誰說太陽能板只應屋頂有？「養水種電」打破發電天花板

要核能、綠能、還是天然氣？大家不用吵了，因為讓我隆重介紹，宇宙太陽能準備登場，地球將進入能源自由，人類文明將邁入下一個時代！

雖然只是邁入第一步，但我沒有在開玩笑，美國、日本、歐盟、英國都陸續展開宇宙太陽能計畫，預計在太空中布下大量太陽能板，將取之不盡的能量，不分晝夜、不分天氣地將能量源源不絕的傳回地球。而且第一階段的測試，已經在宇宙中測試成功了！

宇宙太陽能真的可行嗎？我們離能源自由，還有多遠？

為什麼要去太空中進行太陽能發電？地面太陽能的困境

台灣要選擇哪種能源配比，各方論點各有道理。而同樣的問題，不只是台灣，對世界各國來說都是爭論不休的議題。面對這樣的困境，竟然有人提議往太空探索，去太空中進行大規模太陽能發電，並將能量傳回地球，成為宇宙太陽能電廠，一舉解決所有能源問題。可是就算不去太空，在地面上的太陽能近年來成長迅速，安裝量和產量都持續增加，為什麼非得跑到太空中去做一樣的事呢？

雖然太陽能板的設置成本近年來降低很多，能不能穩定發電卻要看老天臉色，而且需要的佔地面積廣大。世界上只有少數幅員廣大，日照充足的國家可以打造 GW 等級的太陽能發電廠，像是印度，中國，以及中東地區。許多地方例如台灣，多以民間業者小規模發展為主，很難建設大規模的太陽能發電廠，如果要大規模使用農地、魚塭、屋頂種電，也有許多問題等待解決。

不過只要把太陽能搬到外太空，就可以大喊：「解開束縛、重生吧！太陽能，我還你原型！」

首先，太空中可以接收到更多的陽光。由於太空中沒有夜晚，所以軌道上的衛星幾乎可以 24 小時暴露在陽光之下。此外，太空中的陽光不會像地面上的冬天或傍晚，有傾斜入射的問題。太陽能板可以隨時指向太陽的方向，和太陽光的方向保持垂直，接受百分之百的陽光照射。根據計算，同一塊太陽能板放在太空中可以接受到的陽光量至少是地表的三倍以上。

另外，地球的大氣其實幫我們阻隔了許多陽光，保護地表上的我們不會被瞬間曬傷。就算是晴朗無雲的日子，大氣層還是會散射掉許多的陽光。太空中的太陽輻射比地表強上不少，大約多了 40% 左右。

綜合前面所說的，只要把現有的光電材料放到衛星軌道上，就可以輕鬆獲得約四倍的發電量。此外還不需要任何占地，不會對環境生態帶來負面影響。

太空種出的電要怎麼運回地球？

你可能會好奇，在太空中收穫這麼多太陽能，要怎麼運回地球給大家使用呢？難道要存在電池裡再回收嗎？科幻大師艾西莫夫早在 1941 年就想過這個問題了。在他的短篇小說《理性》中，各個太空站會再收集太陽能之後，用微波光束將能量傳送至不同行星，也就是遠距無線傳輸能量。

雖然這種技術在當時屬於科幻情節，但現在的我們知道這樣的技術在原理上可能辦到的。在我們介紹無線獵能手環那集，我們有提到電磁波傳遞能量的問題，就是能量會以波源為中心向外發散，並且能量隨著距離快速衰減。想要高效率傳輸能量，如果不想接條線，就必須使用指向性的波源，將能源都集中到一點。

現在，我們使用多個天線組成陣列，並調整他們的相位，讓各個天線發出的微波產生干涉，形成筆直前進的單方向微波束，將能量精準發射到遠處的一個點。除此之外，因為選擇的電磁波頻段是微波，就像手機訊號可以穿過牆壁到你的手機一樣，特定頻率的微波也能穿透大氣層或雲層的阻擋。即使地球上的我們是下雨天，宇宙太陽能仍能透過微波將能量傳至地表，大幅降低天氣造成的影響。

