世界上最大的太陽能橋樑工程開工！！

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。

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。

你願意當未來世代的守護者嗎？

如何維護世代正義，正逐漸受到世界各國的矚目。臺灣也不例外，過去幾年，我們面臨核能去留、藻礁保育、淨零轉型、18 歲公民權等關乎未來環境與國家發展的議題。要不要守護未來世代？多數人都會說要！但如果守護的代價必須犧牲部分利益呢？中央研究院「研之有物」專訪院內政治學研究所冷則剛研究員、淡江大學公共行政學系黃寄倫副教授，從多國設立未來委員會與相關制度的經驗，分析世代正義的政策意涵，更為臺灣找出化解問題癥結的關鍵。

「世代正義」是什麼？

什麼是「世代正義」？世界環境與發展委員會（WCED）於 1987 年發布的《布蘭特報告》（Brundtland Report）中，有關永續發展的定義即提出對世代正義的關懷：

人類的發展能夠滿足當代的需求，且不致危及後代子孫滿足其需求的能力。

換而言之，世代正義要守護的未來世代，主要是尚未出生的未來人類。中研院政治所研究員冷則剛指出關鍵的衝突點。由於未來世代尚不存在，很難為沒有主體的群體主張權利。然而未來世代的命運會受到當代人群的影響，是不爭的事實，因此多數國家就此主張：我們有守護後代子孫永續長存的義務。

冷則剛進一步指出，如果我們用廣義的角度來看，或許將已出生、但還不具備公民權的兒少也納入未來世代，是較能說服人們的說法。

以核能去留問題為例，我們可從中體會現今政策對未來世代的深遠影響。核能發電帶來穩定的電力、低廉的電價，卻也產生核廢料處置及核電廠工程風險評估問題，成為未來世代需一肩扛起的重擔。但是未來世代無法為自己表達意見，有賴當代公民為其做出適當的選擇。

淡江大學公行系副教授黃寄倫表示，世代正義是放諸多國皆有的問題，因民主制度本身與世代權益存在根本矛盾。當代人群對於保護未來世代的「誘因」不足，雖然守護未來世代在道德上很合理，但政治人物會為了「選票」而優先處理當前問題，形成為人詬病的政治短視缺陷。

那麼，我們能否設計出因應此缺陷的監督機制？來看看其他國家如何在體制內設計守護未來世代的機制。

未來世代的守護者——各國的選擇

聯合國環境與發展會議（UNCED）早在 1992 年就提出「未來世代監察員」（Ombudsperson for future generations）與「未來世代守護者」（Guardian for future generations）的運作架構，用來監督會影響未來世代福祉的政策制定、決策及執行狀況。接著，開始有國家在體制內設立「未來委員會」（Future commission），針對相關議題提供充分且易懂的資訊，並改善民眾與政府的溝通管道，讓大眾在做決策時有參考依據。

在設立未來委員會的國家當中，芬蘭、以色列是較為先進的代表，而鄰近臺灣的日本、韓國雖未設立未來委員會，但在國家政策中已開始關心未來世代的權益。

● 芬蘭未來委員會：跨部會的諮詢智庫

芬蘭議會從 1993 年開始運作未來委員會，由 17 名議員組成諮詢智庫，主要職責為與政府部門溝通協商會影響未來世代的政策，包含：能源發展、人口變遷、基因改造作物、資訊科技對高齡者影響等政策。此外，委員會需研擬新政府 4 年任期內的「未來遠景報告」，針對未來經濟、社會、科技發展策略提出建言，檢視與分析各項政策的合理性與正當性。

● 以色列未來委員會：擁有審議權的監督機關

以色列則在 2001 年成立未來委員會，每 5 年為一屆委員會的運作週期，關注自然資源、教育、健康、科技等政策。特別的是，委員會不只是提供諮詢服務的智庫，還能提出法案、調查或調解爭議案件，對於立法者更擁有議案否決權。不過，以色列政府在 2011 年宣布，因經費因素，決議終止委員會的任務。此一委員會短短 10 年即走入歷史。

