太陽能的希望何在? (1)

太陽能的希望何在? (1)
知識通訊評論第70期

亙古以來太陽一直是地球豐沛而持續可靠的能量來源，但是除了自然界光合作用轉換產生的生命必需能量，人類能夠利用的太陽能源，仍十分有限。

面對人類生活越來越嚴重的能源困境，目前科學界得到更多資助，致力提昇太陽能的能量轉換效率，也為未來能源提供新希望。

太陽能電池可以吸收陽光產生電流，提供立即的能源。但是一旦太陽下山，陽光也就沒了。如果你能把陽光轉換成某種燃料，來用於輸送或僅是儲存備用，那你就做對了。

拜光合作用之賜，大自然老早就做得到這件事了。綠色植物吸收水、陽光、二氧化碳以製造糖和澱粉。它們提供了植物所需的所有燃料，也提供了大部分人類所需的燃料，這包括了食物或原油。

問題是植物製造燃料並不是很有效率，只有百分之三的太陽能被轉換成能夠使用的燃料。同時對植物有用的燃料，我們未必能用，如果我們有比吃或燃燒更加複雜的需要，糖和澱粉就必須經過後續的處理。

但是植物厲害的地方在於從水中取出電子以製造燃料。所謂的太陽能電池，只是一種把電子從一處移轉到另一處的工具。要想製造燃料，電子必須被吸出來儲存在化學鍵裡。

植物是由水中取得電子。目前全世界化學家努力的，就是要設計出有同樣能力的合成系統。而他們所需要突破，或至少模仿的設計，不僅要能在室溫下運作，還得不必仰賴昂貴的金屬催化。用一些便宜簡單的材料，製造出類似植物所使用的光合系統二的蛋白質複合物(PHOTOSYSTEM-II)，仍然是一個重大的挑戰。

一些接受這個挑戰的美國化學家，參與了一個合作計畫「充電地球」(Powering the planet)，這是一個國家科學基金會支持的計畫。這個計畫的核心，由三個不同的研究團隊主導，來分別解決三個化學難題。一個是由加州理工學院的路易斯(Nate Lewis)領導，目標是設計出經濟的材料來吸收太陽能並轉換為電流。另一個由麻省理工學院的諾色拉(Dan Nocera)領導，為的是強化在電池一端的催化劑，以便將水氧化成氧氣。第三個是設計出電池另一端的催化劑，來製造可用做燃料的氫氣，這是由加州理工學院格雷(Harry Gray)領軍。

化學家製造出類似植物所使用的光合系統二的蛋白質複合物

格雷聲稱，他們已獲致極大的突破。他可說是此計畫之父，由八○年代起就是諾色拉和路易斯的指導教授。「但是我們尚未達到可以開始組裝整個裝置的階段」。

要開始製造燃料的過程，陽光首先打到有光活性的物質，這個物質在植物裡是葉綠素，在實驗室這可能是矽晶半導體，它被入射的光子打出電子。移位的電子往一方向流動而產生電流，留下帶正電的粒子，也就是物理上所謂的電洞，它們向相反的方向流動。這就是一個基本的太陽能電池的構造，它需要非常高純度的矽晶，否則材料有缺陷的地方會使得電子與電洞再度結合，降低電池效率。

「充電地球」計畫的設計，半導體兩端的催化劑是用來把電子和電洞拉出系統，避免他們在系統中再度結合(見圖示)。而加入的水則是用來提供製造燃料的基本材料。

其實也還有其他不同的人工分裂水方法。一九七五年的諾貝爾獎得主，物理學家柯比(Jack Kilby)發明了一種電解系統，利用太陽能電池提供的能量，驅使電流通過一種水溶液(電解質)。這個過程產生了氫離子和氫氧根離子，它們和電極反應產生出氫氣和氧氣。

除了柯比的簡單系統，更複雜的電解電池是用光活性的半導體製造，以其一端鍍上的鉑金屬催化劑作為一個電極。當這個系統浸在水中時，半導體吸收陽光，並且同時產生把水分裂為氧氣和氫離子所需的電子和電洞。氫氣直接由半導體表面釋出，氧氣則由第二個鉑電極產生。

這個電池一九九八年由位於科羅拉多的國家再生能源實驗室特納(John Turner)製造出來。他的裝置將水轉換為氫氣的效率是百分之十二點四，是光合作用的四倍。但特納用的是像鉑那樣昂貴的金屬，系統也只有二十小時的生命週期，每公斤氫氣的製造成本是十三美元。特納的說法是，他們還可以做得更好。

所有電解系統都有一個相同的問題，電極在水溶液中耗損的很快需要更換，這就增加成本也降低效率。特納的電池和未來技術最大的差別，會在所使用的材料，也就是用更便宜的材料取代過去昂貴的金屬催化劑和單晶矽。「若我們想解決這個問題，我們就不能用昂貴或有毒的物質。」格雷說，「這一來大多一般的催化劑都要排除在外。」

路易斯目前領導「充電地球」的捕獲光能計畫。他的團隊正在改進一種他稱之為「便宜又能調控」的矽材料。相較於昂貴的單晶矽，路易斯的光電材料是一片由奈米矽柱構成的毯子，矽柱全部朝上。這項工作是由路易斯和加州理工學院再生能源研究中心主任阿特瓦特(Harry Atwater)合作而成。

奈米矽柱用來吸取能分解水的太陽能

每根矽柱都是單晶，但是製造的方法比起傳統製造太陽能電池所需的精細晶元處理技術來得簡單。阿特瓦特宣稱這個方法使得製造矽柱跟矽原料一樣便宜，大約是每公斤四十到七十美元。

這些奈米柱令人驚奇的毫無瑕疵。「一旦一根奈米線的高度超過了它的寬度，就會排除有缺陷的地方。」阿特瓦特認為，這意味著電子和電洞唯一可能結合的地方，就是每根小柱子的頂端。

「充電地球」所構想的裝置，路易斯和阿特瓦特的矽柱毯將被裝在一個塑膠膜裡面。催化劑則被塗佈在膜的兩端，來避免可能導致爆炸的氫氣氧氣結合反應。