美國推動節能減碳 從發電廠開始

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜簡克志
• 責任編輯｜簡克志
• 美術設計｜蔡宛潔

降低碳排還不夠，奈米材料幫你直接減少二氧化碳！

氣候變遷問題日益嚴重，2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份，臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃，世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標，設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外，直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員，他的研究專長是奈米能源材料，我們將介紹一種複合光催化材料：硫化鋅（ZnS）／硫化銦鋅（ZnIn₂S₄，簡稱 ZIS），在太陽光照射下，此材料表面發生的氧化還原反應，會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料！

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳？根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據，2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸，而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下，每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤，相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油！

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」，人類活動排放的溫室氣體，已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去，碳排放量可預期將不斷上升，大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示，地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 ^{註 1}，否則將有不可逆的後果，例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此，世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標，並不是說都不排碳了，而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消，達到「淨零」的目標。

要達到淨零的目標，除了尋找與開發減碳電力之外，直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下，如果可以像植物一樣，只要照太陽光，就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物，聽起來不錯吧？但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定，要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應？

我們可運用「陽光」與「光催化材料」（又稱光觸媒，photocatalyst），不僅可以減碳，還能產生有價值的碳氫化合物，是一種「一舉兩得」的方法！

光觸媒（光催化）材料是什麼？

在談到光催化材料之前，先複習一下「催化劑」這個概念，催化劑不參與化學反應，但是它讓原先不可能的化學反應變得可行！陳貴賢分享，這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山，經過九彎十八拐的北宜公路；但如今有了「雪山隧道」之後，就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外，催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色！在過去，農作物施肥只有天然氮肥可以使用，產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加，《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面，波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔，用來收集當肥料用的鳥糞。

到了近代，陳貴賢提到在 20 世紀初，德國科學家哈伯（Fritz Haber）透過催化劑，在高溫高壓的條件下，以鐵粉做為催化劑，讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能，人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥，農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」，顧名思義就是協助光化學反應的催化劑，但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於，其化學反應通常發生在固態的表面環境，目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料，你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」，例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能，其實就是照射足夠的光，讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸，這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構，且大幅增加反應的表面積，讓光催化反應更有效率。

陳貴賢：「一個高表面積的奈米粉末，它的表面積可能是薄膜的一萬倍，甚至於十萬倍。」

給你電子，還你原形！光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的？

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳，是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」，氧化反應會失去電子，還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料：硫化鋅（ZnS）／硫化銦鋅（ZnIn₂S₄，簡稱 ZIS），可以讓二氧化碳還原成甲醇（CH₃OH）和乙醛（CH₃CHO），這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下：

要持續減少二氧化碳，就要持續發生上述還原反應，持續供給電子。不過，我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面？這裡就開始涉及到半導體的核心問題：電子與電洞的產生、分離和傳輸。

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料：ZnS／ZIS，是結合兩種奈米半導體材料，透過水熱法合成，將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上，形成 0D-2D 結構的 ZnS／ZIS 複合物，就像製作巧克力豆餅乾，不過要複雜得多。

既然 ZnS／ZIS 是半導體，當受到光照之後，原來的價帶（valence band）電子會被光激發成導帶（conduction band）電子，原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位，就是電洞。電子和電洞的遷移，就是半導體形成電流的原因，因此電子和電洞都稱為「載子」（charge carrier）。

還記得上面的還原反應嗎？

對光催化材料來說，為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇，必須獲得穩定的電子來源，材料內部要迅速補充電子到表面，因此：

照光產生的電荷載子數量越多越好；產生的電子和電洞要傾向分離，分得越遠越好；電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定，首先照光產生的載子要多，就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合，照光產生的電子和電洞很容易復合，一旦復合，等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好，可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS／ZIS 光催化材料，依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99，分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中，ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好，可以有效減少二氧化碳，產生最多的乙醛和甲醇（如下圖）。

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率，陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值（apparent quantum efficiency），用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量，產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後，ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%，量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍！

這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合，因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率，選擇兩種不同的半導體材料組合，讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞，並且把電子送到它該去的材料表面。

此外，使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」，以符合光催化反應的能量門檻，自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後，繼續往 ZIS 跑，光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面，還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快！控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發，陳貴賢提到：「材料低能階，然後光子進來後，把電子激發到高能階去做反應，太陽能電池也是這樣。但是呢，有時候沒那麼剛好，例如激發後的能階不夠高，雖然激發上去了，但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起，電子上去以後又下來，然後再吸收第二個光子上去，那就變得很高了，高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖，如下圖所示，電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發，變成自由電子，接著經過設計完善的材料介面，先降到較低的 ZIS 束縛區，受到第二次光子的激發，再次變成自由電子，跑到光催化材料的表面，和二氧化碳發生還原反應，將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

