2009/09/05
經濟部能源局
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▓撰文：程金保、商育滿
當人類為面臨生存的挑戰而積極尋找新科技，乃至於能源使用與經濟發展的兩難抉擇時，大家該謙遜著低身向植物學習，該謙遜著遠眺向萬物學習，學習生命的本質，學習生存的自然法則，擺脫萬物之主的高姿態，這樣就有機會尋得能源之源。
早在人類重視太陽能的發展之前，自然界就充分地利用太陽能的循環，綠色植物行光合作用就是個很好的例子。地球上的綠色植物，由葉綠素吸收太陽光後，在內部進行光合作用的氧化還原反應，把二氧化碳和水轉換成生長所需的葡萄糖、澱粉、果糖等可口的食物，再變成各種動物的能量來源。而動植物的遺骸在地底經過長期壓力和溫度的作用後，逐漸變成目前使用的石油、天然氣、煤礦等化石能源。因此，從某種角度來看，其實自然界的循環就是利用太陽能最好的例子。
光電化學反應
目前引人關注的光電化學（Photoelectrochemical）反應的運作模式，和綠色植物的光合作用其實是類似的原理，都是吸收光能後進行氧化還原反應，都可藉由能源轉換達到使用太陽能的目的。光電化學反應，就是指物體照光後就會引發的電化學反應。光電材料經光線照射後，如果照光的能量大於光電材料本身的電子能隙，就能把光電材料的價帶中受束縛的電子激發至傳導帶，產生電子電洞對，進而躍遷至材料的表面，與環境進行氧化還原的電化學反應。
在光電化學的領域中，染料敏化太陽能電池（Dye Sensitized Solar Cell, DSSC）是目前最被普遍研究和發展的光電化學電池。其主要組成元素包含染料、半導體電極、電解質層與對電極層，以染料分子吸附在有奈米結構的電極上做為感光層，感光層就如同植物葉綠素角色一般能充分的吸收太陽光進行反應，使染料分子吸收光能後產生的電子能夠迅速被收集傳輸至電路；電解質層則是如同植物葉綠體中電解質角色一樣，在感光層與對電極層之間幫助電子傳導，使反應能夠順利進行。
染料敏化太陽能電池
DSSC在瑞士學者Gratzel等人於1991年發表後，已逐漸展現潛力。它和大家熟知的矽晶圓半導體為主的光伏特太陽能電池工作原理不同，相較之下有材料成本較低、製程簡單化、產品具可撓性、透明性等優點，但是它的轉換效率仍偏低，約為8～11％之間。
據「進階閱讀」期刊表示，DSSC的構造可以想像類似三明治夾層，想像三明治的其中一片土司先烤上美乃滋再塗上煉乳，然後再泡在葡萄果汁裡頭上色；另一片土司同樣烤上美乃滋後塗上奶油，二片結合後中間再注入紅茶後切去土司邊，就可想像是DSSC 的基礎構造。真實的DSSC，下層的基板通常是導電玻璃（就是玻璃上鍍上一層金屬氧化物做為導電電極），上頭再沉積一層由奈米材料（通常是二氧化鈦或氧化鋅）薄膜來傳遞電子；而吸收太陽光後會激發電子電洞對的染料則經過浸泡後附著在奈米材料表面上。上層的電極同樣使用導電電極，並鍍上一層鉑做為電解質反應的觸媒。兩層電極夾合後中間注滿電解液，通常是碘與碘化鉀的有機溶液，封裝後再以銅膠帶或導線連接兩端電極，照光後便可進行氧化還原反應而產生電力。
染料敏化太陽能電池小面積的應用可以與一般電子用品相結合，提供電力免除隨時充電的困擾，具有相當的便利性；大面積的應用則可以與建築窗材相結合，提供建築額外的電力供應，減少對市電的依賴。DSSC相較一般矽基太陽能電池亦有不少優良的特性。第一、染料分子對可見光的吸收波段相當大，能充分的吸收太陽光波；第二、染料分子所附著的半導體電極，可設計為奈米尺度的微結構，使得感光層的有效受光表面積約變為電極表面積的數百倍，也提供了大量的染料分子吸附，因此能夠達到有效的利用太陽光能；第三、DSSC材料成本較低、製程簡單，大大降低了製造成本。若能結合半導體製程技術或微奈米科技應用，提升光電轉換效率，未來發展潛力將是不可限量。
液態鏡頭與反向引力
另一個向自然學習的好例子，液態鏡頭（Liquid Lens）是近年發展出來電濕潤的具體應用，它的基礎原理是模擬動物眼睛的視覺運作模式，除兩個電極之外，包括兩種互不相溶的絕緣液和導電液，其間亦有介面存在，而且兩液體的光折射係數也不同。當施加電壓時，由於絕緣液和導電液界面的接觸角改變，兩者之間的曲面因而改變，鏡頭的焦距也改變，使入射光能夠聚焦成像，液態鏡頭的焦距可設計成由電極電壓控制，成為可變焦鏡頭，能有效改善機械式鏡頭需要伸縮的空間及產生噪音的困擾，如果在基板上做成矩陣式薄膜液態鏡頭，則可由聚焦的控制成像，它的用途便是正在萌芽的電子紙（Electronic Paper），這個技術當然也都代表著能源使用的新紀元。
再舉一個向生物學習的例子。當我們想像一棵參天巨木，它的根如何從泥土中汲取水分及養分，然後輸送到半空中的樹梢，這個原理使科學家領會了從毛細現象延伸的反向引力，在美國最新一期的物理學刊（Physical Review Letters）中，發表了可以隨意控制的血液流向的介面與技術，還有可節省一半以上電力的白熾燈。
當然這些發現都還存在著討論與驗證的空間，然而這是一個方向，一個啟動大家向萬物學習的方向。
謙遜的向大自然學習
論到要向大自然學習，先以向植物學習為主，從中國古典的易經中便可窺出幾分道理，「易經．升」卦的「象傳」曰：「地中升木，升；君子以順德，積小以高大。」地裡生出植物，不斷長大升高，如果停止了生長，那麼它恐怕就快枯死了。「易經」告誡大家，要仿效植物，謹慎自己的德行，不斷進修，由小處著手，時時進展，累積而成高大的君子。因此當我們要解決任何科技的難題之時，必須常常回到生命的本源去觀察，而自然萬物，尤其是植物常常準備好錦囊妙喻，等著我們去取用。
在新疆的沙漠中，一天之中，酷熱，可到攝氏40餘度；嚴寒，可達零下30度，這樣的生存條件，光是想像就很嚇人，而有一種植物，稱做「胡楊」，竟然可以發芽，紮根，向上伸展著。一排排整齊勇敢的「胡楊」，以自然的風采，對大家宣示，如何汲取沙漠底層的水分，如何存活在漫月的冰雪中，又如何承受能燙熟雞蛋的毒辣陽光。
當地人稱頌著：胡楊能在沙漠上蓬勃的生長數千年；真正枯萎後，也能站立千年；倒下去之後，也不腐爛，還能躺上千年。令人省思：人類對於延續生命之渴求，乃至於對無窮盡的能源之冀望，是否也該如同胡楊尋求養分與生存的元素一般，順應惡劣的天候環境，以充足的勇氣迎接困境。（作者為台師大能源教育推廣小組計畫主持人及協同主持人）