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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。

現代科學對「情緒有其必要」的看法並不一致，也有人認為情緒比反射行為好不到哪兒去。

事實上，不到半個世紀以前，認知心理學家艾倫．紐厄爾（Allen Newell）和諾貝爾獎經濟學家司馬賀（Herbert Simon，但他並非以這個題目獲獎）等學者仍堅信人類思考乃是以反射為基礎。一九七二年，紐厄爾和司馬賀讓受試者回答一系列邏輯、西洋棋與代數謎題，要求他們一邊解答、一邊交代自己的思考過程。^[1]

「思考」的過程，其實只是一種反射動作？

兩人把受試者解謎的過程錄下來，煞費苦心地一段段分析，試圖找出規律性。他們的目標是找出並描述每一位受試者的思考法則及特徵，藉此建立人類思考的數學模型，期望利用這套模型深入了解人類心智，找出發明「智慧型」電腦程式和超越邏輯線性極限的方法。

紐厄爾和司馬賀認為，人類的理智行動——也就是「思考」——其實就是比較複雜的反射系統罷了。

說得更精確一點，兩位學者相信思考可以用「生產規則系統」（production rule system）這套模型來解釋：意即思考是一套邏輯嚴謹的「條件陳述式」（if-then）規則集合，而「思考」這種反射就是執行這套規則所得到的結果。

譬如西洋棋有一條規則是：如果對方將了你的國王，你得立刻移走國王。生產規則系統讓我們在面對抉擇時更容易做出選擇，繼而影響行動（比如我們或多或少會不經意採用「如果有人向我乞討，直接忽略即可」這條法則）。

假如人類思考當真只是一套大型生產規則系統，那麼我們跟那些成天跑大數據的電腦應該沒什麼不同。不過，紐厄爾和司馬賀的想法並不正確，兩人的努力自然付諸東流。

若能了解兩位學者假設失敗的原因，或許就能更明白情緒系統的目的和功能。

用例題試想「生產規則系統」為何失敗

一組生產規則指令如何產出可應用於簡單系統的完整行動策略？假設屋外氣溫不到零度，而你想寫一套恆溫程式，讓室溫維持在一定範圍內——就設定在攝氏二十一到二十二度之間好了，那麼只要利用以下兩條規則就能辦到：

• 規則一：若室外氣溫低於攝氏二十一度，啟動暖氣。
• 規則二：若室外氣溫高於攝氏二十二度，關閉暖氣。

不論你家的暖氣是快要散架的老東西、抑或聰明的現代系統，這兩條規則都是溫控的基礎原則。

早期的生產規則系統就是靠這類條件式指令建構出來的，複雜程度更高的任務也可以利用規模更大的指令集合來完成。譬如小學生學的減法，包括「減數數字若大於被減數的數字，要從被減數左方借一位來計算」在內的運算法則少說十來條。

某些複雜的應用軟體甚至需要數千條規則指令。電腦科學家運用這些規則指令打造出所謂的「專家系統」expert system）——專為特殊用途設計（譬如醫療診斷、抵押承保等），可模擬人類決策的程式系統。生產規則系統應用在這些領域勉強還算成功，但成果有限，且不適合作為模擬人類思考的基本模型。

紐厄爾和司馬賀的根本錯誤在於，他們忽視人類生活的豐富程度。大腸桿菌這類構造簡單的生物確實能靠幾條反射規則過活，但生活條件更複雜的物種根本辦不到。

生活中看似簡單的任務也沒辦法系統化

就拿「如何避開腐敗或有毒食物」這種看似簡單的任務做例子吧。

這類食物有的能靠氣味辨別出來，但「不好聞」的氣味實在多不勝數；其他時候或可利用外觀、味道或觸感作為「不可食」的信號，但這類特質也同樣能以多種形式呈現（譬如酸掉的牛奶和發霉的麵包不論外觀或氣味皆截然不同）。

此外，這類判斷指標的「程度」也很重要：如果眼前有一道看起來可疑、聞起來還算可以的餐點，各位可能會依找到其他食物的挑戰程度和可能性，選擇接受或不接受這份餐點。

又或者，就算味道聞起來完全沒問題，各位仍舊可能會因為食物外觀太詭異而選擇放棄；再不然就是你無論如何都會吃掉它，因為你餓壞了，你的身體需要養分。若要將這套非黑即白、定義狹隘的死板規則套用在各種可能的「情境—反應」組合上，大腦肯定會燒掉，因此我們需要另一套辦法。

另一套辦法就是情緒

在反射架構下，特定誘因——譬如「牛奶聞起來有點酸，但我已經好幾天沒吃東西，附近大概也找不到其他食物和飲水了」——會自動產生一個專門處理這種狀況的反應（譬如「喝掉牛奶」）。