看看電子走過的路，如果向左歪著頭看，是不是就是一個 Z 字呢？科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」（Direct Z-scheme）。「直接」的意思是，電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程，不需要再經過一個中間地帶，降低電子和電洞復合的機會。

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料，電子可以不需要中間的「轉接站」，直接轉移到另一個材料上呢？這裡也有一個巧思：不同材料之間的「微應變」。

不同材料的晶體排列規律是不一樣的，當兩種材料接在一起時，接面處會發生「晶格不匹配」，也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是，如果我們可以控制微應變（Strain）的程度，就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置，微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能，進而形成一個內部電場，讓電子和電洞更能快速分離，提高光催化效率。

總之，陳貴賢團隊開發的這套材料組合，是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料，可做為未來量產光催化材料的研發設計參考，同時也是減碳的解方之一。

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示，目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域，他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸，有太陽能電池和熱電材料，同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料，以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展，因為在 2050 淨零排放之前，有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列，企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果、Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中，台積電為蘋果主要供應商，2020 年也加入 RE100，目前為臺灣再生能源的主要買家。

可以預見，將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求，而能夠減少二氧化碳的光催化材料，也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到，當前光催化材料還在基礎研究階段，目前的人工光合作用效率約 1%，接近大自然效率，而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上，方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調，未來效率提高之後，能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值，不僅轉化後的燃料可以賣錢，處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用，是一種前所未有的概念。

註解

1. 根據 IPCC 的資料，如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內，必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標，同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放，特別是甲烷。

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文／林承勳
• 責任編輯／簡克志
• 美術設計／蔡宛潔

有效利用太陽的光能和熱能

能源減碳已是國際趨勢，近年政府積極開發再生能源，逐年增加發電比例，而太陽能深具開發潛力。新興的鈣鈦礦太陽能電池是目前的研究熱點，不僅製造成本較低，單片發電效率已可達到 25%，逐漸趕上主流單晶矽太陽能電池的 26%。中央研究院「研之有物」採訪院內應用科學研究中心研究員朱治偉，他與研究團隊試圖開發一個小型的全光譜太陽能系統，讓光電轉換效率最好的波段被鈣鈦礦太陽能電池吸收，其他波段的光會穿過半透明的材料面板，抵達下層的集熱管，讓多餘太陽熱能可以回收再利用。

臺灣發展再生能源的關鍵：太陽能

太陽能是目前最為普遍的再生能源之一。近年來，臺灣的太陽能建設有逐步增加，且經濟部已訂下在西元 2025 年，國內再生能源發電量要佔總發電量 20% 的目標，其中太陽能發電量還要達到 20GW（1GW = 10 億瓦）的規模。

除了政府與業者的大型太陽能專案，太陽能發電對於公司行號或是一般社區大樓也有其誘因。樓頂架設太陽能裝置不但可以隔熱、防漏水，每年產生的電力也能由政府以較高的價格收購，創造額外利潤。然而太陽能發電在現階段還有許多缺點等待解決，像是發電裝置在購買設備時就必須先投入大量的建造成本，之後才逐年發電回收。

太陽能發電裝置體積龐大、極占空間，以目前市佔率最高的單晶矽太陽能電池來說，裝置架設完成後就沒有辦法再任意移動，如果遭逢颱風或地震等臺灣常見的天災，無法搬至安全處的太陽能板很有可能受到嚴重損傷。此外，機器也要定期保養維修，否則當灰塵逐漸堆積、器材日漸老舊，發電效率也會一點一點地下降。

好消息是，單晶矽太陽能電池笨重、易碎而無法隨意重組的缺點，在未來很有機會用新型「鈣鈦礦材料」來克服。鈣鈦礦材料可以做成薄膜，附著在可撓曲的軟性基材上。如此一來，鈣鈦礦太陽能電池可以收捲攜帶，便利性遠勝過單晶矽太陽能電池。

朱治偉舉高雄愛河上現有的電動船為例，船上架設的是單晶矽太陽能板，而光是一個面板就重達三十到四十公斤，二十片總共八百公斤。「船雖然能夠自主發電，但發電量還不夠驅動機台本身的重量。」朱治偉笑著說，如果用鈣鈦礦太陽能電池替代，不但能大幅減輕重量，在天氣不好時還能將發電裝置取下，騰出空間做其他用途。

