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實用的全光譜太陽能電池即將到來

peregrine
・2011/02/11 ・2481字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 575 ・九年級

本文轉載自PEREGRINE科學點滴

圖片取自原文網站

太陽能電池是由對光作出反應之能耐,取決於能帶隙(band gaps)的半導體所製造的。不同色彩的光具有不同的能量,因而沒有單一半導體具有能對全部陽光(從低能的紅外線、可見光到高能的紫外線)作出反應的能帶隙。

雖然全光譜的太陽能電池已被製造出,不過一直沒有能以令消費者滿意之價位製造的太陽能電池。目前,美國能源部所屬勞倫斯柏克萊國家實驗室材料科學部門太陽能材料研究團隊(the Solar Energy Materials Research Group in the Materials Sciences Division at the U.S. Department of Energy`s Lawrence Berkeley National Laboratory)領導人Wiadek Walukiewicz及其同僚們業已證實一種,不僅幾乎對整個太陽光譜作出反應,而且能使用半導體工業最常見的製造技術之一來迅速製造的太陽能電池。

這種可望製造出實用之高效能太陽能電池的設計成果,發表於2011年1月14日版《物理評論記事》(Physical Review Letters)期刊。

Walukiewicz宣稱:「由於沒有任何材料對所有波長是敏感的,因而成功之全光譜太陽能電池的基本原理,是結合具有不同能隙(energy gaps)的不同半導體。」

使不同能帶隙結合成一體的一種方法是堆疊多層不同的半導體,並以金屬線將其串聯在一起。這是當前使用具不同能隙之三種半導體的高效能合金太陽能電池技術的原理。於2002年,Walukiewicz及柏克萊國家實驗室材料科學部門的Kin Man Yuz發現,藉由調整於氮化銦鎵(indium gallium nitride)之相同合金中銦及鎵的數量,結果每種不同的混合,實質上會成為對不同波長作出反應的不同種半導體。藉由堆疊若干全接近相稱卻具不同銦含量的結晶體層,他們製造了對全太陽光譜敏感的光伏特裝置(photovoltaic device)。

不過,Walukiewicz宣稱:「即使此些不同的結晶體層十分相稱時,此些結構仍是複雜的,不過卻是製造它們的方法。製造全光譜的另一種方法是製作具有多能帶隙的單一合金。」

於2004年,Walukiewicz及Yu製造了一種以鋅及碲(tellurium)合金為基礎之高度不相稱半導體的合金。藉由以氧來攙雜合金,在現有的兩個能帶間,他們添加了第三個不同的能帶,從而創造出橫跨了太陽光譜的三個不同能帶隙。Walukiewicz宣稱:「遺憾的是,製造該種合金是複雜且費時的,因而大量生產此類太陽能電池也是不經濟的。」

來自Walukiewicz、Yu及其柏克萊國家實驗室材料科學部門及與亞利桑那州鳳皇城住華電子材料公司(Sumika Electronics Materials in Phoenix, Arizona)合作之RoseStreet能源實驗室(RoseStreet Labs Energy)同僚們的新太陽能電池材料,是從高度不相稱之合金所製造的另一種多能帶半導體。在此情況下,該種合金是組成上類似最常見的砷化鎵(gallium arsenide)半導體之一的氮化砷化鎵(gallium arsenide nitride)。藉由以氮來取代一些砷原子,能創造出第三個居間的能帶。好消息是該種合金能以有機金屬化學氣相沉積法(metalorganic chemical vapor deposition:MOCVD)來製造,該沉積法是製造化合物半導體(compound semiconductors)最常見的方法之一。

由於半導體在絕對零度的溫度下是絕緣體,因而產生能帶隙。不過,當溫度上升時,慢慢接近具傳導性。為了導電,一些通常被束縛於處在價帶(valence band)之原子中的電子,必需獲得足夠的能量來自由流動,也就是遷移到傳導帶。能帶隙就是上述所需的能量。