● 日本的做法：世代正義納入法律保障

日本並未設立未來委員會，而是將未來世代的權益納入法律保障。日本憲法明確規定：「憲法所保障的人民基本人權，應是賦予人民與『未來世代』擁有永恆且不可侵犯的權利。」2015 年，日本政府更通過《國民投票法》修正案，將投票年齡從 20 歲下修至 18 歲，賦予更多年輕世代參與公共事務、謀取未來福祉的權利。

各國世代正義監督機制的共通點為：在功能上，多是跨領域的智庫，形成超越黨派、跨部會的協商平台；在組織上，多在國會中設立，能監督政府施政、與社會大眾溝通。

臺灣的政黨鬥爭：核能公投帶給我們的反思

在討論臺灣如何守護世代正義之前，我們先來釐清臺灣的政治現況。從核四公投即可發現，政黨之爭是導致未來政策懸宕不前的原因之一。各陣營通常只從對自己有利的角度來闡釋意見，最後演變成訴諸政治意識形態的衝突。事實上，擁核或廢核各有其立論基礎，關鍵在政府應該去創造一個讓人民能理性討論的空間，充分了解選擇或放棄核能的優缺點為何？要付出什麼代價？

以南韓的核電廠公民審議為例，時任總統的文在寅於 2017 年上任後，原先承諾停建的核電廠新古里 5、6 號機組，因工程只進行三成就花費高達 1.6 兆韓元（新臺幣約 367 億），決定推動公民審議，交由全民決議是否停建核電廠。在三個月內，南韓政府在全國進行隨機電訪，最終抽出 500 位公民代表，並經歷數場諮詢委員會、公開座談會、電視討論會，以及公民代表與未來世代（高中生）的討論會等。最後，進行三天兩夜的最終綜合討論會，得出公民審議結果。

在充分討論後，最終有 59.5% 公民代表決議恢復核能機組的建設計畫，但也有 5 成民眾希望逐步降低核能發電比例。因此南韓政府決定續建核電廠，也強調未來會朝階段性減核目標邁進，並提出能源轉型路徑。

南韓沒有公投法，只能由政府發起公民審議。反觀臺灣，我們有發起公投的機制，但理性且務實地決議未來政策卻相對不足。冷則剛認為，臺灣的公投問題出在科學論述不足，優缺點未正反並陳，政黨之爭模糊了議案焦點。他提出質疑，難道年輕人真的都反核嗎？高齡者真的都擁核嗎？不同世代的意見應該是多元並進，而不是彼此敵視。如何從立場爭執、世代衝突，轉而共同為未來發展理性討論？是臺灣社會需反思的課題。

納入兒少意見：18歲青少年的公民權

如果將 18 歲以下、未取得公民權的兒少視為廣義的未來世代，怎麼在公民表決時納入兒少意見，成為少子化時代下尊重未來主人翁、落實世代正義的關鍵。目前已有多國選擇下修公民投票年齡，讓更多年輕世代參與公共事務。

在亞洲國家中，日本在 2015 年通過《國民投票法》修正案，南韓也在 2020 年依據《公職選舉法》，紛紛將投票年齡下修到 18 歲。尼加拉瓜、奧地利、曼島等部分國家甚至將投票年齡下修到 16 歲。

臺灣在行政院與各縣市設有青年諮詢委員會，但都著重在意見諮詢，決策上並無強制力。直到 2022 年 3 月 25 日，立法院才通過 18 歲公民權修憲案，明定國民年滿 18 歲者，有依法選舉、罷免、創制、複決及參加公民投票之權。此案將在同年 11 月 26 日舉行公民複決，這也是我國史上首次交付公民複決的修憲案。

