【SDG 7】氧化鋅讓科技開發與永續綠電同時存在

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酷暑即將來臨,在戶外是否開始擔心烈陽帶來的肌膚問題?在室內打開冷氣又開始煩惱電費太高,使荷包大失血。其實,這兩個問題可能有一個共通的解方—— 氧化鋅。具有隔絕紫外線的功能,同時也能抗炎和殺菌。此外,氧化鋅還是太陽能科技中極具潛力的材料,因為它能將太陽能轉化為電能,為地球永續盡一份心力!

撰文|黃鼎鈞

 
圖1 :同時可以做為半導體太陽能科技材料及防曬乳的ZnO|來源:由Microsoft AI 作圖,作者提供

夏天就快到了,是否開始為如何防曬而困擾?從事喜歡戶外活動的民眾,除了要面對熾熱的陽光,更是在煩惱如何保護肌膚。同一時間,科學家也正在尋找更好的半導體材料製作太陽能電池,希望能夠找出更多友善環境的綠電。一個想要阻絕更多陽光,另一個則想吸取更多陽光,兩個看似衝突的問題,氧化鋅(Zinc Oxide)可以一起解決。它一種被廣泛應用的材料,作為防曬乳的成分,又是高效太陽能電池的元件。

 

氧化鋅乳液:殺菌、消炎又潤濕!

當紫外線穿透皮膚表層進入內部時,長時間的曝曬可能會損壞細胞和DNA,從而導致肌膚老化和增加罹患癌症的風險。氧化鋅防曬的主要功效來自於它能夠反射和散射紫外線,當其塗在皮膚表面時,能夠反射太陽光中的紫外線,使其不會穿透到皮膚內部,進而降低皮膚受到紫外線傷害的風險。此外,氧化鋅還具有良好的吸附性能,能夠在皮膚表面形成一層保護層,減少水分蒸發,同時保持皮膚的水分和柔軟度。

人的皮膚被蚊蟲叮咬時,常會引起癢、發炎反應。如果抓太大力,可能還會流血而有細菌感染的風險。傷口被感染時,細胞會分泌激素促進發炎反應,但過度的發炎常常造成傷患的不適感。氧化鋅能夠抑制細胞分泌發炎激素,進而防止發炎反應擴散,減輕傷患不適感。同時,當氧化鋅接觸到細菌或真菌時,會穿透這些微生物的細胞膜並破壞細胞內部的酶和蛋白質,導致細菌死亡,這種作用可以抑制微生物的生長和繁殖,達到抗菌效果。

為了提高氧化鋅的反應能力,許多產品使用更小顆粒的氧化鋅作為添加物,以增加其表面積和活性表面。有些產品甚至聲稱使用奈米級氧化鋅。然而,近年來的研究發現,如果氧化鋅顆粒小於100奈米,它的物化性質可能會改變,進而對人體產生潛在危害。目前仍未有確定的結論,有待科學家進一步探索此議題。

圖2:夏天時,許多人喜歡從事海邊活動,海洋友善防曬乳是熱愛戶外運動的必備品|來源:Motionelements

 

太陽能科技中的氧化鋅

氧化鋅屬於寬能隙半導體材料(能隙大小約為 3.36 電子伏特),相較於經典半導體材料矽(能隙大小約為 1.1 電子伏特),其能隙更大。能隙是指電子從價帶至傳導帶所需克服的能量差,換言之,半導體在原本不導電的狀態,當電子能從價帶移至傳導帶時便能成為導體。一般人體接受的紫外線波長介於 280 nm 至 400 nm 之間,即能量範圍為 3.1 電子伏特至 4.4 電子伏特。這個能量範圍正好對應氧化鋅的能隙大小。因此,氧化鋅容易與紫外線產生交互作用,也就是為什麼紫外線容易在碰到氧化鋅時產生散射或反射,可以做為防曬乳來隔絕紫外線對皮膚的傷害。(補充:散射是指當紫外線遇到氧化鋅時,失去了部分的能量;反射是指紫外線按照原本的能量被反彈回去)

由於氧化鋅的能隙特性,使得紫外線恰好能夠激發氧化鋅成為導體,進而將太陽能轉化為電能。此外,氧化鋅還具有良好的電子遷移率,也就是材料中電子移動的能力或速度,它反映材料中電子在電場作用下移動的困難程度。高電子遷移性的材料可以更有效地傳遞電荷,因此氧化鋅在太陽能科技中具有極大的潛力。相對於其他半導體材料,氧化鋅的製備相對容易,結構穩定,且成本較低,有助於降低太陽能綠電的成本,氧化鋅成為一種友善環境的綠色能源材料!

圖3:太陽能板示意圖|來源:Motionelements

 

以往的科技發展似乎無可避免地對地球造成破壞,現在發現氧化鋅不僅可以用於防曬產品,還可應用於半導體及太陽能電池等領域。意味著,享受科技進步的同時,也保護地球資源。隨著更多科學家投入研究,將能夠找到更多類似的材料,看似衝突的議題中找到更多解決方案,實現人與自然和諧共處的目標。

 

參考資料:

  1. Subramaniam, V., Prasad, S. V., Banerjee, A., Gopinath, M., Murugesan, R., Marotta, F., Sun, X., & Pathak, S. (2019). Health hazards of nanoparticles: understanding the toxicity mechanism of nanosized ZnO in cosmetic products. Drug and Chemical Toxicology, 42(1), 84–93. https://doi.org/10.1080/01480545.2018.1491987 
  2. Wibowo, A., Marsudi, M. A., Amal, M. I., Ananda, M. B., Stephanie, R., Ardy, H., & Diguna, L. J. (2020). ZnO nanostructured materials for emerging solar cell applications. RSC Advances, 10(70), 42838–42859. https://doi.org/10.1039/d0ra07689a
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