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小行星Scheila奇怪的3條塵埃尾現象有解

臺北天文館_96
・2011/11/05 ・1424字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 500 ・六年級

由韓國首爾大學(Seoul National University)、日本國立天文台(National Astronomical Observatory of Japan,NOAJ)、日本太空航空科學研究所(Institute of Space and Astronautical Science,ISAS)和日本神戶大學(Kobe University)等機構的行星科學家和天文學家,找出可以解釋第596號小行星Scheila擁有3條塵埃尾(dust tails)如此特殊現象的原因。他們認為在2010年12月3日時,應有另一顆直徑約20-50公尺的小行星,從背對地球的Scheila後方撞擊,才會讓當時的Scheila突然異常增亮,並形成3條奇怪的塵埃尾;而此現象也讓Scheila成為數量極少的主帶彗星之一。(此新聞所用時間日期均為國際標準時,UT)

在2010年12月11.4日,卡塔利納巡天計畫(Catalina Sky Surve)的Steve Larson注意到Scheila亮度異常增加;由於Scheila位在火星與木星之間的主小行星帶中,按理來說,這樣的小行星應該不會有這樣短時間內亮度異常增亮的現象。經由哈柏太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)和史威福觀測衛星(Swift Satellite)的觀察,天文學家發現Scheila應該是受到另一顆更小的小行星撞擊,才造成Scheila出現類似彗星的彗尾特徵。然而,Scheila從小行星突然變成彗星的問題雖解決了,但另一疑問再起:這些塵埃尾是在何時發生的?為何一口氣會形成3條彗尾般的塵埃尾特徵?

在Scheila異常增亮後不久,這些天文學家馬上利用8.2米昴望遠鏡主焦點相機、石垣天文台(Ishigakijima Astronomical Observatory)1.05米Murikabushi望遠鏡、夏威夷大學2.2米望遠鏡進行觀測,觀測時間長達3個月以上。圖一上方是Murikabushi望遠鏡在20101年12月12日與19日拍攝的結果,可見塵埃尾的發展。雖然小行星大體上看起來像一個星點,但Scheila看起來卻像彗星。3條塵埃尾的亮度隨時間逐漸降低,最後偵測不到塵埃雲團時,整幅景象變成出現一個昏暗的線性結構。圖一下方是昴望遠鏡於2011年3月2日拍攝的結果。從這些線性結構的影像,這些天文學家估計彗尾輻射出現於2010年12月3.5日,誤差為±1日。Steve Larson注意到Scheila開始亮度異常增加的影像攝於2010年12月3.4日,因此,小行星撞擊Scheila的時間點應該就在12月2日12時~12月3日10時之間。

Figure 1: Top: Optical images of Scheila at three different epochs with different telescopes. Images of the triple dust tails were taken on the 12th and 19th of December 2010 using the Murikabushi Telescope. Bottom: Suprime-Cam on the Subaru Telescope captured this image of the linear structure on the 2nd of March 2011. 圖一

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另外,為了解釋Scheila的3條塵埃尾的成因,這些研究人員利用電腦模擬Scheila在12月3日的塵埃尾出現的狀況,並與在ISAS實驗室的撞擊實驗資料進行比對。圖二是傾斜撞擊所造成的噴濺物(ejecta)型態,其中有2項最明顯的特徵。第一個特徵就是沿撞擊方向所產生的羽狀散佈(downrange plume),應是撞擊碎片或是撞人的小行星蒸發的結果;另一特徵就是撞擊當時,從撞擊點向外擴散的震波會將小行星表面物質挖出向外噴濺,且噴濺物被這些震波推成圓錐狀(conical impact ejecta),圓錐軸心幾乎與撞擊點的表面垂直,最後在撞擊點留下一個隕坑。

Figure 2: Sequence of events after an oblique impact: (a) Object impacts another and generates a shock wave; (b) and (c) increased development of two prominent features, i.e., a downrange plume and conical impact ejecta. 圖二

這些研究人員認為:應該就是這兩個過程造成了Scheila的3條塵埃尾,之後太陽光又將這些塵粒逐漸推離Scheila。經過大量模擬和實驗之後,他們只找到一個幾乎與觀測影像相符的狀況,那就是當小行星從Scheila的後方斜斜撞擊Scheila的結果。(圖三和圖四)

Figure 3: Image showing the result of a vast number of computer simulations to reproduce the shape of Scheila triple dust tails observed on December 12, 2010. 圖三

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Figure 4: Orbits of the impacting asteroid and Scheila on December 3, 2010, assuming an impact angle of 45 deg relative to the surface normal vector. Top: Face-on view, projected on the ecliptic plane. Bottom: Edge-on view, projected on the X-Z plane. 圖四