所以，只要把所有太陽能板發射到地球同步軌道上，讓它們在軌道中展開，組裝成大還要更大，邊長長達數公里的超大太陽能板。這樣空中太陽能發電廠就會一直維持在天空中的某一點，地面的我們，只要蓋個微波接收站就可以了。當然要將所有設備發射到地球同步軌道上所費不貲，較可行的做法是先用火箭將衛星射入高度較低的低地球軌道中，再利用衛星本身的離子噴射等方式把自己慢慢推到地球同步軌道。

這個主意，在 1968 年工程師 Peter Glaser 就在 Science 期刊上提出，還向美國政府申請了專利。當時，美國能源局和 NASA 也覺得這個概念挺「有趣」的，針對宇宙太陽能做了一系列的調查並提出了正式的可行性報告。不過當時各方面的技術未成熟，無法進行測試。最重要的是，要把一整個太陽能發電廠射到太空，實在要花太多錢，產出的電根本就不敷成本。

好消息是，太空運輸成本近年來已經降低很多。SpaceX 的獵鷹九號火箭將每公斤物質運到低地球軌道的成本，只需要約三千美元，是過去使用太空梭運載的二十分之一。這讓宇宙太陽能的可能性，從僅只於科幻，搖身一變成為潛力無窮的未來能源。

宇宙太陽能離我們有多遠？

從美國、英國、歐盟到日本，都已經放話要加入這場全新的太空能源競賽。領跑者之一是日本的太空機構，宇宙航空研究開發機構 JAXA，預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗，並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組，是有生之年就能看到的成果！

這個時程也不是信口開河，日本在 1980 年代左右便開啟了宇宙太陽能計畫。經過數十年的規劃與研發， JAXA 已在 2015 年進行地面測試，成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線，驗證遠距傳輸能量的可行性。這個實驗相當重要，因為在發射成本的問題解決之後，宇宙太陽能要面對的下一個難題，就是如何有效地從外太空軌道遠距送電。雖然我們已經知道可以透過干涉的方法，讓微波束直線前進，但實際運作時，還是會有一個很小的發散角，不會完全平行。

失之毫釐。差之千里。地球同步軌道離地表可是有三萬六千公里，小小的發散角到地面就會嚴重發散，地面的接收天線尺寸也不可能無限擴張。這任務的難度差不多等於要從操場的一端用雷射筆打到另一端的蚊子，非常困難。JAXA 的天線雖然目前還未達到需要的準度，但是發散角已經能控制在 0.15 度左右，足以從較低的低地球軌道傳輸能量回地球，做初步的測試。

從還處在規劃階段的日本，瞬間移動到地球的另一端，美國的研究團隊，在這個月已經宣布取得重大突破。加州理工學院的宇宙太陽能計畫在今年初，成功讓一個小型測試模組，乘著 SpaceX 的獵鷹 9 號前進低地球軌道，進行太空中的實際測試。這個小型模組包含三個小實驗。第一個實驗是測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。第二個實驗則是要在 32 種不同的光電材料中，找出哪種在太空中效果最好。第三則是要測試微波傳輸能量在太空中的可行性。

就在今年的 6 月 1 號，團隊宣布他們設計的可彎曲天線陣列，在太空中成功傳送能量到三十公分外的接收天線，點亮了 LED 燈。雖然距離只有短短的 30 公分，但是整個實驗暴露在外太空的環境中進行，證明他們的設計可以承受最嚴苛的環境條件。做為測試，他們也嘗試讓天線發射能量到遠在地球表面，大學實驗室的屋頂上。並且，還真的被他們量測到了數值。儘管規模不大，但這是宇宙太陽能第一次的軌道測試，結果相當振奮人心。

如此看來，技術的發展似乎相當樂觀。可是要用於民生發電，成本是很大的重點。宇宙太陽能真的符合經濟效益嗎？或是我們該把資源留給其他選項呢？

宇宙發電廠符合經濟效益嗎？

根據美國能源情報署 EIA 的資料，1GW 發電容量的發電廠，傳統燃煤發電廠的初期建設成本，大約是一千億台幣，核電廠大約是兩千億台幣。那宇宙太陽能呢？每 1kW 的發電需要二十公斤的材料，1GW 就需要兩萬公噸。目前 SpaceX 獵鷹重型火箭運送每公斤材料進入軌道，需要三萬台幣。也就是說，光是將設備全部送上太空的運輸成本，就需要六千億的驚人花費。再加上太陽能板與相關設備的建置成本，以地面型太陽能發電廠為參考的話，大概還要多花500億台幣。而 JAXA 方面的預估，打造第一座 1GW 宇宙太陽能至少需要一兆兩千億日圓，雖然比我們用獵鷹重型火箭預估的還要低，但仍是一筆龐大費用。