發電效率大比拼：鈣鈦礦電池 vs. 單晶矽電池

除了裝置的便利性之外，太陽能光電轉換效率也是使用時需考量的一大要素。朱治偉指出，單晶矽太陽能電池單片面板在實驗室的發電效率可達 26%，但進到後段模組後，由於需要多片、大面積組裝，並經由導線串聯和並聯，過程中都會產生電阻導致電量損失。實際運作起來，效率只剩下 22%～23%。

鈣鈦礦材料的出現，讓單晶矽受到極大挑戰。以發電效率來說，鈣鈦礦太陽能電池在實驗室的效率可達 25.8%，幾乎跟單晶矽不相上下。雖然鈣鈦礦技術還在研發階段，尚未真正投入市場應用，但以小面積材料測試的實驗數據來說，學界與業界都對其發展潛力寄予厚望。

鈣鈦礦材料的另一項優勢在於，原料非常容易取得，且生產過程耗能與成本都相對低廉。「相較之下，目前發電效率稍微占優勢的單晶矽，是個高耗能、高污染的產業。」朱治偉指出，光是要提煉出矽元素，就得先用高溫把原料的砂熔化，接著在昂貴設備的高溫環境中緩慢結晶。

「而且單晶矽材料對於缺陷的容忍度很低。」朱治偉補充說道。所謂缺陷容忍度，就是材料在結晶時，有缺陷出現對於功能、效率的影響程度。

單晶矽在結晶過程中，原子排列越整齊、純度越高，缺陷就會越少，如此一來，電子在整齊的晶格裡可以很順暢地流動；一旦晶體排列不整齊、有缺陷產生，電子流動就會受到阻礙，讓材料發電效率變差。單晶矽對於缺陷的容忍度很低，缺陷會嚴重影響到單晶矽電池發電效率，因此結晶純度要求 99.9999% 以上。

當矽結晶完後接著要切成薄片，切片時會損耗材料並產生大量粉塵，切完還得進入複雜的半導體製程，不但需要高溫且耗水，還需使用到有毒溶劑。雖然科技廠會將高汙染的排放物先處理到合乎排放標準，但這些製程都需要投入大量的能源跟水。

鈣鈦礦材料：高缺陷容忍度、高發電效率、溶液式製程

鈣鈦礦材料的缺陷容忍度很高，即使結晶缺陷是單晶矽的幾百、幾萬倍，都還能有很高的發電效率。「而且鈣鈦礦電池在天氣不好、低照度或是室內時依然能夠持續發電。」朱治偉提到，單晶矽電池在陰天幾乎完全不發電，而鈣鈦礦電池受影響程度較低，仍可繼續發電。

另外，單晶矽電池基本上沒辦法在室內使用，因室內照明環境為低照度、光的波段很狹窄，整體能量會偏低。但是鈣鈦礦電池不但可以使用，其轉換效率可達 30% 以上，可以驅動電力需求低的元件，例如物聯網裝置等。

「更方便的是，鈣鈦礦材料可以溶解在有機溶劑裡。如果使用溶液製程，就能快速、大面積的製作。」朱治偉提到，等到未來技術成熟，就像是在印刷報紙一般，將含有鈣鈦礦材料的溶劑當作墨水，用印刷方式就能快速生產太陽能電池。

設備建造簡易、材料取得方式環保，如果還能大面積快速印刷來降低製作成本，鈣鈦礦太陽能電池可以說是集各種優點於一身。

不過，鈣鈦礦電池還是有些缺點亟待改善，像是本身材料的穩定性，導致電性上會出現遲滯現象，造成發電量有不穩定、時高時低的問題。此外，由於鈣鈦礦材料是離子材料，一碰到水就會解離，解離後會縮短使用壽命。

朱治偉指出，想要避免水分接觸到鈣鈦礦材料，能用封裝技術來解決。而穩定性問題則要在一開始長晶時著手。像是藉由添加其他離子促進長晶品質，讓結晶更加緊密結合。只要長晶時越整齊、缺陷越少，電子就能輕易地被導出，電流高、效率穩定，遲滯現象就能減少。「鈣鈦礦太陽能電池還有一個問題，就是裡面含有微量的鉛元素。」朱治偉說，雖然使用量非常少，但鉛終究是有毒的物質，若外洩還是有可能對接觸者造成傷害。目前同樣可以用封裝技術來避免鉛元素外漏，但期待未來有機會能找到其他安全的元素來替代鉛的角色。

小孩子才做選擇，我全都要！

太陽光的波長​分佈從 300 到 2700 奈米都有。一般單晶矽太陽能電池只能吸收 300 到 1100 奈米的光，1200 奈米以上的波段皆無法利用，有些被反射到環境當中，有些則是轉換成熱能。