對於下修公民權年齡，冷則剛舉雙手贊成，青少年也是廣義的未來世代，他們的想法應該被重視，而這也是臺灣處理世代問題的具體展現。黃寄倫則認為這是一個很好的契機，可以將世代正義的理念推廣出去，讓政治人物嗅到民意的新風向，進而提出更多有益世代正義的政策。

台灣的未來：公民意識的覺醒

面對世代正義問題，借鏡國外經驗，臺灣還可以怎麼做？冷則剛、黃寄倫建議在立法院內成立「世代正義與永續發展委員會」，其最重要的功能是，喚醒全民與執政者守護未來世代的意識，進而監督與協調各部會的施政，撰寫白皮書建議長遠的政策方向。同時，成立與人民共享的資訊傳遞平台，交流並觸發更多有建設性的想法。

世代正義議題不是未來式，而是當務之急，有賴觀念、文化與制度的相互配合。冷則剛認為，在實踐世代正義之前，必須先培養三項民主素養：

公民意識覺醒、科學理性討論、世代之間共學

如果公民沒有意識到問題癥結，也沒有多元且充足的參考資訊，可能會被政治力量影響判斷，演變成世代之間的意識形態衝突。世代之間如何相互學習、尊重、攜手守護未來世代？我們還有一段路要走。

為了達成 2050 淨零排放的目標，各國必須想辦法提高低碳電力的比例，逐步淘汰化石燃料。各式各樣提高低碳電力的方法出現，其中就有個我們從小就耳熟能詳的方法：節能省電。

但這個方法可行嗎？我們觀察了世界各國的發電結構，還真的找到實現了這個方法的國家：北韓。

在 1990 年以前，北韓的發電結構是以化石燃料為主（57.1%），水力發電為輔（42.9%）運作。1990 年後，水力發電的佔比瞬間飆升至 56.3%，截至 2020 年，低碳電力佔比已經達到了 85.53% 的亮眼成績。

同時，北韓的用電量從 35TWh（1989 年）減少至 14.6TWh（2020 年），可以推測出北韓低碳電力佔比提高的原因很可能就是因為用電量減少所致。

用電量降低，低碳電力提高，這聽起來是件好事對吧？但這恐怕不是北韓（人民）願意看見的結果。

到底北韓發生了什麼事？為什麼會出現這樣的情況？

蘇聯解體，重創北韓經濟

北韓過去在蘇聯的資助下，積極發展重工業，甚至在 1970 年成功讓供電網覆蓋全北韓境內的村子和家庭。然而蘇聯解體後，北韓經濟受到重大打擊，失去了從蘇聯進口的石油，導致北韓發電量急遽減少，水力發電因此成為北韓最主要的發電能源。

另外，根據南韓公共媒體 KBS 報導，北韓的火力發電廠設備老舊，經常發生故障，能源效率和發電量都很低。相較之下，北韓更看好水力發電不用燃料的優勢，進而提高了水力發電的佔比。

缺電的北韓

目前北韓人均用電量只有 658 度，對比台灣的人均用電量（11,933 度），相差 18 倍！這不是因為北韓人民超會省電，而是沒電可用。

根據數據統計，北韓將近一半的人沒電可用。由於北韓電網年久失修，以及冬天河川凍結無法使用水力發電，即使在較多精英階層居住的平壤也經常停電。因此北韓的有錢家庭通常會設置太陽能板，以滿足自家用電需求。

低碳電力比例高，所以北韓其實很環保？

答案是，其實不然。

首先，經常斷電導致人民尋求其他的方法，像是太陽能板、柴油發電機，或是自製油燈滿足照明需求，而這些方法往往能源效率極低，還會造成其他威脅（像是更不環保或是對人體有害等）；其次，電力只是眾多能源的一種，對電力的需求很可能轉嫁到其他非電力能源上（例如，沒電使用電燈，因此改用油燈）。

