太陽能板力圖擺脫稀有元素

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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.

國民法官生存指南：用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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。

「隨手關燈，節能減碳」這是在我們日常生活中，絕對會看見或聽見的標語！在家裡被爸爸媽媽隨時叮嚀、到學校被老師耳提面命、忘記關燈而被罵的記憶肯定不會少。

建立節能好習慣很重要，但我們現在還有哪些跟能源相關的永續行動呢？

台灣的發電來源，主要仰賴燃煤、燃氣等化石燃料，比重高達80%，但提供穩定電量讓人類使用的同時，卻也大量排放二氧化碳及空氣汙染物、加劇氣候變遷，灰濛濛的天空就是最直接的證據。

近年，政府積極推動能源轉型，希望降低對化石燃料的依賴，發展再生能源，尤其是太陽光電和離岸風力發電。

像是今年夏天，家長跟小朋友都很期待的「班班有冷氣」政策，除了讓大家可以舒適上課，也同步規劃「校校會發電」，降低對地球的負擔。

不過大家有發現，學校的發電設備裝在哪裡嗎？

原本烈日長期曝曬，又熱又空的學校頂樓，竟然可以搖身一變，成為設置太陽能板的最佳基地！而當地球最豐沛的資源——陽光，照射到板內的矽晶片時，光子會撞擊電子並產生電流。

這些我們肉眼看不到的次原子粒子，卻悄悄在太陽能板中移動，而且發電的過程不會排放任何溫室氣體，也不會造成空氣汙染，非常不可思議！

也許我們都沒想過，學校可以從原本「電的消費者」變成「電的供給者」，將能源轉型落實在校園中，那麼大家趕快找個時間，去看看自己的學校，有沒有用來發電的太陽能板吧！