熱能累積在矽晶板裡面，會影響發電效率。「矽晶板溫度每上升 1°C，效率就下降 0.3%。」朱治偉指出，大太陽底下矽晶板的溫度會達到約 80°C，比室溫高約 50°C 左右，這將導致發電效率降低 15%。

相較於不透光的矽晶板，鈣鈦礦太陽能電池能做成半透明的薄膜，將透過的陽光做其他運用。因此，中研院全光譜太陽綠能永續計畫採用的組合是：半透明鈣鈦礦太陽能電池搭配集熱管，以便充分利用太陽能。

「我們用新開發的分光鏡，從 800 奈米波長的地方將太陽光一分為二，800 奈米以下的光直接給鈣鈦礦太陽能電池發電，800 奈米以上的光讓集熱管吸收，產製出熱水。熱水經過吸附式致冷系統（absorption chiller system），透過巧妙的蒸發原理設計，將外部冷水致冷，產製出冰水供大樓使用，剩下的溫熱水則供日常盥洗使用。」朱治偉說道。

用 800 奈米劃分，因為鈣鈦礦太陽能電池在 300 到 800 奈米這段波長時，約有 90% 的光電轉換效率。而 800 奈米以上的波段經集熱管轉成熱能，效率可達到 97%～99%；反之，800 奈米以下的光熱轉換效率則不佳。

將不同波長的光，導向適合的元件

上面提到的「分光鏡」，全名為平面光譜分光模組，這是中研院開發的實驗模組，使用具有光波長選擇的導光板，將不同波長的光導向適合的元件。

這種導光板的作用原理，是經由奈米結構設計來決定要將哪些波段的光引導到哪個方向。在全光譜太陽綠能永續計畫中，是以 800 奈米的波段來區分。

把導光板鋪在太陽能集熱管上，800 奈米以上的光就穿透導光板照到集熱管，800 奈米以下的光就回收，引導到側邊，照在鈣鈦礦光電轉換元件上。

「將鈣鈦礦太陽能電池做在可撓曲的面板上，搭配時就能增加很多使用彈性。」朱治偉提到，脆弱的單晶矽電池受到重壓或劇烈震動就會碎裂，但是鈣鈦礦電池的機械性質很好，結構不易被破壞。

即使大樓樓頂有障礙物，或是要根據導光板的設計在不同方位擺放太陽能電池，鈣鈦礦電池都可以彈性搭配，使用時攤開、不用時就收捲起來。而且鈣鈦礦電池還可以依物體的弧度來配合製造，很適合用在 3C 產品、汽車、電動車的充電上，未來發展具備各種可能性。

目前中研院已經於院內活動中心樓頂架設了集熱管跟致冷系統，而半透明的鈣鈦礦太陽能電池與導光板在實驗室環境中，也證明小面積發電確實可行。

不過，想要量產出大面積的鈣鈦礦太陽能電池，單靠學界的製造能量來說有些困難。國內雖然有廠商在研發鈣鈦礦電池，大多沒有真正投入量產。「歐洲跟美國的公司願意投入大量經費研發產製；臺灣普遍的氛圍是傾向等待有明確的研究成果出現，再加入量產行列。」朱治偉說。

科技帶來改變，前景令人期待

與世界各國相比，臺灣電價相對便宜，且用電量相當龐大。根據經濟部能源局的統計資料， 2021 年臺灣總用電量超過 2800 億度，而目前臺灣發電有將近八成是使用化石燃料的火力發電。低電價導致缺乏節電誘因，高用電需求又使火力發電持續高碳排。根據 Our World in Data 資料，2021 年臺灣平均每人排放的二氧化碳為 11.85 噸，為全世界人均排放量的 2.52 倍，名列第 22 名，人均排放量高於日本、德國、新加坡與法國。

以臺灣的國土面積與經濟規模來說，如此高碳排量代表臺灣的減碳之路還有很大的努力空間。朱治偉指出，目前國內能源有 97% 倚賴進口，若是不努力研發再生能源，對於經濟發展或是國防安全都不會是好現象。

以地熱來說，菲律賓地熱技術的起步比臺灣晚，發展卻非常成功。「臺灣跟菲律賓的地形很相似，發展地熱應該也非難事。」朱治偉表示，即使有學者認為臺灣難以發展再生能源，但在科技發展之下，很多事情都有可能發生。

朱治偉舉例，2014 年得到諾貝爾物理學獎的發光二極體（LED）技術，就是一個科技改變世界的範例，人類得以用新的方式產生高亮度白光。LED 的耗電量僅有白熾燈泡的十分之一，大大改變光照能源的運用。

