因此或許能在一天當中更穩定地發電，即使天候不理想也能如此。
這項構想催生了Sphelar。這個註冊商標代表全球首款商業化開發的球形太陽能電池。這些微小的矽珠直徑僅1至2毫米，代表光電技術的一項根本性重新構想。Sphelar電池不再設法讓光線以適當角度照射平面，而是能從任意方向接收光線，形成三維集光系統，運作方式更像自然生物從周遭環境中吸收能量。
靈光一閃：太陽能為何非得是平面的？
Sphelar的故事始於Kyosemi Corporation創辦人兼首席工程師中田修司提出的一個簡單卻深刻的問題。創立Kyosemi多年後，中田開始思考如何提升光電池的效率。他曾以三菱電機專案成員的身分參與太陽能板開發，於是問自己：太陽一直在移動，太陽能板為什麼非得是平面的？
在實驗室環境中，光源通常固定且容易預測；但在現實生活裡，陽光會以不斷變化的角度照射。他觀察到，除了直射光，還有反射光和漫射環境光，而傳統平板大多無法有效捕捉。這項發現引出他的核心問題：如果把光電池表面做成球形，是否能以最有效率的方式捕捉陽光？這成為Kyosemi球形微型太陽能電池的創始靈感。
Sphelar Power Corporation創辦人暨董事長中田丈介先生在公司聲明中談到公司的使命：
Sphelar球形太陽能電池，正是因應這類簡單問題而誕生。自然界中的光線並非均勻照射。太陽的位置不斷移動。有些陽光會被雲層散射，另一些則會被玻璃和水面反射。
這項靈感出現的時機恰到好處。1980年代末期，Kyosemi計畫在北海道興建新廠並擴大產能。上砂川町成為廠址的最後候選地。這座昔日的煤礦城鎮因進口煤增加而面臨礦場關閉，社區正積極尋找新產業以填補流失的工作機會。這段經濟轉型催生了日本微重力中心（JAMIC），該中心將一座廢棄礦坑整修為科學研究場址。1988年，也就是Kyosemi在北海道新廠開始營運的同一年，中田先生受到啟發，想到如何運用JAMIC的獨特設備，實現球形太陽能電池的構想。
在微重力環境中製造
要製作完美球形的矽晶體，面臨重大的工程挑戰。在地球上，表面張力和重力會使熔融矽在冷卻、凝固時形成不規則形狀。為了製造高效率太陽能電池所需的近乎完美球體，Kyosemi轉而利用JAMIC及其特殊的落下塔設施。這座垂直隧道深入地下710公尺，其中490公尺的落下塔可供研究人員進行微重力實驗。
製程是將矽放入真空艙，再使其沿塔落下。自由落體期間，艙內進入微重力狀態，熔融矽便能單靠表面張力形成完美球體，不受重力扭曲。Kyosemi專案團隊進行了多次實驗，將矽塊放入艙內，嘗試在短暫的自由落體期間將其熔化並結晶。經過反覆試驗，他們終於成功製成所需的球狀晶粒。
根據Phys.org的報導，這項創新的製造方式除了能製出理想形狀，還帶來顯著優勢。Sphelar電池的製程幾乎不會浪費矽，而矽是半導體製造中珍貴且相對稀有的材料。傳統平板太陽能電池通常會從矽錠切出矽晶圓，將圓柱形矽錠切成平面晶圓時會產生大量廢料。球形結晶製程則能直接以熔融材料製成最終形狀，省去切割程序並減少矽的消耗。
Phys.org也報導，Kyosemi Corp.估計，Sphelar電池的生產成本可降至傳統平板太陽能板的一半。這項成本優勢來自材料浪費減少，以及製程可能較為簡化。除了材料利用效率提升，該生產流程本身也被形容為比傳統光電製造更環保，進一步帶來環境效益。
球形電池如何捕捉光線
Sphelar電池的根本優勢在於其幾何形狀。球體從任何方向接收光線時，呈現的表面積都相同。平板必須調整角度朝向太陽，光線若以斜角照射，效率便會下降；Sphelar電池則不受入射角影響，能維持集光效果。這表示太陽在天空中移動時，它們整天都能捕捉直射陽光，不必使用機械追蹤系統。
更重要的是，球形設計能有效捕捉間接光源。來自建築物、水面或其他表面的反射光，會以各種角度照射Sphelar電池，但仍能找到適合吸收的表面。陰天的漫射光通常會使平板效率大幅下滑，球形設計則能從四面八方接收光線，因此也能有效捕捉漫射光。這項特性讓Sphelar電池在天候多變的環境，以及經常多雲的地區，都可能有更可靠的表現。
