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亞洲的太陽能增長可能會增加鉛中毒

SciDev
・2011/09/21 ・918字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 506 ・六年級

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Flickr/Barefoot Photographers of Tilonia

[新德里]根據上週(8月31日)發表的一項研究,中國和印度利用更多的太陽能電力的規劃可能增加鉛污染。

根據美國田納西大學的科研人員對政府規劃的分析,這一舉動可能在中國和印度釋放240萬噸以上的鉛污染。這是由於這兩國的離網太陽能使用鉛酸蓄電池儲存能量。

該研究組還發現,從鉛的總開採量、提煉、電池生產中的使用量以及回收看來,這兩個國家都有大量的鉛洩露到環境中——中國的數字是33%,印度是22%。這些發現發表在了《能源政策》(Energy Policy)雜誌上。

印度打算到2020年增加12吉瓦的太陽能,包括分發2000萬盞太陽能燈。這組作者說,它打算向沒有接入電網的8萬個村莊提供可再生能源——其中25%的村莊不適合接入電網——因此它將依賴於鉛蓄電池。

印度電池生產、鉛開採和回收產業的低效率意味著鉛洩露到環境中的數量很可能很高。根據印度和中國的新電池生產單元的排放數字,這組作者估計鉛排放相當於全世界鉛總產量的1/3。

他們把這種高排放歸結於環境標準的管理不足。作者之一的Chris Cherry說:「鉛污染控制在管理空間中相對較新,因此不存在遺留標準或者各國堅持的『規範』」。

在英國Dundee大學研究發展中國家可再生能源系統的Subhes Bhattacharyya對此表示同意,但是他說這個問題主要來自於丟棄電池。

他說:「在歐洲,電池的供應商負責電池的最終處置,即便電池是由其他人使用的。沒有在印度和中國實施這類管制的機制,而且對違反規定者的處罰也非常弱。」

政府代表堅持認為印度的太陽能規劃把重點放在了基於電網的太陽能上,這種情況不需要鉛蓄電池。

印度新能源與可再生能源部光伏發電主任Bharat Bhargava說:「我不認為該研究考慮到了印度把重點放在了基於電網的太陽能上,太陽能使用的鉛蓄電池只佔了印度使用的鉛蓄電池的不到1%。因此把鉛污染歸咎於太陽能是不公平的」

但是Bhattacharya說不太可能在短時間裡開發出與電網相連接的系統。「[鉛]蓄電池的問題來自於小型太陽能系統,在電網無法供電或者沒有電網的地方這些系統被廣泛使用。這類系統的數量數以百萬計,而這個電池問題更加嚴峻。」

鏈接到《能源政策》的論文摘要

參考文獻

Energy Policy doi:10.1016/j.enpol.2011.06.021 (2011)

本文轉載自SciDev,作者Archita Bhatta,20110908

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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將陽光轉變成電能的太陽能電池:太陽能電池不是電池——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/23 ・2778字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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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。

近年來,以太陽能發電的再生能源備受關注。圖/pexels

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。

pn 接面二極體。圖/東販

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。

用光發電的機制。圖/東販

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。

太陽能電池的結構。圖/東販

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。

pn 接面二極體的電子狀態。圖/東販

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]

抵達地表的陽光光譜。圖/東販

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。

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鑑識故事系列:殺「人」取卵,產業蓬勃?!
胡中行_96
・2022/09/12 ・2313字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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「賣腎的人是犧牲自己,挽救掙扎中的家庭;我們為富有人家提供卵子或代孕,卻為旁人所不齒。」[1]這不僅是一名印度少婦的經驗,以及許多當地女性的命運,更是個蓬勃發展的產業。

撇開細微的差異,她們的故事大致都依循雷同的劇情:十幾歲就出嫁,生兒育女,並在商店、廠房或工地等處勞力。後來有的喪夫;有的離異;有的慘遭家暴…總之遇上種種不幸。既不能倚靠丈夫,又得撫養幼兒,獨自背負起經濟重擔,償還債務。正在債臺高築,捉襟見肘的時候,從口耳相傳之間,聽到一個誘人的解決方案:「……那個小姐說,她會帶我去醫院,讓他們打針取卵,然後就可以領錢。我本來有些疑慮,想了一陣子才同意。」[1]

有一個結婚 7 年,育有 4 歲幼女的 23 歲印度少婦,前往生育診所取卵。[註]這名少婦 13 歲初經來潮,月經一向規律,不菸酒不嗑藥,沒有墮胎和流產的紀錄,也無氣喘、癲癇、糖尿病、高血壓或甲狀腺異常等宿疾。陰道超音波顯示子宮與卵巢正常,未罹患多囊性卵巢症候群。基本檢查完畢後,她簽下同意書,開始接受投藥。[2]

正常的月經週期變化。圖/Kaur Jmeb on Wikipedia(CC BY-SA 3.0

她在月經期間使用口服避孕藥。月經週期第 6 至 8 天,每天注射基因重組濾泡刺激激素rFSH 300 IU s/c);第 9 到 15 天改為施打人類停經後促性腺激素HMG 300 IU IM;最後一劑 75 IU)。另外,第 11 至 15 天還要服用促性腺激素拮抗劑GnRH antagonist 0.25 IU)。在第 15 天,診所檢查她血漿裡的雌二醇(E2)和孕酮(P4)濃度,再照一次陰道超音波,然後在晚間 10:30 施打促性腺激素促效劑GnRH agonist “Decapeptyl” 0.2mg s/c),一切準備終於就緒。[2]