朱治偉樂觀地指出，就算當前被評估不可行的地熱、風能或海洋能，只要科技持續進步都有機會逐漸實現，新興的鈣鈦礦太陽能電池也是科技進步的一個見證。

鈣鈦礦電池在 2009 年被日本科學家發現時，發電效率其實只有 3%；十年過後，鈣鈦礦電池卻即將追上單晶矽電池發展近百年才達到的效率規模。而且鈣鈦礦材料還可以添加其他離子元素，產生結構變化來影響電性或光性，這個特點讓鈣鈦礦電池未來的發展潛力無窮，也是單晶矽電池完全無法比擬的。

「雖然有些學者不看好，但我相信日新月異的科技在未來能夠改變現狀，讓環境問題慢慢得到改善。」朱治偉說。

聽說高溫會影響太陽能電池的效率？

太陽能電池效率會隨著溫度的上升而下降，下降程度與選用的材料有關。因此太陽能電池效率的標定均在攝氏 25°C。

一般來說，太陽能電池每升高 1°C，會降低整體效率的 0.4% 至 0.5%。溫度過高不僅會降低太陽能電池的效率，也會減低其使用壽命。為了降低溫度過高的影響，建議安裝太陽能板時盡量在底下預留足夠的通風空間，來提高散熱效率。

近期科學家開發出新穎的水凝膠材料，將其貼附於太陽能板背面，利用晚間從大氣吸收和儲存水分。當白天太陽能電池溫度升高時，儲存在水凝膠中的水分便會蒸發，從而降低太陽能板的溫度，如此就可以維持太陽能電池的發電量與延長其使用壽命。

目前的鈣鈦礦電池並不穩定，未來可以如何改善？

鈣鈦礦薄膜材料在形成的過程中，不可避免地會形成大量的淺層能階缺陷（如元素空缺、間隙缺陷和反位替代）與深層能階缺陷（如元素錯位、晶界和沉澱物）。鈣鈦礦薄膜材料雖然可以容忍比較多的缺陷，但是這些缺陷就是造成鈣鈦礦太陽能電池不穩定的最主要因素。

目前在改善鈣鈦礦材料穩定性的研究方向，大致分為兩類：第一類是改變薄膜製程方式來降低缺陷的形成，如兩步驟成膜方式（two-step method）和反溶劑（anti-solvent）製程。第二類是開發多功能分子，鈍化鈣鈦礦材料中不同類型的缺陷，例如以路易斯酸與路易斯鹼、烷基胺鹵鹽、兩性離子、無機鹽類和離子液體來鈍化缺陷。

延伸閱讀

• 政府研究資訊系統。〈全光譜太陽綠能永續系統〉。
• 簡克志（2022）。〈機器學習 x 鈣鈦礦材料：讓 AI 幫你最佳化太陽能電池材料的製程參數！〉，《研之有物》。
• 陳映璇（2022）。〈鈣鈦礦電池是什麼？全台最大鈣鈦礦電池量產，大搶淨零建築、農電共生商機〉，《數位時代》。
• 臺灣科技媒體中心（2022）。〈「高溫影響太陽能板效率？」專家意見〉。
• 臺灣科技媒體中心（2022）。〈「鈣鈦礦太陽能微結構影響降解」專家意見〉。
• Li, R., Shi, Y., Wu, M., Hong, S., & Wang, P. (2020). Photovoltaic panel cooling by atmospheric water sorption–evaporation cycle. Nature Sustainability, 3(8), 636–643. 
• Lin, Y. (2019). How Absorption Chillers Work. EnergyLink. 
• Hanmandlu, C., Chen, C.-Y., Boopathi, K. M., Lin, H.-W., Lai, C.-S., & Chu, C.-W. (2017). Bifacial Perovskite Solar Cells Featuring Semitransparent Electrodes. ACS Applied Materials & Interfaces, 9(38), 32635-32642. 
• Evans, P. (2017). Absorption Chiller, How it works. The Engineering Mindset. 
• Hosansky, D. (2014). Adsorption chiller. Encyclopedia Britannica.

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 採訪撰文｜廖英凱
• 責任編輯｜簡克志
• 美術設計｜蔡宛潔

高排碳發電方式的轉型

氣候變遷是全球議題，為了降低碳排放，發展低碳電力相當重要。臺灣目前主要使用天然氣發電，雖然排碳量較燃煤發電低，仍屬高碳排的發電方式，若未來要達到 2050 淨零排放，勢必要開發更多的低碳電力。

中央研究院「研之有物」專訪院內物理研究所陳洋元研究員，他與團隊應用天然氣催化裂解的理論，突破各種技術限制，打造出「去碳燃氫」（methane pyrolysis）裝置，使得燃氣發電可以更進一步減少碳排放，目前成果已接近歐盟需求，並預計陸續擴大運用至商用發電機組。