那宇宙太陽能真的只是將鈔票往太空撒，空有理想的計畫嗎？當然不是，有兩個讓科學家不放棄的理由——首先是未來建造成本一定會下修。太空的發射成本相比 50 年前，已經少了兩個零，在 SpaceX 的發展下，還在持續地快速減少。另一方面，太陽能材料的輕量化工程也持續在進行，每 kW 發電重量只有十公斤或以下的太陽能材料已經不是虛構。新式的太陽能材料，我們未來也會陸續介紹。這兩個因素加乘在一起，一兆兩千億日圓的成本，很有機會在幾年內就減少為十分之一或更少。

更重要的是，宇宙太陽能一但建置完成，就會成為可做為基載能源的再生能源，減少對石化燃料的依賴。甚至因為主要設備都在太空，地面只需要建設接收站，可能將解決許多偏遠地區的能源問題，一舉改變全世界的能源型態。而且與許多八字還沒一撇的發電方式相比，宇宙太陽能已經算是距離現實很接近的選項，也難怪各個國家紛紛搶著要發展這塊領域。不過雖說是永續能源，還是有許多方面值得深入研究。例如要把幾萬公噸的材料射到軌道中，需要排放多少的火箭廢氣？一但規模化，這些巨大的宇宙太陽能板是否會成為小行星的標靶，或在一次的太陽風暴過後，讓軌道中堆滿太空垃圾？

宇宙太陽能究竟能不能成為可靠的新興未來能源，從想都不敢想，到開始精算成本，相信我們很快就會知道答案。

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備受關注的再生能源

近年來，以太陽能發電的再生能源備受關注。

太陽能電池是太陽能發電的關鍵裝置，這是用半導體將陽光的能量直接轉變成電能的裝置。雖然有「電池」這個名稱，但不像乾電池那樣可以儲存電能。所以「太陽能電池」這個稱呼其實並不洽當，應該稱其為「太陽光發電元件」才對。

太陽能電池會利用到第 1 章 1－2 節提到的半導體光電效應（將光轉變成電能的現象）。不過，僅僅只透過照光，並不能從半導體中抽取出電能。要將光能轉變成電能，必須使用 pn 接面二極體（參考第 1 章 1－8 節）才行。

圖 5－1(a) 為 pn 接面二極體，p 型半導體有許多電洞做為載子，n 型半導體內則有許多電子做為載子。這個 p 型與 n 型半導體接合後，接合面附近的電洞會往 n 型移動擴散，電子則會往 p 型移動擴散，如圖 5－1(b) 所示。

移動擴散之後，接面附近的電子與電洞會彼此結合，使載子消滅，這個過程稱為複合。結果會得到圖 5－1(c) 般，沒有任何載子存在的區域，這個區域就稱為空乏層。

接面附近的空乏層中，n 型半導體的帶負電電子不足，故會帶正電；另一方面，p 型半導體的帶正電電洞不足，故會帶負電（圖 5－1(d)）。

因此，n 型與 p 型半導體之間的空乏層會產生名為內建電位的電位差，在接面部分形成電場。這個電場可以阻擋從 n 型半導體流出的電子，與電子從 n 型流向 p 型的力達到平衡，故可保持穩定狀態。

這種狀態為熱平衡狀態，放著不管也不會發生任何事。也就是說，接面上有內建電位差之壁，不管是電子還是電洞，都無法穿過這道牆壁。

在這種狀態下，如果陽光照入空乏層，半導體就會在光能下產生新的電子與電洞，如圖 5－2 所示。此時，新的電子會因為內建電場所產生的力而往 n 型半導體移動，新的電洞則往 p 型半導體移動（圖 5－2(a)）。於是，電子便會在外部電路產生推動電流的力，稱為電動勢。