當電子遷移進入傳導帶時,於價帶中遺留下也具有電荷的電洞(hole)。就像傳導帶中的電子,電洞是帶正電而不是帶負電。

大的能帶隙意味高的能量,因而寬能帶隙的材料僅對太陽光譜較高能的部分(諸如紫外線光)作出反應。藉由在價帶及傳導帶間導入居間的第三能帶,該相同基礎的半導體也能對低、中能量的波長作出反應。這是因為,於多能帶半導體中,具有對價帶與居間帶間之低能量作出反應的窄能帶隙。而居間帶與傳導帶間是對居間能量作出反應之另一個相對窄的能帶隙。最後結果,原先寬的能帶隙依然能處理高的能量。

Kin Man Yu宣稱:「在創造全光譜太陽能電池上的主要問題,是找尋最適宜的材料。挑戰性在於,以適當的攙雜來平衡適當的組成物。」

在由某些高度不相稱之合金製成的太陽能電池中,能藉由以少量的氧或氮來取代一種成分的原子,而在能帶隙中創造出第三能帶的電子狀態。在結合來自門捷列夫(Mendeleyev)原週期表II及VI族元素,被稱為II-VI族半導體中,以氧來取代一些VI族原子,能產生藉由改變氧數量來控制寬度及位置的居間能帶。Walukiewicz及Yu原本的多能帶太陽能電池,是以氧原子來取代VI族碲原子的II-VI族化合物。他們當前的太陽能材料是種III-V族合金。第三能帶是以氮原子來取代一些V族砷原子所產生的。

找尋合金的適當組合,及決定適當攙雜含量來將居間能帶置於被需要的適當處所,多半是以十多年前由柏克萊國家實驗室所研發的能帶互斥模型(the band anticrossing model)理論為基礎。

Yu宣稱:「他們知曉應有2%的氮及居間能帶應在何處。不過,挑戰性在於設計實際的裝置。」

使用他們的新多能帶材料作為實驗電池(test cell),此些研究人員用全光譜的陽光加以照射,來測定不同色彩的光能產生多少的電流。令多能帶電池運作的關鍵是確保居間能帶與收集電流的接觸面是分離的。

Walukiewicz解釋:「居間能帶必需吸收光,不過僅起如同墊腳石的作用,因而必需是不容許傳導電荷的,否則會使該裝置短路。」

該實驗裝置於底層上具有負攙雜的半導體接觸面(用以收集來自傳導帶的電子),及表層上正攙雜的半導體接觸面(用以收集來自價帶的電洞)。而來自居間帶的電流被頂部及底部的額外層所阻擋。

為了比較目的,此些研究人員製作了一個幾乎完全相同,卻容許電流直接從居間能帶流到底層的電池。

該實驗結果證實,穿過經阻擋之裝置的光有效地從三個能帶產生電流,且對所有光譜作出強烈反應,從紅外線產生約1.1電子伏特的能量到紫外線超出3.2電子伏特。

相較下,未經阻擋的裝置僅於接近紅外線的部分作出充分的反應,而在光譜的可見光部分反應明顯地下降,因而喪失了最高能的陽光。由於未經阻擋,居間能帶實質上已取代傳導帶,而從價帶攔截低能的電子並直接穿梭運往接觸層。

該多能帶裝置的效能及其運作方式的進一步證據來自,當該裝置作為發光二極體的反向運作實驗。在低電壓下,該裝置於光譜的紅外線及可見光區發出四個波峰(peaks)。原本打算作為太陽能電池材料,不過作為發光二極體的上述性能顯示了氮化砷化鎵諸多可能的額外用途。

使用該以氮化砷化鎵為基礎的新型多能帶光伏特裝置,此研究團隊業已證實一種幾乎對整個太陽光譜作出反應,且能輕易使用半導體工業最常見的製造技術之一來製造的簡易太陽能電池。依此成果,可望實際製造出具高效能的太陽能電池。

原文網址:http://newscenter.lbl.gov/feature-stories/2011/01/24/practical-full-spectrum/

翻譯:peregrine

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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

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