因人類工業活動排放的二氧化碳而導致的氣候變遷問題，已是當代人類亟欲解決的難題。近幾年，國際組織與科學機構也不斷地強調減少碳排放的必要，以及調整減碳標準。2014 年聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的綜合評估報告指出，人類應在 2100 年以前削減 90% 的碳排。

但到了 2018 年的全球暖化特別報告時，IPCC 則將標準加嚴，人類需在 2050 年時達到「淨零排放」，亦即「人為溫室氣體的排放量，扣除透過碳匯、碳捕等移除量後為零」。2021 年下半年，世界各大工業國也陸續提出在 2050 年前後達到該國淨零排放的政策目標和政策路徑。

在世界潮流的推動下，2021 年 4 月總統蔡英文在世界地球日的活動，宣示臺灣將努力在 2050 年達到淨零排放。同年中研院在廖俊智院長的主導下，啟動了「Alpha 去碳計畫」，院內物理所的陳洋元研究員與研究團隊也開始為臺灣的「去碳燃氫」技術建立基礎。

把天然氣變成氫氣，真的可能嗎？先來看看過去科學家怎麼做吧！

降低天然氣碳排的方法

為能達到降低碳排的能源轉型，又需兼顧產業發展的用電需求，臺灣目前的能源規劃，預估在 2025 年時，再生能源發電量佔比約 15.2%，其餘則為 45% ～60% 的燃氣發電與 25% ～40% 的燃煤發電所組成，到 2050 年時，樂觀理想情境中再生能源發電量佔比可逾 60%，剩下則以燃氣發電為主。

儘管燃燒天然氣（甲烷）的理論排碳量，約只有燃燒煤炭的一半，但每燃燒 1 噸的甲烷，仍會產生 2.75 噸的二氧化碳排放，這與淨零排放的目標，仍有相當大的差異。因此，當代天然氣的運用，必須回應如何有效降低碳排放。

大抵來說，降低天然氣的碳排可以分成兩種不同方向的策略，其一是「碳捕捉、再利用與封存（carbon capture, utilisation and storage, CCUS）」，方式是將燃燒後的二氧化碳，捕捉下來再利用，如應用於綠藻養殖、水泥製造等，或是將二氧化碳壓縮後封存於耗竭油氣庫這種地質結構上的特殊封閉構造，或是封存於海底富含鹽水的地層構造。

然而碳捕存的技術與概念新穎且須有特定地質條件配合，要能達到具規模的運用仍有相當技術門檻需突破，且碳捕存在臺灣多年來也持續面臨政治及環保爭議，發展進度緩慢。

另一種策略方向，則是「燃料轉換」，將化石能源的天然氣，全部或部分替換為零碳的能源，例如利用微生物分解利用農業等方式生產的有機物質來產生「生質甲烷」（註1）作為燃料；利用大量的無碳電力，電解水後分解為氫氣和氧氣，再將氫氣做為燃料；或是再利用無碳電力將二氧化碳與氫氣合成為甲醇、甲烷、氨等「載氫劑（hydrogen carrier）」以利運送和利用。

還有一種備受矚目的燃料轉換方式，是直接將甲烷裂解為氣態的氫氣和固態的碳黑（carbon black）：

其核心原理為，若能提供甲烷分子每莫耳 74 千焦耳的能量，就能把碳原子與氫原子的鍵結打斷，而關鍵在於如何提供能量以及如何提升使用能量的效率。

1999 年，M. Steinberg 發現當溫度夠高時，甲烷鍵結被打斷的效率隨之提升，而提出「甲烷熱裂解」（thermal decomposition of methane, TDM）技術，該技術是將甲烷處於高於 700°C 的高溫環境，使甲烷裂解為氫氣與固體的碳。固體碳可以穩定的儲存，不會增加大氣中的二氧化碳，也可以做為工業生產的原物料使用。

為進一步提升甲烷分解的效率與商業價值，近二十餘年來，許多針對 TDM 的研究，引入了各種催化劑，作為熱解甲烷的反應環境。目前常使用特定比例的惰性合金作為催化劑，將合金加熱成熔融態，當甲烷氣體通過液態合金時，即開始分為氫氣與固態碳。

加熱溫度越高、氣體通過的熔融合金管柱越長，則甲烷熱裂解的程度越高，例如以一公尺長的管柱環境，利用不參與反應的 1175°C 熔融錫金屬，則可轉化 78% 的甲烷；利用具催化性的熔融金屬如 27% Ni–73% Bi 合金，則可在 1065°C 達成 95% 之甲烷轉化。