在光照射半導體的同時，電動勢會一直持續發生，愈來愈多電子被擠入外部電路，於外部電路供應電力。被擠出至外部電路的電子會再回到 p 型半導體，與電洞結合（圖 5－2(b)）。我們可以觀察到這個過程所產生的電流。

目前太陽能電池的大部分都是由 Si 半導體製成。以 Si 結晶製成的太陽能電池結構如圖 5－3 所示。

為方便理解，前面的示意圖中，都是以細長型的 pn 接面半導體為例。但實際上，太陽能電池所產生的電流大小，與 pn 接面二極體的接面面積成正比。所以 pn 接面的面積做得愈廣愈好，就像圖 5－3 那樣呈薄型平板狀。

前面的說明提到，陽光可產生新的載子，這裡讓我們再進一步說明其原理。

圖 5－4 為 Si 原子之電子組態的示意圖（亦可參考第 38 頁圖 1－11）。Si 原子最外層的軌道與相鄰 Si 原子以共價鍵結合，故 Si 結晶的軌道填滿了電子，沒有空位（圖 5－4(a)）。

若摻雜雜質磷（P）或砷（As）等 15 族（Ⅴ族）元素，形成 n 型半導體，便會多出 1 個電子。這個電子會填入最外層電子殼層的最外側軌道（圖 5－4(b)），與共價鍵無關，故能以自由電子的狀態在結晶內自由移動。

由於電子軌道離原子核愈遠，電子的能量愈高，所以位於最外側軌道的電子擁有最高的能量（參考第 57 頁，第 1 章的專欄）。最外側軌道與最外層電子殼層的能量差，稱為能隙。

另一方面，如果是摻雜鎵（Ga）或銦（In）等 13 族（Ⅲ族）元素的 p 型半導體，會少 1 個電子，形成電洞。這個電洞位於最外層電子殼層，能量比自由電子還要低（圖 5－4(c)）。

空乏層不存在自由電子或電洞等載子，此處原子的電子組態皆如圖 5－4(a) 所示。

陽光照進這個狀態下的空乏層區域時，原子的電子會獲得光能飛出，轉移到能量較高的外側軌道（圖 5－4(d)）。此時的重點在於，電子從光那裡獲得的能量必須大於能隙。如果光能比能隙小的話，電子就無法移動到外側軌道。

光的能量由波長決定，波長愈短，光的能量愈高（參考第 217 頁，第 5 章專欄）。光能 E（單位為電子伏特eV）與波長 λ（單位為 nm）有以下關係。

E［eV］＝1240／λ［nm］

另一方面，抵達地表的陽光由許多種波長的光組成，各個波長的光強度如圖 5－5 所示。

由圖可以看出，可見光範圍內的陽光強度很強。陽光中約有52％的能量由可見光貢獻，紅外線約佔 42％，剩下的 5～6％ 則是紫外線。

若能吸收所有波長的光，將它們全部轉換成電能的話，轉換效率可達到最高。不過半導體可吸收的光波長是固定的，無法吸收所有波長的光。

Si結晶的能隙為 1.12eV，對應光波長約為 1100nm，位於紅外線區域。也就是說，用 Si 結晶製造的太陽能電池，只能吸收波長小於 1100nm 的光，並將其轉換成電能。

不過，就像我們在圖 5－5 中看到的，就算只吸收波長比 1100nm 還短的光，也能吸收到幾乎所有的陽光能量。

光是看以上說明，可能會讓人覺得，如果半導體的能隙較小，應該有利於吸收波長較長的光才對。不過，並不只有能隙會影響到發電效率，圖 5－6 提到的光的吸收係數也會大幅影響發電效率。光的吸收係數代表半導體能吸收多少光，可以產生多少載子。

有幾種材料的光吸收係數特別高，譬如 Ⅲ—Ⅴ 族的砷化鎵（GaAs）。GaAs 的能隙為 1.42eV，轉換成光波長後為 870nm，可吸收的光波長範圍比 Si 還要狹窄。但因為吸收係數較高，所以用砷化鎵製作的太陽能電池的效率也比較高。