但北韓的確證實了一種可能性：減少用電量可以提高低碳電力比例。只是其他國家有可能利用這種方法減碳嗎？

回答這個問題之前，不知道大家有沒有聽過「卡爾達肖夫指數（Kardashev Scale）」。

卡爾達肖夫指數是根據一個文明能夠利用的能源量級，來為該文明劃分等級的分級法，像是：第一型是能夠利用整個行星的能源；第二型是可以駕馭整顆恆星能源的文明……。

美國物理學家弗里曼．戴森（Freeman John Dyson）也認為任何科技文明對能源的需求會穩定增長，只要存活夠久，總有一天會需要利用到其母恆星「全部」的能量輸出，因此有必要建立一個可以收集母恆星所發出的全部能量的裝置——戴森球。

也就是說，隨著文明的科技進步程度越高，需要消耗的能源就越多。

事實上，自工業革命（1760）以來，我們對能源的需求就不斷地增長，想要僅依靠省電減碳就意味著我們需要在科技進步和節能減碳之間做出選擇，但我們仍然可以試著去估計，人類是否可能在不犧牲科技進步下依靠省電減碳？

以台灣為例，1980 年台灣相繼成立竹科、南科、中科等科學園區，從此走向 IT 大國之路，每年用電量也在快速增長。2021 年台灣總用電量高達 2830 億度，是近 10 年來最高，工業用電量和成長幅度也創下新高，佔總用電量的 57.1%。其中台積電用電就佔了近 6%。

當然，「護國神山」不能倒，科技發展不能停。那我們試試看計算個人節省用電是否能夠提高低碳電力的比例。

一個人可以省多少的電？對台灣有幫助嗎？

一樣採用台灣 2021 年的用電量來看，假設去年是因為疫情進入三級緊戒，所以家庭住宅用電量比 2020 年多了 5%，佔總用電量的 18.6%。也就是說，在扣除非民生用電之下，去年台灣每戶家庭的年均用電量約為 5846 度。

採用國際能源署（IEA）的對每戶家庭最低供電程度的簡單定義，即每戶家庭有足夠的電力來為每天打開 5 小時的四個燈泡、一個冰箱、一個每天運轉 6 小時的風扇、一個手機充電器和一台每天使用 4 小時的電視供電，相當於每戶每年用電量為 1250 度。

如果台灣每戶家庭都超省，堅持一年只使用最低限度的電，可以為台灣省下 413.8 億度電，相當於總用電量的 14.6%，似乎就能達到目的。

但是，如果要是我們將科技進步納入考量後，就會發現這不是一個合理的策略了。

用於製造世界最先進半導體的機器「極紫外光微影」（EUVs）每台的耗電量高達 1 百萬瓦，目前台積電約有 80 幾台，預計 2025 年台積電用電量就會佔全台用電量的 12.5%。

試著想想，當你為了省電費勁心思，犧牲生活品質所打出的成績卻是「效果甚微」，心裡該有多累。

但減碳從來都不只有一種方法。像是丹麥、法國等國家就投資低碳技術取代化石燃料，也可以選擇電動車取代汽油車等，減少碳排放。我們只有更積極的思考永續發展的解方，人類文明才有可能繼續延續下去。

參考資料

1. 北韓低碳電力比例
2. 用電再破紀錄！住宅用電攀升，去年工業用電更達「史上新高」
3. 護國神山變吃電怪獸？台積電用電量恐占全台12％　再生能源發展迫在眉睫
4. 北韩的电力状况
5. 1990年代數十萬人死於饑荒，北韓再度出現糧食危機！
6. 供電不足 北韓人民嚴冬中過日
7. Defining energy access: 2020 methodology
8. North Korea: Energy Country Profile
9. https://zh.wikipedia.org/zh-tw/戴森球
10. https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/卡尔达肖夫指数
11. https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/中華民國科技
12. https://www.hk01.com/港學堂/85673/這一秒的歷史-北韓危機的根源-蘇聯解體