為什麼需要催化劑？為了降低化學反應的難度。

實際運用上的限制與問題

以裂解方式生產氫氣的技術，有可能會成為未來氫能發展最主流的方向，歐盟針對氫能發展的預估中，即認為到 2050 年時，歐盟所使用的氫能會有 55% 來自於甲烷裂解，有 30% 來自目前化工產業較成熟使用的天然氣重組，以及 15% 來自於水電解產氫。

因此，2021 年 3 月起，在廖俊智院長的主導下，中研院啟動了「Alpha 去碳計畫」，目的在發展熱催化、電漿裂解等各種技術方法，以達成去碳產氫的發電目標。物理所陳洋元研究員的團隊，也開始在院內建構甲烷熱裂解的裝置，試圖為我國建立起去碳燃氫的技術基礎。

然而，儘管催化性熔融金屬的理論可行，在實務運作上此方法卻有其瓶頸，陳洋元研究員的團隊發現，當裂解後產生的氫氣和碳從熔融金屬表面冒出時，熔融金屬的蒸氣會把碳包住而在金屬表面變成如岩漿般的黏稠流體，必須不斷暫停實驗把岩漿給撈出去，使得學理上雖可高效率地裂解甲烷，但仍難以放大規模至發電機機組或提供給發電業使用。

體認到催化性熔融金屬的限制後，陳洋元研究員開始尋找其他也可具有類似催化效果的材質。其中一種可行的催化劑，就是碳黑本身。過去針對催化反應的研究中，即發現碳本身即是一種理想的催化劑。在甲烷裂解的過程中，研究者可以透過利用不同形式、結構與表面積的碳，來調控碳的催化活性。

2013 年，韓國研究者 Seung Chul Lee 等人提出用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置設計，其概念是將高溫管柱中，裝填直徑 30 nm 的碳粒作為催化劑，使甲烷通過高溫碳粒時，被催化裂解為氫氣和碳，再透過集塵器與過濾器捕捉碳黑。

雖然概念裝置已提出逾十年，但至今市面上仍未有成功商業化與量產的設備。由於催化劑和裂解後的碳都是相同的物質，因此隨反應時間增加，實驗裝置中的碳黑會不斷吸附。

因此，該實驗設計若要能用於實務上的燃氣電廠減碳，關鍵就在如何能維持或定時減少高溫管柱中積存的碳；如何能延長集塵設備與濾網的更換週期，以須確保裝置能不間斷的長時間運作；以及如何與既有燃氣機組的系統結合。

Alpha 去碳計畫：以局部比例的氫氣代替甲烷

面對過去研究的基礎與限制，中研院的團隊已在開發利用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置，且能搭配自動化的清除積碳、與更新集塵、過濾器，使熱裂解裝置能持續性地運作。

熱裂解的裝置設計上，也並非追求極致的甲烷轉換率，由於氫氣比甲烷擁有更劇烈的燃燒反應，如在空氣中的燃燒速度，甲烷為 0.38 公尺/秒，但氫氣則高達 2.9 公尺/秒，這使得氫氣爆燃的衝擊力遠大於甲烷。

因此，目前仍未有純氫氣或高比例氫氣的商品化發電機組，而多以在甲烷中混合 10% ～30% 的氫氣，達到局部比例的減碳，因此在裝置設計上，須同步調控所產製氫氣與甲烷的比例，使發電機能持續燃燒固定成分比例的甲烷氫氣混合物。

從減碳效益來比較傳統天然氣發電和部分比例的去碳燃氫發電，以目前大潭電廠最新燃氣機組的熱效率 60% 來計算，每噸天然氣燃燒，可提供 9300 度的發電量，並排出 2.75 公噸的二氧化碳。

但若能將其中 30% 的甲烷高溫裂解後，將氫氣與天然氣混燒，因氫氣的燃燒熱較低，且需額外提供裂解所需的能量，此時每噸天然氣則能發出 7400 度的電量，但碳排放降低為 1.92 公噸的二氧化碳，並生產 0.225 公噸的固體純碳。

也就是說，以大潭燃氣電廠為例，若將 30% 的甲烷裂解，產生氫氣與天然氣混燒，最終是以減少 20% 的發電量為代價，換得 30% 的減碳效益，以及具有精密工業、高產值化工業運用潛力的高純度碳黑原料。

目前中研院的 Alpha 去碳計畫已完成了將甲烷熱裂解裝置與 13 kW 天然氣發電機串聯，混燒 10% 氫氣燃料的概念驗證。

預計在 2025 年以前，將陸續擴大至針對建築物規模使用的 65 kW 燃氣渦輪發電機；和針對廠房、工商業用途使用的 1～2 MW 商用燃氣機組；以及與既有大型燃氣電廠使用的 170 MW 燃氣機組結合，以此建立我國去碳燃氫的產業鏈。

