【探索31-3】由太陽能轉換的綠色電能與燃料

2024 年 08 月 05 日2024 年 08 月 12 日 CASE PRESS

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太陽能可以說是近代相當新興的一項綠能了，畢竟相較於其他綠能，需要考慮當地是否有條件，而太陽光是普照在各地，且穩定又源源不絕，因此世界各國皆積極投入該領域的技術開發，如今也在多國有了不錯的運用。事實上，臺灣的太陽能技術也是相當厲害的！與其他國家大廠相比，能量的轉換率也是絲毫不遜色，甚至近期也在開發更多能夠降低成本、應用在更多場域的太陽能板。本期探索基礎科學講座邀請到臺灣大學材料科學與工程學系林唯芳教授，來與我們分享太陽能發電的原理與目前的技術開發進展，還有討論衍生而出的新興綠能氫能發電。

講者、審訂｜臺灣大學材料科學與工程學系林唯芳名譽教授

彙整、撰稿｜周書瑋

前一講探索科學講座探討了儲能電池的奧祕，接下來就要思考永續的電能從何而來？太陽能轉換成的電能就成為值得探討的議題，也是本次講座林唯芳名譽教授帶領我們探討的主題——將太陽光能轉換為電能和氫能的技術。

太陽能電池的潛力和工作原理

眾多綠能中，太陽能潛力最高，能供給人類所需能量的一千或一萬倍以上，歐洲的太陽能電池產業聯盟甚至估計，太陽能電池可在2050年時滿足世界所需80%的電能。由於太陽能屬於擴散式能源，倘若缺乏有效方法捕捉、轉換和運用太陽能，其能源效率不高，因此要達到歐盟的估計值，仍需要產學界的研發。將太陽光轉變為電能有數種途徑，最常見是透過矽晶太陽能電池，能量轉換效率大約是25%，但目前臺灣中南部太陽能光電板的轉換效率大約僅20%。第二種是利用太陽光催化水產生氫能，再透過氫燃料電池發電，雖然兩步驟各自的能量轉換效率高於矽晶電池，綜合起來卻會損失較多能量，因此效率仍比不上能直接和電網連接的矽晶圓電池。方法三則是利用太陽能電池產生的電來電解水產生氫，轉換效率高達80%，但此過程仍須透過氫燃料電池發電，步驟較為繁雜。三種方法綜合比較之下，直接利用太陽光能的矽晶圓電池，其產電效率最高。

太陽能電池的運作和半導體材料脫不了關係。P型半導體材料含較多的電洞（正電荷多），而N型半導體材料含較多的電子（負電荷較多），將多電洞和多電子材料結合在一起形成為二極體，多電洞材料和多電子材料的接面會形成正負電荷中和的接面稱為空乏區。太陽能電池是在P層和N層之間加上一層吸收光絕緣材料I，其吸收光產生激子(電子電洞對)，在絕緣層分解成電子和電洞，分別擴散至N層和P層，它們再將電洞和電子傳輸至外部線路並產生電流，因此太陽能電池是為P-I-N結構或N-I-P結構的二極體。

太陽能電池的種類和新興材料

太陽能電池分為四種，分別是矽晶、多接面、薄膜和新興太陽能電池。矽晶太陽能電池由單晶矽或多晶矽組成，由於矽晶圓是高溫製程造價昂貴，還無法在地面普及推廣。多接面晶圓太陽能電池主要成份為元素週期表上第三及第五族元素結合成的化合物，像是砷化鎵或磷化銦，這些材料製作而成，造價比矽更加昂貴，很少在地面上被使用，但應用於太空科技所需的能源。最普遍的矽晶圓太陽能電池板(6米x10米)是由六吋晶圓製作成的太陽能電池模組串並連而成的。太陽能電池板的面積越大，就能吸收越多的太陽光，產生越多的電能。80年代左右，科學家開始研發非矽晶的薄膜太陽能電池，主成分有鍗化鎘、銅銦鎵硒和銅鋅錫硫等，其優點是可以直接製作成大面積太陽能電池板，減少製作工序且薄膜電池所需材料也比晶圓電池少，成品也更為輕薄，但原料稀少，造價仍偏高。西元2000年後的新興太陽能電池則包含有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池，也是目前太陽能電池的發展主流，其優點為能大面積製作且材料便宜，因此許多人投入該領域的研發。