但情緒完全不是這樣運作的。引發情緒的誘因大多模稜兩可（牛奶看起來／聞起來怪怪的），且誘發的直接產物並非「動作」，而是某種程度的情緒（隱約感到噁心）。

這時，大腦會琢磨這股情緒，一併考量其他因素（我好幾天沒吃了，而且附近可能沒有其他食物），然後計算如何反應——此舉免除了動用「誘因—反應」制式規則此一浩大工程，並且納入更多彈性：我們可能會想出許許多多、各式各樣的做法（「不為所動」也算），然後做出深思熟慮的決定。

在決定透過哪種反應回應情緒時，大腦考量的因素很多，就前述例子來說即是「飢餓程度」、「是否願意冒險、繼續尋找其他食物」及其他情境條件。

情緒會影響我們的行為模式

這時理智就來湊一腳了：一旦情緒被挑起，心智就會根據事實、目標、原因理由和情緒等幾項元素進行計算，產生行為。若情況複雜，這種結合情緒和理智的反應路徑能更有效率地提供可行解方。

高等動物的情緒還有另一個重要角色：延長反應時間。在情緒被事件挑起之後，這段空檔能讓理性思維介入，策略性地緩和或延遲我們對該事件的直覺反應，等待更適當的反應時機。

比方說，假設你的身體需要營養，而你剛好看見一袋玉米片；若是反射主導，你一定會不假思索、抓來就吃。但演化在這道反射程序中多加了一道關卡，故即使身體需要營養，你也不會想都不想、看到什麼吃什麼——你會餓。

飢餓會使你想進食^[註]，但你對這個情境的反應不再是不假思索、自動發生。你會評估狀況，然後決定放棄玉米片，這樣才有肚子容納晚上要吃的雙層培根起司堡。

又或者，你打給電信公司詢問某項服務，但對方有夠愛理不理的。如果人類完全靠反射行事，這時你大概會直接抓狂、飆出「去死啦！ 你這白癡」這種話；但事實上，對方的態度只會引發你憤怒或挫折的情緒。

情緒會影響大腦消化處境的方式，也讓你的理智得以發聲。所以你說不定還是會抓狂，但至少不會氣到腦筋一片空白；你或許會漠視抓狂的衝動，深呼吸，然後告訴對方：「我明白你們的規定，不過請容我告訴你為什麼我的狀況可能不適用這條規定。」

情緒也適用在其他動物身上

情緒在非人動物身上也有同樣的功能，其中又以靈長類最明顯——譬如行為學家法蘭斯．德瓦爾的《黑猩猩政治學：如何競逐權與色？》（Frans De Waal, Chimpanzee Politics: Power and Sex Among Apes）。假如你是黑猩猩，肯定邊讀邊冒冷汗。

書中描述，年輕的公黑猩猩若是被某一頭母黑猩猩給撩到了，牠會等待時機，在母黑猩猩配合下避開大頭目耳目，偷偷與之相好（理由是牠可能因此受懲罰）。^[2]

另一方面，大頭目一個一個幫小弟們理毛時，如果遭到某年輕公黑猩猩挑戰，當下牠可能置之不理，然後在隔天發動報復攻擊。還有，如果黑猩猩媽媽的小寶寶被另一隻年輕母黑猩猩搶走，牠會躡手躡腳欺近，在不傷到孩子的前提下伺機搶回來。

任教於加州理工學院、同時也是美國國家科學院院士的大衛．安德森教授（David Anderson）這麼說：「『反射』是由非常特別的刺激所引發的特定反應，而且這個反應是立即的。如果我們一輩子就只會遇到這些刺激、只需要這類反應，那沒問題；然而在演化的某個節骨眼上，生物體需要更多彈性來應付環境刺激，因此才發展出形形色色的『情緒』積木，補足這一塊。」 ^[3]

註解

近代的研究將飢餓、口渴和疼痛歸類為「原始」或「穩態」情緒（primordial / homeostatic emotion），負責維持生理平衡。

參考資料

1. Richard M. Young, “Production Systems in Cognitive Psychology,” in International Encyclopedia of the Social and Behavioral Sciences (New York: Elsevier, 2001).
2. F. B. M. de Waal, Chimpanzee Politics: Power and Sex Among Apes (Baltimore: Johns Hopkins University Press, 1982).
3. 2018 年 6 月 13 日安德森訪談紀錄。

——本文摘自《情緒的三把鑰匙：情緒的面貌、情緒的力量、情緒的管理－情緒如何影響思考決策？》，2022 年 8 月，網路與書出版，未經同意請勿轉載。

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• 本文與台灣科技媒體中心合作，內文經泛科學改寫。
• 本文轉載整合自台灣科技媒體中心《「高溫影響太陽能板效率？」專家意見》
• 資料更新至 2022 年 8 月 1 日，完整文章請見上方連結

太陽能板的標準測試條件：25°C

7 月 25 日，台灣媒體引述歐洲新聞台（Euronews）報導，指出歐洲連日高溫與熱浪，可能會阻礙太陽能板發電。新聞指出太陽能板多數在理想溫度（25°C）的氣溫下測試效能，而這也是最佳發電條件。若高於這個溫度，太陽能板的發電效率會開始下降。對此，台灣科技媒體中心邀請專家解釋台灣的太陽能板發電效率。

