天上掉下來的能源——淺談太陽能 Recognizing solar energy development

Posted on 2014/06/01 in 環境能源, 能源應用, 能源技術, 能源種類 with 沒有迴響 4,342 views

天上掉下來的能源——淺談太陽能 Recognizing solar energy development
國立臺灣大學土木工程研究所金育暉

隨著溫室效應、氣候暖化議題不斷發酵，再生能源的需求不斷被提出，過去已發展的再生能源也隨著科技進步，逐漸追上石油能源，比如，太陽能。

太陽能並不算新技術，早在 1839 年法國物理學家 A.E.Becquerel 就已發現某些物質經過光線照射後會產生電壓，他稱之為光伏特效應(photovoltaic effect)，再經過了約四十年（1883年），美國人Charles Fritts製造出了第一塊太陽能發電板，但其效率只有 $$1\%$$，無法有實際應用價值。

接著又過了約七十年（1954年），美國貝爾實驗室才研發出效率達 $$6\%$$ 的太陽能發電板，但也因其價格昂貴與效率不彰，多應用在太空設備上，為各式衛星提供穩定而持續的電力來源。進入廿一世紀，因石油危機與環境議題發酵，再加上半導體技術的進步，讓太陽能發電板的平均效率達到 $$15\%$$ 左右，太陽能發電才開始走上能源的舞台。

太陽能發電是將光能轉換為電能的作用，透過光照射在半導體上造成電位差的方式提供電力。太陽能發電原理，如簡單示意圖所示，右上角的太陽光打在半導體上時，會提供能量給半導體中的電子，進而讓電子流動，也就成了日常生活中所慣稱的電流（電子流），由此可知太陽能板所提供的電源為直流電（如同常見的電池），如果要將太陽能發電板接到一般家電還需要透過電力設備轉換成交流電才可以使用，所以家用太陽能發電裝置，不僅有太陽能發電板，還包含了轉換設備。

註：圖中所顯示為太陽能發電元件，一般所見的太陽能板是經由許多太陽能發電元件組裝而成。

太陽能已發展了一百七十多年，太陽能發電版的技術不斷精進，商用的太陽能發電版效率約為 $$10\%$$ 到 $$20\%$$ 左右，根據材質不同可簡要分為三類：

單晶矽太陽能發電板
以矽為主要原料，因其要求矽晶體須排列規律，生產成本較高，但其效率較高，約 $$15\%$$ 至 $$20\%$$ 左右，且使用壽命較長，一般可達 $$15$$ 至 $$20$$ 年，目前應用於廠房、公共建設等場所。
多晶矽太陽能發電板
仍以矽為主要原料，但其晶體以不規則方式排列，所以生產成本較低，效率也較低，約 $$12\%$$ 至 $$15\%$$ 左右，使用壽命較短，約 $$12$$～$$15$$ 年，目前為太陽能發電市場主流，多用於公司、住家之太陽能板上。
非晶矽太陽能發電板
其原料可採用玻璃、陶瓷、金屬等，因不同的材料特性，可產製薄膜或較大面積的太陽能發電板，此類太陽能發電板效率偏低，約 $$6\%$$ 至 $$10\%$$ 左右，但由於生產成本最低，多應用在無需大電量的消費性電子產品上。

太陽能發電從五十年前 $$6\%$$ 效率到今日 $$15\%$$ 的效率，成長幅度看似緩慢，但與火力發電漫長的發展歷史相比，太陽能發電仍然還是初期發展的技術，尤其近幾年太陽能發電板的技術不斷提升，其在實驗室的效率已達到 $$25\%$$，雖說有四分之三的能量仍然是無用的熱能，必須在設計太陽能發電板時，考量如何把這些熱量排出，但其實目前火力發電效率也只有 $$43.27\%$$，大於一半的能量都以熱能形式散逸於空氣中，且須以水冷卻發電機組，避免機組損傷。

若以 $$40\%$$ 作為效率上限，依照目前太陽能發電板發展趨勢，再過個十年應就能見到超越火力發電效率的太陽能發電板，太陽能發電就將從替代能源搖身一變成為了主力能源，就讓我們拭目以待吧。

參考資料