總之，GaAs 是效率相當高的太陽能電池材料。然而成本較高是它的缺點，只能用於人造衛星等特殊用途上。即使如此，研究人員們仍在努力開發出成本更低、效率更好，以化合物半導體製成的太陽能電池。

——本文摘自《圖解半導體：從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》，2022 年 11 月，台灣東販出版，未經同意請勿轉載。

你知道台電有個電力研發基地嗎？台電綜合研究所因應電力研發試驗需求設立，至今已超過 20 年，平均每年進行近 400 項研究專案，是我國電力研究重鎮，今年更首次公開展出研究成果，舉辦「綠潮-2022 台電綜合研究所成果展」，今（14）日在板橋車站旁、全台首座綠能主題展館的「電幻 1 號所」盛大開展。台電表示，此次共展出 25 項電力研究成果，將電力專業知識轉化為與你我相關「看得懂的研究」，今日起免費展出至 10 月 14 日，歡迎民眾一同探索、揭開電力研發基地神秘面紗。

台電今日上午於電幻 1 號所舉辦「綠潮-2022 台電綜合研究所成果展」開幕活動，現場由中央研究院院長廖俊智、國家實驗研究院院長林法正及台電代理董事長曾文生等各界貴賓共同為展覽揭開序幕，並於希爾頓酒店舉辦「智能綠電新未來論壇」，邀請美國電力研究所（EPRI）、亞太能源研究中心（APERC）及彭博新能源財經（BNEF）分享國際電業趨勢，與產官學界進行深度對談。

台電說明，台電研發機構最早可追溯到1968年創立的「電力研究所」，隨研究需求及規模擴張，2001 年正式成立「綜合研究所」至今，扮演著支撐穩定供電、帶動能源轉型的電力核心技術關鍵研究單位，台電綜研所近年積極投入低碳能源與友善環境相關研究，並持續與美國電力研究所（EPRI）、彭博新能源財經（BNEF）等組織進行國際技術交流，以科學研究務實推動能源轉型。

台電指出，此次成果展以「綠潮」為主題，取自「綠」能與國際浪「潮」，突顯綜研所除致力綠能研究，更時刻與國際接軌。展覽共分為「Future、Power、Smart、Green」四大展區，展出 25 項電力研究成果，並第一次與YouTube影音平台訂閱超過 40 萬人、全台最大知識科普社群 PanSci 泛科學合作，將專業電力知識轉譯，搭配擬真模型、解說影片及 VR 裝置等生動有趣互動模式，主打「看得懂的研究」首次對外展出，期望打開民眾對電力的想像與視野。

台電也分享展覽 3 大「必看亮點」，首先推薦「Future」展區可看見未來智慧城市樣貌的「未來電桿」。台電說明，全國電桿數量超過 300 萬支，隨時都可能有各種如颱風天災等突發狀況，台電讓電桿搭載感測器，並結合 AI 影像辨識技術人工智慧及物聯網技術，使電桿具有自動檢測控制功能，目前先於桃園、新竹地區試驗，未來廣泛布建後，除可遠端即時掌握電桿狀態、提升搶修維護效率，更可讓電力線路基礎設施成為能源網路，甚至是城市資訊數據的傳輸平台。

而國際正夯的「碳捕捉」技術也可在展覽中的「Green」展區一探究竟，台電將位於台中電廠已實際投入發電機組排碳捕捉的碳捕集設備，打造成結合科技感互動與聲光展示的「超擬真」模型，直接搬到展場。此設備未來更將以年碳捕捉量 2000 噸為目標。

台電此次展覽亦第一次對外發表國內首創的「產業動態指數」，綜研所分析近3萬具高壓智慧電表所收集的電力大數據，並依據產業用電特性，結合生產力指數、節假日及氣象等多元資料，透過 AI 模型演算，建構出可每日即時更新的經濟領先指標「產業動態指數」，目前已透過 B2B 商業模式，提供企業作為產業發展分析重要依據。

台電表示，此次綜研所成果展自今日開幕，將於電幻1號所展出至 10 月 14 日（開館時間 10：00-18：00，週一休館），歡迎有興趣的民眾前來探索台灣電力研發基地的神秘面紗！