太陽能研究重點圍繞在尋找新型材料來提高電池能源轉換效率、放大電池尺寸並降低價格。電池材料是電池能源轉換效率的重要決定因子，像是鈣鈦礦的能源轉換效率媲美矽晶太陽能電池，但造價僅矽晶的三分之一。目前能源轉換效率最高的是多接面電池（包括二接面、三接面和四接面），鈣鈦礦/矽晶疊層電池次之，矽晶電池表現中等，有機光伏電池則最低。除了提高能源轉換率，放大電池尺寸也很重要，大電池能吸收更多太陽光，也能減少串並連電池數，降低串並連造成的電力損耗。

太陽能電池產生的電流取決於吸收的光量，但每個材料對太陽光的吸收光譜不同，沒有任何一個材料能吸收完整的太陽光譜，因此透過「疊層」把不同吸收光譜材料做成的電池疊加在一起，能最大化太陽光光譜吸收範圍，大幅提高電池效率。疊層電池上層通常為寬能隙電池，光吸收損失較大、熱損失較小；下層通常為窄能隙電池，光吸收損失較小，熱損失較高，兩種電池疊在一起能有效提高電池效率、大幅降低平均能源成本。

鈣鈦礦/矽晶疊層電池極具發展潛力。鈣鈦礦是由一價陽離子、二價陽離子及鹵素陰離子結合而成的晶體，各種符合晶體結構要求的陽離子和陰離子排列組合能形成千變萬化的鈣鈦礦材料，比單純的矽晶圓只有單一的矽元素豐富許多，可以形成不同色彩的太陽能電池，增加其應用的範圍。此外，鈣鈦礦材料可以溶解在溶劑裏形成溶液態，可用一般濕式薄膜製程的方法製作成大面積電池，也能製作在軟性基板上，形成可撓曲的太陽能板，像是野外帳篷、軍事器具或其他商業應用。將矽晶圓電池和鈣鈦礦電池結合的方法有兩種：一是分開製作兩個電池，再把做好的鈣鈦礦電疊在矽晶電池上，形成四接點電池；二是先做好矽晶電池，再直接於矽晶電池上製作鈣鈦礦電池，形成二接點電池，其效率較高但兩種電池間電流電壓匹配及壽命受限於鈣鈦礦電池較短。

炙手可熱的新興能源——氫能

氫能是近年來炙手可熱的綠能之一，其優點為單位重量下能量密度高，約為石化燃料的兩倍、鋰離子電池的十倍，且燃燒後幾乎不產生溫室氣體，能直接整合現有火力發電廠的工業基礎設施。弔詭的是，目前全世界氫氣來源，高達90%來自石化燃料的甲烷蒸汽重組，仍會產生大量溫室氣體，因此尋找零碳排的氫氣製造方式，像是利用光催化水的氧化還原反應產生氫，可謂當務之急。

結　語

由太陽光衍生出來的能源系統分為兩種：直接產生電能的太陽能電池，和作為燃料的氫能。太陽能電池的理論效率、與現有能源的相容度和技術發展成熟度都勝過氫能，但氫能可被儲存且使用狀況較不受時間限制，是太陽能電池無法比擬的，因此最佳能源組合是電能和氫能二者並進。隨著2050年達成淨零碳排的期限越來越近，產學界必須共同投入綠能開發，而如同老師在演講中分享的，科技沒有侷限也沒有做不到事，只是人類有沒有辦法想像出來，且願不願意去嘗試和達成而已。