中研院將與業界合作，目標在 2025 年以前，推出裂解效率可達 40% 的去碳燃氫裝置，使臺灣天然氣發電的碳排達到歐盟訂定的永續標準。

開闢臺灣淨零排放的路徑

面對氣候變遷的威脅，世界各國無不積極且緊迫地尋找能達到零碳排放的方式，然而多數國家在有限的自然資源條件下，風力與太陽光電等再生能源的發電規模和穩定程度仍遠不及大型發電廠。

因此 2021 年起世界各國，相繼提出了符合淨零與永續精神的天然氣使用規準。2022 年 2 月，歐盟批准了有助實現歐盟環境目標的「永續活動分類法」與「氣候授權補充法案」，其中針對燃氣發電廠的規範，是要求 2035 年以前須完全由天然氣轉向低碳燃料或再生能源燃料；或是 2030 年前施工但每度電少於 270 克二氧化碳排放量，才能獲得永續金融投資的優惠。

以此作為標準來檢驗目前臺灣的燃氣發電，較先進且尚有機組興建中的大潭發電廠，碳排係數約低於每度電 388 克二氧化碳排放，若能順利搭配裂解效率 30% 的去碳燃氫技術，則碳排係數可降為每度電 271.6 克二氧化碳排放，幾乎符合歐盟的標準。

若再能輔以部分比例的生質甲烷混燒，排出二氧化碳又有部分比例利用碳捕存處理，至少就能使我國在未來最主要使用的天然氣，能符合目前歐盟看待永續能源的標準。

目前中研院陳洋元團隊打造的去碳燃氫技術，能利用臺灣既有天然氣和燃氣電廠的基礎建設，維持穩定的基載電力供給，又能達到減碳的效益，預計將是未來幾年內，能有效提供臺灣減碳成果的重要技術方向。

然而，去碳燃氫技術也因減碳目的而降低燃氣的發電量，這會使臺灣已經擴大天然氣使用的政策方向還要更加強化，如增加更多的天然氣進口量，興建更多的天然氣接收站、儲存槽與管線。近年烏俄戰爭帶來世界性天然氣的短缺，以及第三天然氣接收站的興建帶來海岸生態的危害，使用天然氣仍有難以忽視的環境與社會風險。

中研院的去碳燃氫技術，可能不是淨零未來的唯一選項，但傾力推動這項技術，才有機會在邁向淨零未來的過程中，爭取到足以讓永續與潔淨能源普及的時間。

註解：

• 註1：生質甲烷的概念是，透過微生物分解農業生產的有機物質，由此生產甲烷，這種有機物的碳，是來自植物光合作用的固碳反應。因此理論上不會使用到地底下的化石碳，比天然氣還要減碳。

延伸閱讀：

• 中央研究院（2022）。《臺灣淨零科技研發政策建議書》。
• 蔡菖圃（2022）。《以金屬合金催化劑高溫裂解甲烷製備氫氣》，國立臺北科技大學製造科技研究所。
• 林奐成（2022）。〈中研院「去碳燃氫」展成果 盼創造綠電助減碳〉，聯合新聞網。
• Upham, D. C., Agarwal, V., Khechfe, A., Snodgrass, Z. R., Gordon, M. J., Metiu, H., & McFarland, E. W. (2017). Catalytic molten metals for the direct conversion of methane to hydrogen and separable carbon. Science, 358(6365), 917-921.
• Flekiewicz, Marek & Kubica, Grzegorz. (2015). An Influence Of Methane/hydrogen Proportion In Fuel Blend On Efficiency Of Conversion Energy In Si Engine. Journal of KONES.
• Gosal, M.M., Das, L.M., & Gajendra Babu, M.K.(2013). Improved efficiency of CNG using Hydrogen in Spark Ignition Engine. Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels, 4(6), 99-112. 
• Lee, S.C., Seo, H.J. & Han, G.Y. (2013). Hydrogen production by catalytic decomposition of methane over carbon black catalyst at high temperatures. Korean J. Chem. Eng, 30, 1716–1721.
• Zhen, H.s & Cheung, C.s & Leung, C.W. & Choy, Yatsze. (2012). A comparison of the emission and impingement heat transfer of LPG–H2 and CH4–H2 premixed flames. International Journal of Hydrogen Energy, 37, 10947–10955. 
• Steinberg, M. (1999). Fossil fuel decarbonization technology for mitigating global warming. International Journal of Hydrogen Energy, 24(8), 771-777.