Scheila發現於1906年,發現者德國天文學家August Kopff以他認識的一位英國女學生的名字來為這顆小行星命名。

資料來源:Researchers Explain the Formation of Scheila’s Unusual Triple Dust Tails[2011.10.19]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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平民登月計劃?核融合真的來了?——2023 最值得關注十大科學事件(下)
PanSci_96
・2023/01/31 ・3226字 ・閱讀時間約 6 分鐘

在上一篇中,我們介紹了將在 2023 年發生的五個醫藥健康大事件。

延伸閱讀:
用迷幻藥治憂鬱?基因編輯療法將通過批准?——2023 最值得關注十大科學事件(上)

這次我們轉向能源、宇宙與科技領域,從首趟平民月球之旅、物理學的標準模型新發現,再到第一個核廢料永久儲存設施正式營運!

No. 5 氣候與能源衝擊

世界各國能否聽從科學家的警告,採取實際行動,朝淨零之路前進嗎?看起來不行。由於疫情與俄烏戰爭,去年 11 月在埃及舉辦的「聯合國氣候變化會議 COP27」幾乎是原地踏步。

不過還是有一個重要的決議,那就是建立氣候損失和損害基金。根據協議,排放量較高的富裕國家將在經濟上補償受氣候變化影響最大的貧窮國家。「過渡委員會」將於 2023 年 3 月底前舉行會議,提出資金運用的建議,並在 11 月的 COP28 會議上提交給世界各地的代表。

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至於核能的部分,新型核分裂發電與核融合發電,都會在 2023 年有所進展。

另外,世界上第一個核廢料儲存設施,今年將在芬蘭西南海岸外的奧爾基洛托島正式啟用。這個由芬蘭政府於 2015 年批准建造的地下處置庫,將負責封存超過 6500 噸有放射性的鈾;這些鈾會被裝在銅罐中,再用厚厚的粘土覆蓋,最後埋在地下 400 公尺深的花崗岩隧道內,預期將被密封數十萬年,直到輻射水平達到完全無害的程度。

另一個好消息是,今年 1 月 1 日就任的巴西總統——魯拉(Luiz Inácio Lula da Silva),將推翻前任總統開放的雨林開發,保護生態與文化。

然而深海則有新危機。若 2023 年 7 月前,聯合國的國際海床管理局(ISA)沒能讓各國對深海採礦管理準則達成共識,那海底的礦產資源可能會被某些政府和企業盯上,不受限制地開挖,海洋生態將迎來浩劫……。

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許多關於能源的抉擇包含了科學和政治,能源短缺也激勵了綠能跟潔淨能源的投資力道及採用意願;至於今年還會不會發生更棘手的麻煩?使能源轉型更加舉步維艱。

巴西新任總統推翻雨林開發,保護生態與文化。圖/Envato Elements

No. 4 超越標準模型

2022 年 4 月,美國費米國家加速器實驗室的物理學家,公佈了渺子 g-2 實驗的首批結果;這項實驗研究了被稱為「渺子的短命粒子在磁場中的行為」。

過去 50 年來,標準模型(Standard Model)[註]的理論預測通過了所有測試,但其實物理學家普遍認為標準模型肯定還不完備,並且認為可以從渺子身上找到破綻;如果今年再次公佈更精確的數據,顯示渺子的磁矩比理論預測來得大,那就代表還有新粒子等待被發現,而標準模型就得修正。

位於中國廣東的江門地下的微中子實驗觀測站,也將在今年展開尋找超越標準模型的物理學之旅;利用位於地下七百公尺的探測器,來準確測量微中子的振盪。

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註:標準模型為能描述強核力、弱核力、電磁力這三種基本力,以及所有物質基本粒子的理論。

另外,物理學家們在今年會有升級的新設備。第一個是 LCLS-II 直線加速器相干光源 2 代(Linac Coherent Light Source-II),它將創造終極 X 射線機器,看到分子內原子的運動!另一個則是新的重力波獵人—— Matter-Wave Laser Interferometric Gravitation Antenna(物質波雷射干涉重力天線);這個設施把銣原子冷卻成「物質波」,能夠梳理黑洞和其他超大質量天體碰撞產生的時空漣漪,揪出現有重力波設施錯放的事件,甚至可以幫我們尋找暗物質!