這項技術的原理是在每顆矽球內形成P-N接面，與傳統太陽能電池的運作方式相似，只是將接面製作在曲面上。Kyosemi團隊運用生產光電半導體晶片累積的製程技術，在球面上形成接面；這項技術挑戰起初需要大量創新。將這些微型球體連接起來後，便能產生電流，供裝置使用或輸入電力系統。
對使用者來說，採用Sphelar電池的裝置或建築結構不必仔細調整方向對準太陽。Sphelar供電裝置可放在水平或傾斜表面，甚至可以移動，仍能有效捕捉可用光線。這不僅省去讓面板朝向太陽的安裝系統，也消除了太陽能裝置部署與使用地點的限制。
從構想到商業產品
從構想到商業產品，歷經數年的研發。研究團隊成功製成首批四顆串聯、受光後能發電的電池後，便加緊研發腳步。1998年，Kyosemi成立自有微重力實驗室，持續推進研發。到了2004年，公司已發展到足以申請「Sphelar」商標，這個名稱是「Spherical Solar」（球形太陽能）的簡稱，並開始向潛在合作夥伴提供樣品。
在早期階段，就連開發人員也難以想像這項新技術的所有潛在用途。然而，這項創新構想進入市場後，激發合作夥伴和客戶提出更多創意。這種協作開發方式有助於找出能充分運用球形太陽能電池獨特特性的實際用途。
2012年，Sphelar Power Corporation從Kyosemi Corporation分拆成立，專注於球形太陽能電池業務的開發與商業化。Sphelar Power Corporation代表董事暨總裁稻川郁夫談到公司的願景：
Sphelar Power Corporation已將全球首款小直徑球形太陽能電池Sphelar商品化，並提供其應用產品。我們持續推廣Sphelar，讓它成為貼近生活的太陽能電池，協助減緩全球環境的重大變化並為永續發展目標（SDGs）作出貢獻；我們也以『Sphelar，時刻伴你左右！』為口號，努力推廣各種應用產品。
如今，公司推出多條產品線，展現球形太陽能技術的多樣用途。這些應用說明，突破平板設計後，太陽能便能以全新的方式融入建成環境與日常生活。
建築整合與透明表面
Sphelar技術最具發展潛力的應用領域之一，是建築整合型太陽光電（BIPV）。傳統太陽能板通常作為獨立系統安裝在屋頂上方，外觀顯眼，有時也被認為不夠美觀。Sphelar電池則可直接嵌入建材，形成兼具發電能力與透明度或建築設計等功能的表面。
Sphelar BIPV產品系列包括內嵌Sphelar模組的玻璃磚。這些透明建材可用於牆面、窗戶及其他建築構件，讓光線穿透的同時發電。依電池排列密度與具體應用需求而定，Sphelar裝置的透明度可介於50%至80%。
這項能力可解決傳統太陽能板在都市環境中的一大限制。在人口密集的城市，屋頂空間往往有限，或受到周圍建築物遮蔽。傳統面板可能擋住視線，也可能與古蹟保存要求相衝突。Sphelar電池則可整合至外牆、窗戶及其他垂直表面，整天接收間接光線；也能嵌入曲面和複雜的建築造型，這些設計若採用堅硬平板，不是難以實現，就是不切實際。
公司也開發了Sphelar玻璃磚，這種小巧的太陽能模組封裝在透明玻璃中，既可作為建材，也能發電，有望將一般窗戶、天窗或裝飾構件轉變為發電表面。這項技術能在發電的同時維持透明度，為能源正效益建築開啟可能：建築可生產與消耗量相當的電力，且不犧牲建築美感。
為物聯網裝置採集能量
隨著物聯網（IoT）帶動全球連結程度不斷提高，如何為大規模感測器網路和小型裝置供電，成為一項重大挑戰。分散式感測器網路若要更換電池並不實際，布線成本也可能過高。Sphelar電池可透過能量採集（也稱環境能量擷取）提供解決方案，讓裝置收集周遭環境中少量可用能量。
Sphelar EIPV系列提供專為低功耗應用設計的小型太陽能模組。這些模組可利用環境光採集能量，為感測器、智慧無線應用和其他小型電子產品供電。Sphelar電池能從各個方向捕捉光線，也能有效利用漫射光，因此特別適合室內或都市環境；傳統太陽能電池在這些地方可能難以發揮效能。
