太陽是永續能源的明日之星

The sun is a star when it comes to sustainable energy
http://www.physorg.com/news154771020.html

February 25th, 2009 By Robert Sanders

上週，在一場全國性的科學會議中，生物燃料 -- 主要是乙醇 -- 全被視為一場環境災難而遭拋棄，不過一種明亮、無碳的光，卻在我們的未來能源中閃爍：太陽。

在 2/12 - 16 於芝加哥所舉行的美國科學促進會（AAAS）年會中，許多針對能源與氣候變遷的議程都以這種信念為前提：世界必須要大幅減少碳的輸出以驅走全球暖化最糟糕的後果。

"太陽對我們未來能源需求而言絕對是單一的解決方案，" 演說者 Nathan Lewis ，他在加州理工研究合成光合作用，在一場會議中告訴聽眾。"此外別無他法（Nothing else comes close）。太陽在一小時內擊中地球的能量遠多於我們的發電廠在一整年內被消耗的所有能量。"

雖然太陽的熱已被駕馭用來運轉蒸汽引擎 -- Southern California Edison（譯註：發電廠）上週決定為洛杉磯的客戶購買 3.4 百萬瓦特的太陽熱發電（solar thermal power） -- 但太陽熱（solar thermal）與太陽光伏（solar photovoltaics，太陽能電池）卻佔不到全國百分之一能源供給中的十分之一。

在星期五第十三個 AAAS 議程，"Basic Research for Global Energy Security: A Call to Action（對於全球能源安全的初步研究：行動呼籲），" Lewis、Paul Alivisatos，UCB（柏克萊大學）化學教授與能源部 LBNL 的過渡時期主管，以及其他人描述太陽能電池、電池與傳輸系統的新研究，其目標不是突破我們能源技術的當前限制，就是尋找全新的且更有效率的系統。

"就能源研究的記憶所及，這是最令人振奮的時刻之一，" Alivisatos 說，尤其是因為全國科學家預料所增加的聯邦資金將以「使國家能源自足，同時減少溫室氣體排放」為目標。

Alivisatos，他監督 LBML 的太陽能研究計畫，Helios（譯註：希臘神話中泰坦神時期的太陽神，阿波羅算是晚輩），其研究聚焦在日光上。他的 AAAS 演講，"Nanoscale Materials for Solar Fuel Generation（用於太陽燃料世代之奈米尺度材料），" 提供了他的實驗室改善太陽能電池效率及降低其價格的尖端研究例子。

植物大約只捕捉到百分之一的太陽能量，這意味著栽培植物以生產生物燃料天生就遠比以「太陽熱」來捕捉太陽的熱，或更棒的，利用光伏直接將光轉為電，更沒效率。使用太陽能電池的問題在於成本。

"我們現在無法擁有它，但很快地我們將無法不擁有它，" Lewis 在同樣的議程中表示。"我們需要進行研發，讓我們能在大規模的情況下利用它。為了辦到這件事，我們需要了解如何組裝這些材料、如何利用新的物理學、以及如何捕捉、轉換與儲存日光。使我們可將能量攜往任何人們想要它的地方。"

目前，基於矽的太陽能電池能以接近 25% 的能源效率將日光轉換成電力，若電池具有成層的半導體，那最佳化紅、綠、藍光的吸收，那麼有可能達到 40% -- 或甚至是高達 50% 的效率。

"從物理的觀點來看，如果你只是要試著製造電力，那麼這個問題已經解決了，" Alivisatos 說。不過這些效率高的太陽能電池，以矽結晶（crystalline silicon）或著稀有元素的半結晶（semi-crystalline）薄膜製成，例如碲與鎘，在製造上頗為昂貴，而且到目前為止只有高階應用，例如衛星，能夠負擔。