月經週期的第 17 天,診所為她做完術前麻醉評估後,手術正式開始。首先施打麻醉劑等藥物,此時她的生命徵象穩定。接著在超音波下,從右邊卵巢抽吸卵泡。就在這個時候,突然間她的血壓、心跳、血氧都急劇下降。然後,她便在急救中死去。[2]

死後的解剖顯示,她的卵巢腫大且有多個穿孔。裏頭有些巨大的卵泡出血,而陰道上端與子宮周邊組織也有血塊。此外,屍體還呈現肺泡內水腫和腹腔積水等現象。因此,被認定罹患卵巢刺激症候群(ovarian hyperstimulation syndrome,簡稱 OHSS)造成的急性肺水腫(acute pulmonary oedema),最後心跳是因缺氧而停止。[2]OHSS 為刺激排卵的不良反應,比較常發生在懷孕初期,或是被人類絨毛膜促性腺激素(human chorionic gonadotropin,簡稱 hCG所觸發;反倒 GnRHa 的目的就是取代 hCG 以預防 OHSS,注射後發病的機率應該極低。[3]偏偏這名 2022 年登上《解剖暨案例報告》(Autopsy and Case Reports)期刊的少婦是個罕見的特例。[2]

ヽ(゚Д ゚; )ノ警告:屍體解剖照片!!ヽ(,,#゚Д゚) ノ

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A:鼻孔冒出泡沫;B:卵泡腫大;C脹大的卵巢和出血的子宮周邊組織。D:腹腔積水。圖/參考資料 2,Figure 1。(CC BY

輕微的 OHSS 症狀,包括:腹痛、噁心、想吐、腹瀉和腹部脹大等,有時會自行痊癒;然而病況若嚴重,也可能出現尿量減少、呼吸困難、產生血塊或體重迅速增加等問題。[4]雖然 OHSS 不一定會鬧人命,但印度近年幾個死於過度取卵的案例,在新聞媒體上吵得沸沸揚揚。2021 年當地政府還為此立定相關法令,[5]只是女性被迫以卵子換取金錢的情形,依然不斷上演。[6]

如同形容貨物一般,印度的仲介用「一批」(a batch),作為一次手術所得卵子的量詞。有貧婦 3 年內,賣了 10 批;而某個喪命的例子,則是在 10 個月內出售 3 批。取卵無法保證每次都順利,若排卵不足,就得領藥回家,下個月再嘗試。[1]卵子缺乏統一售價,2015 年每批最高可換取 6 萬盧比(約當時的新臺幣 3 萬元),但也有些賣不到一半的價格。[7]2020 年印度媒體報導的某一個案,甚至只得到 1 萬 5 千盧比(約新臺幣 6 千元)作為報償。[1]

2022 年 6 月 2 日,印度警方逮捕一名青春期少女的母親及其伴侶,還有二個共犯。據報這名少女從 12 歲開始被迫售卵,4 年內就賣了 8 批。共犯之一負責牽線;另一個則涉嫌偽造身份證件。由於不堪身心虐待,少女逃家向親戚求助,所幸後者幫她報警。此案一次牽連了 4 家醫院,他們的有關部門均遭查封。[6]民間輿論或許會繼續敦促政府,查緝同類犯罪。可是面對全球產值超過二十幾億美金,並且持續成長的商機,[8]還有印度國內貧窮人口的生計問題,不禁讓人懷疑執政者是否真有能力改變現況?

  

備註

該解剖報告未詳述個案就診時,是否預期得到金錢作為報酬。不過,有說明她先前能自然懷孕生產,而此次療程的目的為「捐贈」卵子。[2]這在印度通常就是賣卵的意思。[1, 7]本文所引述的對白,來自另一名女子接受記者採訪時的答覆;[1]而卵子售價的資訊,則取自相關研究與媒體報導。[1, 7]

參考資料

  1. Dharani Thangavelu. (24 FEB 2020) ‘Forced to sell their eggs for fertility treatments, the stories of women from Tamil Nadu’. The News Minute.
  2. Tyagi S, Mridha AR, Behera C. (2022) ‘Sudden death of an egg donor during oocyte retrieval due to ovarian hyperstimulation syndrome’. Autopsy and Case Reports, 12, e2021385.
  3. Orvieto R & Vanni VS. (2017) ‘Ovarian hyperstimulation syndrome following GnRH agonist trigger-think ectopic’. Journal of Assisted Reproduction and Genetics, 34, 9, pp. 1161-1165.
  4. Ovarian hyperstimulation syndrome’. (09 NOV 2021) Mayo Clinic.
  5. Neetu Chandra Sharma. (26 JAN 2022) ‘Govt notifies laws to regulate surrogacy, assisted reproductive technology’. Business Today.
  6. Egg donation case: Goondas Act slapped on teen’s mother and three others’. (08 AUG 2022) The News Minute.
  7. Jadva V, Lamba N, Kadam K, Golombok S. (2015) ‘Indian egg donors’ characteristics, motivations and feelings towards the recipient and resultant child’. Reproductive Biomedicine and Society Online, 1, pp. 98-103.
  8. Donor Egg IVF (In-Vitro Fertilization) Market’. (JUL 2022) Future Market Insights.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。