這些能量採集模組可用於環境感測器、智慧建築系統、農業監測，以及任何需要在不更換電池或不接線的情況下，為小型分散式裝置供電的應用。由於無須精準對準太陽，這些電池特別適合可能被放置在不同位置，或在使用期間移動的裝置。
Sphelar電池直徑僅1至2毫米，體積小巧，能整合至傳統太陽能電池無法裝入的微型裝置。這種微型化能力有望催生全新的自供電智慧裝置類別，從穿戴式科技到嵌入基礎設施的環境監測器皆有可能。
穿戴式科技與太陽能布料
Sphelar技術最具未來感的應用，或許是穿戴式電子產品與智慧紡織品。公司已開發出絲狀太陽能發電紗線，能以陽光發電，同時保有良好的柔韌性。這種光電紗線可用來製作能發電的紡織品，讓衣物、包包或其他布製品都能成為太陽能發電裝置。
太陽能發電紗線由經產省、Sphelar Power Co., Ltd.和福井縣工業技術中心共同參與的產官學研究計畫開發。由此製成的Sphelar TEXTILE產品輕薄、柔軟且具伸縮性，適用於穿戴式電子紡織品的電力供應。
這項技術解決了穿戴式電子產品的一項根本難題：電力。電池會增加穿戴式裝置的重量與體積，頻繁充電也降低使用便利性。整合太陽能的布料可在一天中利用環境光採集能量，持續為內嵌感測器、通訊裝置或健康監測器供電，不必使用者介入，也不會明顯增加重量。
這項技術的用途不只限於衣物，也包括帳篷、遮陽篷、帆布、車罩及其他能接觸光線的布面。軍事用途可包括為通訊設備或導航裝置供電的軍服；民用方面，戶外裝備則可為GPS裝置、緊急信標或手機發電。材料的柔韌性讓它能整合至服裝中，不影響穿著舒適度或活動；相較之下，堅硬的太陽能板並不適合穿戴式應用。
消費產品與照明
除了專業工業用途，Sphelar Power Corporation也開發面向消費者的產品，展現球形太陽能技術在日常生活中的實際優勢。這些產品說明，Sphelar電池的獨特特性如何實現傳統平板太陽能板難以做到的設計。
Sphelar庭園燈採用時尚設計，頂部裝有球形Sphelar太陽能電池，並配備LED燈。白天儲存陽光轉換的電力，夜間則以儲存的能量點亮LED，照亮庭園、公園和步道。設計著重美觀，力求在提供照明的同時不破壞景觀。安裝簡便，無須支付電費或進行布線，因此適合偏遠地區，或缺乏電力基礎設施的地方。
同樣地，Sphelar照明產品配有可掛在樹上的Sphelar模組。模組白天收集電力，夜間點亮LED，Sphelar模組本身也會柔和發光。產品設計旨在提供安全又美觀的照明，同時避免安裝時傷害樹木或破壞其自然外觀。和庭園燈一樣，這些照明產品不需接電，也沒有持續的能源費用。
這些消費產品展現了Sphelar技術全向集光所帶來的實際優勢。庭園裝飾燈和樹燈可採不同方向擺放，不必考慮最佳日照角度；也能設置在部分遮蔭處，而平板面板在這些地方可能無法接收到足夠直射光。球形電池小巧而不突兀，能融入裝飾元素，不像額外加裝的技術設備，也讓產品更具美感。
效率與效能考量
評估任何太陽能技術時，效率都是一項關鍵指標。《未來事物》（TheFutureOfThings）的報導指出，Kyosemi已開發出效率比目前多數商用光電電池高近20%的柔性太陽能板。這項顯著提升源於其能從各個角度捕捉光線，並利用直射光與間接光源。
不過，若要直接比較Sphelar電池與傳統平板，必須仔細考量兩者不同的效能指標。平板通常是在理想實驗室環境下，以直射垂直光線測得的峰值效率作為評級依據；相較之下，Sphelar電池在不同光照條件與角度下，能維持較穩定的效能。在完美條件下進行的峰值效率測試中，它們或許不會超越平板，但在現實環境下累計一整天的發電量可能更高。
不需追蹤系統則是另一項效率優勢。大型太陽能設施常使用馬達和追蹤系統，讓平板整天朝向太陽。這些系統會消耗電力、需要維護，也增加設置的複雜度。Sphelar電池憑藉本身的幾何形狀，無需機械輔助便能從日出到日落有效捕捉光線，達到類似效果。這種被動運作方式提高系統可靠度，並降低維護需求。