而在瑞典隆德附近、由歐洲 17 國攜手成立的歐洲散裂中子源(ESS),將使用史上最強大的線性質子加速器產生強中子束,來研究材料的結構;雖然預計 2025 年才會完工,但於今年迎來第一批研究人員,開始實驗。

No.3 就是要抬頭看天空

許多人心中 2022 年科學事件第一名,正是韋伯太空望遠鏡傳回的驚人照片;沒有意外的話,韋伯在 2023 年會繼續大顯身手,揭露星系演變的真相,與遙遠系外行星的生命印記,找尋地球之外的生命。

今年還會有更多驚喜!來自於新的太空望遠鏡,如:由歐洲太空總署開發的歐幾里得太空望遠鏡,今年發射後將繞行太陽六年,拍攝宇宙的 3D 圖;日本宇宙航空研究開發機構 JAXA 的 X 射線成像、光譜任務 XRISM,則是繞地球軌道運行的太空望遠鏡,將探測來自遙遠恆星和星系的 X 射線,預計在今年 4 月升空。

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在地球上,位於智利的薇拉魯賓天文台(Vera C. Rubin Observatory)將於今年 7 月啟用;其望遠鏡採用特殊的三鏡面設計,相機包含超過 30 億像素的固態探測器,每三個夜晚就能掃描整個南天,也是監測可能危害地球小行星的守護者之一。而世界上最大的可動望遠鏡——新疆奇台射電望遠鏡(QTT)也將在今年完工;其口徑達 110 公尺,能夠觀測天空中 75% 的星星。

詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope,JWST)去年發布的圖片——史蒂芬五重星系。圖/維基百科

No. 2 好多月球任務,還有一個鐵小行星

2022/12/11 這天,包括阿拉伯聯合大公國的拉希德漫遊者月球車、NASA 的月球手電筒立方衛星、以及日本的白兔 HAKUTO-R M1 登陸器,共同搭乘 SpaceX 的獵鷹九號發射升空;HAKUTO-R 如今正緩緩帶著拉希德前往月球,預計在今年 4 月著陸。

而印度太空研究組織 ISRO 的第三次探月任務月球飛船 Chandrayaan-3,預計今年年中發射,並於月球的南極著陸。

還有首次民間人士的月球之旅 dearMoon。SpaceX 的 Starship 將載著 11 位平民上太空,包含創業家、明星跟 YouTuber;如果 Starship 成功發射,將會成為史上最大的火箭。Blue Origin 的 New Glenn 也預計在今年首度發射。若兩者都成功,將推動太空科學與商業進入新時代,讓進入太空的成本大幅下降。

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歐洲太空總署的木星冰月探測器 JUICE 也將在今年 4 月升空,並於 2031 年抵達木星系統;目標是研究木星以及三顆衛星:木衛二三四的環境,了解他們有沒有可能支持生命存在。

NASA 將於今年 10 月後發射延遲了一年的 Psyche 靈神星小行星軌道飛行器,其研究對象為 16 Psyche 靈神星小行星;科學家認為它可能不是一般的小行星,而是一顆年輕行星裸露的鐵核心。如果今年順利發射,將在 2029 年到達。 

看來對太空迷來說,2023 又將是幸福熱鬧的一年。

由超大型望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)拍攝的靈神星。圖/維基百科

No.1 GPT-4 跟 AlphaFold 的衝擊波襲來

借過借過,AI 已預約登上 2023 年最大科學事件!

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如果 GPT-3.5 開發的 ChatGPT 還沒有嚇到你,那 GPT-4 就要來了!

而在科學領域,DeepMind 的 AlphaFold 帶來的衝擊不亞於 ChatGPT;它能夠根據蛋白質的一維氨基酸序列,準確預測折疊後的三維形狀,對生物與醫療研究影響非常大。 AlphaFold 2 於 2021 年發布了另外 2 億多種蛋白質的結構,幾個月來,來自 190 個國家/地區、超過 50 萬名研究人員,使用 AlphaFold 研究了 200 萬種不同的蛋白質結構。另外,Meta 的 ESMFold 的速度甚至又比 AlphaFold 快 60 倍,預測的蛋白質超過 6 億種!

基於 AlphaFold 跟 ESMFold 的研究量將大大增加,這些龐大新知識也將開始應用於各學科,包括新疫苗和塑膠開發。

法規管制總是比科技進步緩慢,隨著 AI 越來越強大、滲透到社會的方方面面,各國政府必須回應。歐盟在今年將通過人工智慧法案,為使用人工智慧制定標準,其他國家和科技巨頭將密切關注,跟進與調適。

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圖/GIPHY

以上就是「2023 最值得關注十大科學事件」,你最期待的是哪一個?哪個是你心中的 No.1?又有哪些我們漏掉了,但你覺得該列入的呢?歡迎留言討論!

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 鎖定 2023 年的每一個科學大事件!

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

台灣東販
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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。