如何把太陽能存起來

撰文|蘇建翰

一提到太陽能電池,首先浮在腦海中的是什麼樣子的畫面?黑色的、方形的、在建築物的屋頂可以看到的,這應該是普遍太陽能電池的印象。事實上這類太陽能電池運作的原理和傳統上的電池並不相同,另有一種捕捉太陽能的系統更像是名符其實的太陽能電池。

●太陽能電池的原理

圖一 太陽能電池的結構圖(來源: 太陽能電池@wiki)

太陽能電池[1]主要由P型和N型半導體組合而成,由於特性的不同,在平衡狀態下接面處會產生內建的、由N端指向P端的電場,吸收太陽光所產生的電子和電洞受到內建電場的影響會走上分手一途,分別朝向N端和P端前進。重回單身的生活雖然輕鬆愉快,但宿命終究會讓電子和電洞們重新踏上尋找伴侶的一途,而工程師們要做的就是讓他們先緩緩,搶在他們找到新歸宿前先將他們收集起來,為我們的電器供電。

自義大利科學家伏打在兩個世紀前發明電池以來,一般對於「電池」這個玩意指的是能將預先儲存的能量轉換成電能輸出的裝置,因此就太陽能電池的運作原理來看,涉及到的是光能和電能之間的轉換,並沒有儲存的過程,因此稱這類裝置為電池,大概是翻譯上美妙的誤會。不過先不管名稱如何,作為潔淨能源的代表之一,這類太陽能電池為我們提供了不少的電力來源,為人類降低溫室氣體排放的目標貢獻心力。

眾所周知,太陽能產出不穩定的特性一直為人所詬病。不像白天不懂夜的黑,太陽能電池簡直超懂,天黑就打卡下班;即使在白天,也容易受天氣變化,使得天生就受限的效率再度下降。多的時候花不完,少的時候又需求若渴。如果能把太陽能存起來,需要用到再拿出來的話就好了。

●用化學能的形式把太陽能留下來

要想把太陽能留下來,有個直覺的想法是搭配電池的使用,較大型的例子是特斯拉在夏威夷考艾島(Kauai Island)上建置的系統[2]等,期待能將白天多發的電力儲存起來,以應對傍晚五點到晚間十點這一波用電高峰。

圖二 (a)丙醇的同分異構物: (I)1-丙醇和(II)2-丙醇(II) (b) NBD1與QC1 (來源: (a) [3], (b) [4])

另一群科學家蒐集太陽能的方法是,將太陽能以化學能的形式儲存在材料之中。之所以能達到這個目標,首先我們要了解一下同分異構物(Isomer)和異構化反應(Isomerization)[3]。同分異構物指的是擁有相同種類、數目的原子,結構卻不相同的化合物們,比如圖二(a)裡的1-丙醇(I)和2-丙醇(II)就是一個例子,而異構化反應則是某個化學物質變成其異構物的過程。因為同分異構物彼此之間的結構不同,所以鍵能加總也會有所差異,也使得異構化反應會涉及能量的需求或釋放。

為了要達成我們把太陽能儲存下來的目標,科學家們所想要尋找的異構物組合要儘可能滿足許多條件,比如說這個組合能夠吸收而產生某一方向異構化反應的頻率範圍要盡可能和太陽光的頻譜重疊程度越高越好,以利於太陽光的吸收,同時兩個方向異構化反應的頻率範圍的重疊程度越低越好,降低做白工的情形發生;兩個異構物之間單位質量相差的能量越高越好,代表我們可以在同樣的裝置重量之下,儲存更多的能量,也就是擁有越高的能量密度;另外,我們也希望高能量的那個異構物越穩定、越容易保存越好。

研究團隊目前找到的解方是降冰片二烯(norbornadiene, NBD)和四環庚皖(quadricyclane, QC)這組異構物的衍生物NBD1以及QC1,吸收太陽光的NBD1後會異構化為比較高能的QC1,當需要能量的時候再把QC1異構化回NBD1同時以熱能的形式釋放出儲存的能量,如圖二(b)。這個組合不僅擁有不錯的能量密度,也有高溶解度可以液體的形態出現使得在系統的設計上有較多的彈性,另外QC1在攝氏25度的儲存環境下半衰期長達30天,除非你在可能幾個月都不見日光的高緯度地區,否則這個半衰期應該足以應付日常生活的需求。

●系統的運作與後續最佳化的方向

圖三 MOST示意圖(來源:[4])

整合前述概念的這整個系統被稱作太陽能分子蓄熱系統(molecular solar thermal energy storage, MOST),系統運作如圖三所示,當太陽光照射到液態的NBD1溶液時,會產生QC1的溶液,就可以加以儲存,等到需要時再讓QC1流經特定的催化劑加速轉變回NBD1,釋放的能量能夠用來加熱水(目前的成果可以讓攝氏20度的水溫度升高至83度)。

相比於一般太陽能電池是直接由光能轉換為電能,MOST的運作則須經由光能、化學能、熱能、電能的依序轉換,更多道的轉換程序,代表在過程中可能會損失更多的能量,不過好處如同前述,可以將不穩定的太陽能儲存下來。雖然就目前的結果顯示,使水提升的溫度能不能產生足夠的蒸氣推動發電機還是個值得觀察的議題,但是在以暖氣為大宗用電需求的歐陸地區,這種方式或許能為家戶用電來源提供另一種想像,而後續研究團隊也將繼續研究最佳化的方式,比如提升材料能夠吸收的頻率範圍等,期待能提升這類系統的效率。

 

參考資料:
[1] 淺談太陽能電池的原理與應用, https://ee.ntu.edu.tw/upload/hischool/doc/2014.04.pdf
[2] Hawaiian Island Powered by Solar Energy after Dark, https://www.tesla.com/sites/default/files/pdfs/en_US/Tesla_KIUC-Case%20Study-2017.pdf[3] Isomer, https://en.wikipedia.org/wiki/Isomer
[4] Kasper Moth-Poulsen et al.,“Macroscopic Heat Release in a Molecular Solar Thermal Energy Storage System,”Energy Environ. Sci., vol. 12, no. 1, pp. 187–193, 2019.

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作者:蘇建翰,目前就讀於台灣大學電信所碩士班,期待能透過自己的一點心力, 將各領域的有趣發現分享給大家。

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