臺灣的「矽基太陽能板」有同樣的問題嗎？

台灣科技大學電子工程學系特聘教授 魏榮宗

Q1：現在台灣設置最廣泛的矽基太陽能板，也是在攝氏 25 度的氣溫情境下，測試發電效率嗎？如果是的話，測試情境與實際發電效率的落差有多大？如果不是，台灣的測試情境為何？

為了統一評估太陽能板的發電效果，國際上規範太陽能板標準測試條件（Standard Test Conditions , STC）為 25℃、照度 1000W/m²，AM1.5 標準光譜^[1]之情境。依照目前的太陽能板測試數據，溫度每上升 1℃，太陽能板電壓就會變小，導致輸出功率下降 0.35%^[2]；但溫度越低，輸出功率反而增加。台灣夏天溫度高，太陽能板的表面溫度約在 45~65℃ 之間，換算下來，約降低 7% 至 10.5% 發電功率。

Q2：新聞提到，在上一波熱浪期間，德國的太陽能發電打破紀錄。對於「發電量破紀錄」跟「發電效率可能降低」之間，似乎有概念上的落差，我們該怎麼理解才正確？

雖然太陽能板受溫升影響而降低效率，但實際上，夏季日照時間最長，太陽光垂直照射太陽能板使輸出電流更高^[3]，所以即便扣除 7 至 10.5% 的發電功率以及下雨影響，台灣夏季平均每日發電量仍高於冬季 40-60%^[4]。德國緯度比台灣高，夏冬日照時間差距比台灣更大，熱浪期間長期不下雨，增加發電量的比例遠高於溫升影響，所以發電量破紀錄是必然現象。

Q3：對於高溫可能降低太陽能轉換效率，我們有什麼措施或是技術，來因應氣候變遷的挑戰？

1. 太陽能板架設時，要預留下方空間給空氣流通。
2. 三角屋頂施作時，應避免貼平烤漆板，盡量以自然風散熱，降低太陽能板溫度。
3. 研發太陽能板不易受溫升影響發電效率的電池片。十年前，影響大約每度溫升影響發電效率 0.5%，目前已經下降至 0.35%，期待未來可以進一步降低溫升影響。

不可忽視的關鍵——日照量

成功大學光電科學與工程學系教授 陳昭宇

太陽能電池的效率，必須在特定的標準測試條件（Standard Test Condition, STC）下量測，這樣不同的實驗室或研究團隊所得到的數據才能互相比較。這些條件包含了 1000W/m²  的光照強度、攝氏 25 度與特定的太陽能光譜分佈（AM 1.5G）。然而，當太陽能電池真正應用時，情境大不相同。

矽晶太陽能電池的轉換效率，的確會隨著溫度的上升而下降。就算沒有熱浪來襲，屋頂型太陽能電池的工作溫度，在晴天也會處於 40 度到 50 度左右，基本上不會以 25 度的條件發電。一般太陽能模組溫度每增加一度，太陽光電板之效率將降低 0.4% 至 0.5%，因此相對於沒有熱浪的情況而言，熱浪所增加的高溫對於效率的降低可能只是很小的影響。

而發電量是「光照強度」×「轉換效率」，炎熱的天氣通常伴隨著較強的日照，很少遇到炎熱的陰天或雨天，這意味著光照強度整體上升。因此，大部分高溫情況下會得到較高的發電量，是因為日光強度提升，彌補了發電效率的下降。就好比一張滿分 100 分的考卷，你答對九成，分數是 90 分；滿分是 120 的考卷，你答對八成，分數則是 96 分。

圖一是 7 月 26 日，成大光電系系館頂樓太陽能系統的發電情形。紅色是溫度，綠色是日照量，藍色是發電功率——發電功率與日照量是高度相關的！

圖二是 5 月 2 日，溫度只有攝氏 20 度左右，接近太陽能最佳轉換效率之溫度。然而，因為日照大量減少（綠色），因此發電量也大減。

因此，該篇報導只注重轉換效率與發電量，未考慮到日照量的變化，是錯誤的連結。

另外，值得一提的是，歐洲地區的用電尖峰是在冬天為了避寒，然而這個季節的太陽能發電量是相對較少的。台灣的情境剛好相反， 我們的用電尖峰是在夏天，太陽能的供應相對高，因此我們在供給與需求的匹配上比較有利，地理條件對於使用太陽能支援尖峰供電也相對容易。

註解

• 註一：太陽輻射進入地球時，會受不同的入射角度與大氣層厚度影響；AM1.5 標準光譜是指太陽光以 48.2 度夾角，穿過 1.5 倍大氣層到達地表的平均輻射照度。
• 註二：元晶模組規格書
• 註三：氣候月平均／日照時數
• 註四：台電自有太陽光電發電運轉實績