太阳能转换为绿色能源与燃料：技术原理与发展趋势
太阳能转换为绿色能源与燃料：技术原理与发展趋势
太阳能是当今世界最具潜力的可再生能源之一。它不仅能够稳定且源源不断地提供能量，而且在世界各地都有应用的可能。本文将为您详细介绍太阳能转换为电能和燃料的技术原理，以及当前的研究进展和未来的发展方向。
太阳能电池的潜力和工作原理
众多可再生能源中，太阳能的潜力最高，能够提供人类所需能量的千倍甚至万倍以上。欧洲的太阳能电池产业联盟甚至估计，到2050年，太阳能电池可能满足世界所需80%的电能。然而，由于太阳能属于扩散式能源，若缺乏有效的方法来捕捉、转换和运用，其能源效率并不高。因此，要达到这一目标，仍需要产学研界的持续研发。
将太阳光转换为电能主要有三种途径：
- 最常见的是通过硅晶太阳能电池，其能量转换效率大约为25%，但目前台湾中南部太阳能光电池的转换效率大约仅20%。
- 利用太阳光催化水产生氢能，再通过氢燃料电池发电。虽然每一步的能量转换效率都高于硅晶电池，但综合起来会损失较多能量，因此效率仍比不上可以直接连接电网的硅晶圆电池。
- 利用太阳能电池产生的电来电解水产生氢，转换效率高达80%，但此过程仍须通过氢燃料电池发电，步骤较为繁杂。
综合比较之下，直接利用太阳光能的硅晶圆电池，其产电效率最高。
来源：台湾大学科学教育发展中心
太阳能电池的运作与半导体材料密切相关。P型半导体材料含有较多的电洞（正电荷多），而N型半导体材料含有较多的电子（负电荷多）。将这两种材料结合在一起形成二极管，多电洞材料和多电子材料的接面会形成正负电荷中和的接面，称为“空乏区”。太阳能电池是在P层和N层之间加上一层吸收光绝缘材料I，其吸收光产生激子（电子电洞对），在绝缘层分解成电子和电洞，分别扩散至N层和P层，它们再将电洞和电子传输至外部线路并产生电流，因此太阳能电池是P-I-N结构或N-I-P结构的二极管。
太阳能电池的种类和新材
太阳能电池主要分为四种：硅晶、多接面、薄膜和新兴太阳能电池。
- 硅晶太阳能电池由单晶硅或多晶硅组成，但由于硅晶圆是高温制程，造价昂贵，还无法在地面普及推广。
- 多接面晶圆太阳能电池主要成分是元素周期表上第三及第五族元素结合而成的化合物，如砷化镓或磷化铟，这些材料制作而成的电池造价比硅更昂贵，很少在地面上使用，但应用于太空科技所需的能源。
- 薄膜太阳能电池是80年代开始研发的非硅晶太阳能电池，主要成分有镉化铟、铜铟镓硒和铜锌锡硫等。其优点是可以直接制作成大面积太阳能电池板，减少制作工序且薄膜电池所需材料也比晶圆电池少，成品也更为轻薄，但原料稀少，造价仍偏高。
- 新兴太阳能电池主要包括有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池，是目前太阳能电池的发展主流。其优点是能大面积制作且材料便宜，因此吸引了大量研究投入。
来源：台湾大学科学教育发展中心
太阳能研究的重点在于寻找新型材料以提高电池能源转换效率、放大电池尺寸并降低成本。目前，能源转换效率最高的是多接面电池（包括二接面、三接面和四接面），钙钛矿/硅晶叠层电池次之，硅晶电池表现中等，有机光伏电池则最低。
钙钛矿太阳能电池具有巨大发展潜力。钙钛矿是由一价阳离子、二价阳离子及卤素阴离子结合而成的晶体，各种符合晶体制备要求的阳离子和阴离子排列组合能形成千变万化的钙钛矿材料，比单纯的硅晶圆丰富得多。钙钛矿材料可以溶解在溶剂中形成溶液态，可以用一般湿式薄膜制程的方法制作成大面积电池，也能制作在柔性基板上，形成可挠曲的太阳能板，适用于野外帐篷、军事器具或其他商业应用。
将硅晶圆电池和钙钛矿电池结合的方法有两种：一是分开制作两个电池，再把做好的钙钛矿电池叠在硅晶电池上，形成四接点电池；二是先做好硅晶电池，再直接在硅晶电池上制作钙钛矿电池，形成二接点电池，其效率较高但两种电池间电流电压匹配及寿命受限于钙钛矿电池较短。
炙手可热的新能源——氢能
氢能是近年来备受关注的新能源之一。其优点是单位重量下的能量密度高，约为化石燃料的两倍、锂电池的十倍，且燃烧后几乎不产生温室气体，能直接整合现有火力发电厂的基础设施。然而，目前全球的氢气来源中，高达90%来自化石燃料的甲烷蒸汽重整，仍会产生大量温室气体。因此，寻找零碳排放的氢气制造方式，如利用光催化水的氧化还原反应产生氢，成为当务之急。
结语
由太阳光衍生出的能源系统主要分为两种：直接产生电能的太阳能电池，和作为燃料的氢能。太阳能电池的理论效率、与现有能源的兼容度和技术创新成熟度都优于氢能，但氢能可以储存且使用状况较少受时间限制，这是太阳能电池无法比拟的。因此，最佳能源组合是电能和氢能并进。随着2050年实现净零碳排放的期限日益临近，产学研界必须共同努力开发绿色能源。正如林唯芳教授在演讲中所分享的，科技没有局限，关键在于人类是否有足够的想象力去尝试和实现。
图左为主持人台湾大学渔业科学研究所柯佳吟副教授，图右为讲者林唯芳荣誉教授
感谢金陵女中21班一起探索基础科学
本文原文来自台湾大学科学教育发展中心