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詭異太陽電池創下轉換效率新高

NanoScience
・2012/06/15 ・921字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 528 ・七年級
圖片來源:Jeda Villa Bali@Flickr,根據創用CC-By 2.0條款使用

美國科學家研發出吸收光與發射光效率一樣好的新型太陽電池,能將 28.6% 的太陽光轉換成電能,為目前單接面(single-junction)太陽電池中轉換效率最佳者,超越了 2010 年創下的最高紀錄 26.4%。

科學家早在 1961 年就知道,太陽電池能從陽光中獲取能量的比率上限約為 33.5%,然而至今尚無技術能得到接近此理論值的吸收率。最近,加州大學柏克萊分校 Eli Yablonovitch 及其學生 Owen Miller 藉由模仿發光二極體的發光行為,研發出轉換效率更佳的太陽電池,換言之,此新型太陽電池同時擁有高吸收率和輻射率,事實上它是藉由控制輻射來增加轉換效率。

柏克萊團隊發現能輻射更多光子的太陽電池不僅擁有較高的轉換效率,產生的電壓也較高。Yablonovitch 指出,此結果看似弔詭且違反直覺,他們是在試圖改善實驗得到的轉換效率與理論值差異時,發現上述關連,關鍵就在光的吸收與輻射之間的數學關係,牽涉到所謂的「光子管理」(photon management)。

傳統的光子管理是控制入射太陽電池的光子使其儘可能製造出最多電子,進而產生最大電流。但 Yablonovitch 提出另一種觀點─不僅控制入射光子,也控制出射光子,讓在電池中『迷路』的光子順利出射。在一般太陽電池中,來太陽光子照到半導體,激發出自由電子,但此過程也可能產生新的光子,稱為「發光輻射」(luminescent emission)。由於吸收和輻射之間有基本的熱力學關聯,設計出會發光的太陽電池連帶會使電池產生的電壓增加。

此新穎概念已經被 Yablonovitch 與加州理工學院物理學家 Harry Atwater 於 2007 共同創立的公司 Alta Devices 付諸實現,其太陽電池原型是以砷化鎵製成,能量轉換效率約為 28.6%。Yablonovitch 指出,太陽電池基板的品質通常要求不高,致使基板成為輻射光子的流失管道;Alta Devices 將基板和電池分開,不只提高了轉換效率,基板還能回收使用,降低生產成本。這種新開發的太陽電池厚度和傳統一樣只有 1μm,雖然使用的材料是砷化鎵但造價卻便宜多了,目前已經在量產中。

Yablonovitch 預期研究人員在未來幾年內能將轉換效率逼近 30%。由於此研究成果適用所有的太陽電池,可能會對該領域造成全面影響。詳見近期的 Journal of Photovoltaics。

譯者:姚淳颺(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Quirky solar cell sets new efficiency record—physicsworld.com [2012-04-26]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-05-28]

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NanoScience
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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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