較便宜的、混合數種聚合物的塑膠太陽能電池，現在能以 5% 的效率將陽光轉為能源，Alivisatos 說假設效率能改善到 8%，他算過，如果要滿足美國 3.2 兆瓦特的需求，得要有 6000 萬英畝的面積（譯註：約 24.3 萬平方公里）被塑膠太陽能電池所覆蓋。這相當於美國所有農用地的 1/4，雖然這種計畫要使用的是邊緣地帶甚至是沙漠，而非農田或牧地。

為了避免如此巨大的太陽能農場，效能必須要顯著提升且成本也需要下降。Alivisatos 的目標是利用奈米材料產生便宜，但效率高的太陽能電池，而且最終能將奈米材料當作是催化劑，利用日光將水直接分解為氫與氧，或產生如甲烷這樣的燃料。

奈米結晶體（Nanocrystals）有種明顯的優勢超越大量的結晶矽，因為要獲得完美的奈米晶體比獲得完美的、大塊的矽更容易，基於同樣的理由，小粒的鑽石比大顆的更常見且便宜：那遠在地球深處，要創造出小粒的、沒有瑕疵的鑽石比一大塊完美的石頭更容易。

創造出基於矽之太陽能電池的巨大陣列 "如同試著將沙漠塗滿真正高品質的鑽石，" Alivisatos 說。

今日的薄膜太陽能電池，那是一片片半結晶的 CIGS（copper indium gallium selenide，硒化銅銦鎵，銅銦硒化鎵）或 CdTe（cadmium telluride，碲化鎘），要製造同樣很難、很昂貴。

微小的奈米結晶體、奈米桿或奈米線的製造將因此更容易與更便宜，不過挑戰之一是如何將它們封裝成一種薄膜，讓電荷在奈米結晶體間迅速跳躍而不會受到阻塞。雖然新材料如硒化鉛（lead selenide）或一種鉛、硒與硫的混合物能以 1% - 3% 的效率運作，不過它們本質上可以被改進，Alivisatos 說。錫在取代更具毒性的鉛上也許同樣有效。

"仍未有奈米粒子光伏已符合薄膜的表現，" 他說，雖然透過它們傳輸電子相當棒。

由 Alivisatos、LBNL 博士後 Cyrus Wadia 以及 UCB 的 Dan Kammen 所完成的一項新研究證明，某些大量、價廉的材料所形成的奈米結晶體 -- 以黃鐵礦（iron pyrite，又稱愚人金）為例 -- 也有潛力成為太陽能電池的材料，能夠節省成本，即使它們的效率低於矽。

"結果證明，今日我們在我們的薄膜業界所強調的某些材料，無法擴大到足夠的面積以解決全部的問題（從太陽光供應國家的電力需求），" Alivisatos 說。 "我們需要讓我們的選擇保持開放。"

甚至更具野心的。Helios 的人造光合作用計畫意在重新創造出一種人造葉子，那能將日光直接轉換成氫燃料而非糖。Alivisatos 及其同事已證明，鈷與氧的奈米桿能催化氫的製造，其程度使得它成為一種有前途的、能為人造太陽燃料系統所用的催化劑。 UCB 化學家 Peidong Yang 已證明，塗布鈦的矽奈米線也同樣前途無量。

在他身為 LBNL 過渡時期主任的新角色中，Alivisatos 強調，能源部 Joint Bioenergy Institute 的模式 -- 那旨在將生物燃料研究從實驗室 推向市場 -- 也將與太陽能一同研究。

"我認為，國家實驗室在能源研究中正要扮演一種非常重要的角色，" 他說，"而我滿懷希望它們起到身為錨點（anchor points）的作用，與各大學以及公司合作，在此這類基礎與應用研究之間的交互作用能以一種適時的方式發生，我們因而能迅速移動。我們迫不及待。"

AAAS 年度會議通常吸引一萬名科學家與公眾成員，以及數百個國際性與全國性科學記者。今年，11 位 UCB 研究者在 12 個不同的議程中簡報論文，其議題從系外行星（exoplanets，Geoffrey Marcy）與人類演化（Tim White）到圍棋的數學（Elwyn Berlekamp）。

※ 以上言論不代表本人立場。相關報導：

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