在低光照環境下的效能也是一項差異。陰天，或清晨和傍晚光線較弱時，平板的輸出會大幅下降。Sphelar電池專為捕捉漫射光與散射光而設計，在這些不利條件下仍能維持相對較佳的效能。這項特性讓它特別適合經常多雲的地區，或需要在不同天候下穩定運作的應用。
環境影響與永續發展
環境考量在能源技術的選擇中日益重要，而Sphelar電池從永續發展角度來看，具有多項潛在優勢。製程中減少矽材浪費，是一項重要的環境效益。矽的生產耗能密集，也涉及會造成環境影響的化學製程。更有效地利用這種珍貴材料，有助於降低太陽能電池生產的整體環境足跡。
根據Phys.org的估計，Sphelar的生產成本可能只有傳統面板的一半，這或許能讓更多人以可負擔的價格使用太陽能。成本降低會加快採用速度，進而取代更多化石燃料發電，減少溫室氣體排放。若能將太陽能電池整合至現有建築和產品，無須額外材料或改造，也能進一步降低部署對環境的影響。
Sphelar技術的耐用性與使用壽命也有助於改善其環境效益。與大型、易碎的平板相比，球形電池或許較不易受風、冰雹或碎屑等環境因素損壞。小巧的尺寸加上可嵌入防護材料的特性，或許能延長使用年限，減少更換需求，以及製造和處置所造成的環境成本。
Sphelar Power Corporation明確將其技術與更廣泛的環境目標連結，包括為永續發展目標（SDGs）作出貢獻。公司的使命包括透過擴大太陽能使用，協助避免化石燃料資源枯竭並對抗全球暖化。Sphelar技術能讓太陽能應用於過去不切實際的場域和用途，進而大幅提高太陽能在全球能源結構中的占比。
太陽能的未來
短期內，平板太陽能板可能仍是大型公用事業設施的主流技術，但Sphelar電池代表太陽能技術的重要多元發展。球形電池並非直接與傳統面板競爭，而是開拓平板無法涵蓋的全新應用領域。擴大太陽能的採集地點與方式，或許能加快整體採用速度，讓太陽能更普遍地融入日常環境。
Sphelar等技術讓「能源無所不在」更有可能實現。我們不必再把太陽能想成只在偏遠電廠生產、再經長距離輸送的能源，而可以想像光線照射到的每個表面都成為潛在電源。窗戶能在引入光線的同時發電，衣物可為穿戴裝置供電，建築物也能從牆面和屋頂產生能源。這種分散式發電模式能減少輸電損耗，並提升能源系統韌性。
隨著物聯網擴大、智慧城市逐漸成真，分散式電源的需求也會增加。Sphelar電池適合能量採集，也能整合至各種材料和外形，或許會成為推動這個連結未來的關鍵技術。利用環境光為感測器和裝置供電，可免去智慧城市應用的基礎設施成本與部署障礙。
Sphelar技術的發展也說明，挑戰根深蒂固的假設，能帶來突破性創新。一個多世紀以來，平板太陽能板的設計幾乎從未受到質疑。日本工程師提出太陽能電池為何非得是平面的疑問，為集光與發電開闢全新的途徑。質疑傳統觀念的精神，很可能會持續推動太陽能技術及更廣泛的再生能源創新。
Sphelar Power Corporation持續與全球合作夥伴開發原創產品與應用，球形太陽能電池的影響力也不斷擴大。從專業工業應用到消費產品，從建材到穿戴式科技，這些微小球體正在證明，有時向前邁進的最佳方式，是跳脫矩形思維，改以圓形思考。
重點整理
- 由日本Kyosemi Corporation開發的Sphelar球形太陽能電池直徑僅1至2毫米，能從各個方向捕捉光線。
- 這項技術源自創辦人中田修司的疑問：太陽一直在移動，太陽能板為什麼非得是平面的？
- 製程利用日本微重力中心710公尺的落下塔，在微重力環境中製造完美的矽球。
- 生產過程幾乎不會浪費矽，成本約為傳統平板太陽能板製造的一半。
- 球形電池能在不同光照角度下維持效率，同時捕捉直射光與間接光，在多雲環境下表現更佳。
- 應用包括透明建材、物聯網裝置能量採集、太陽能紡織品和消費型照明產品。
- Sphelar Power Corporation於2012年從Kyosemi分拆成立，專注開發球形太陽能電池應用。
- 這項技術能將太陽能整合至曲面、穿戴物品和建築構件，拓展傳統平板無法應用的場域。
