節能減碳又潔淨的居家環境
99/01/13
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王俊凱｜
成功大學材料科學及工程學系
黃肇瑞｜
成功大學材料科學與工程學系
還記得美國前副總統高爾拍攝的〈不願面對的真相〉電影中的情境嗎？片中描述人類由於過度開發、濫用自然資源，造成溫室效應、能源耗竭等危機；現今的天候異常、疾病叢生便是大自然的反撲。因此在這部電影中，倡導「節能減碳」的觀念。然而在保護環境的大理想下，並不意味著得犧牲生活品質。
面對逐漸惡化的生活環境，科學家和工程師們都積極研究、開發新型節能和潔淨材料，嘗試以最乾淨、最節約的方式來保護環境，又可保有舒適的生活，正所謂科技始終來自於人性。例如利用太陽能搭配高科技的材料元件，便可形成節能減碳又潔淨的居家環境。
太陽能電池、電致色變元件、光觸媒等便是利用材料性質，管理和應用太陽光能的材料元件。太陽能電池和光觸媒材料，可吸收太陽光能進行發電和潔淨催化作用，電致色變元件則可利用電能驅動元件進行光吸收作用，以達到太陽能源管理的目的。
太陽光譜
太陽裡的氫原子會進行核融合反應放出能量，這些能量經由太空到達地球，經過大氣層和空氣中的水分子吸收後，真正到達地球表面的光波，可分成紫外線（400 nm）、可見光（400 ~ 700 nm）和紅外線（700 nm），所占的比率分別是 8.7％、40.1％ 和 51.2％。這些光波的能量總和大約是每年 3 × 1024 焦耳，如此驚人的能量約相當於人類每年消耗量的 1 萬倍。
面對如此取之不盡的乾淨能量源，人們逐漸開始重視太陽能源科技的發展。然而太陽輻射中並非所有能量都可有效使用，因此如何應用和管理太陽能量便成為重要的議題。
半導體材料
材料依傳導電流的能力，可分為導體、半導體和絕緣體 3 大類。一般而言，金屬的導電率高於 107 (Ω-m)−1，有最佳的電流傳導能力，通常歸類為導體。導電性不佳的材料如氧化鋁，導電率約為 10−10 ~ 10−20 (Ω-m)−1，則屬於絕緣材料。導電率介於金屬和絕緣體之間的材料便稱為半導體材料，導電率通常是 10−6 ~ 104 (Ω-m)−1，矽、鍺、氮化鎵等都屬於這類。
各種材料導電性的差異，是由於能帶結構不同所造成的。原子是由原子核和電子構成，且電子會依次序填補原子的能量不連續軌域。當許多相同原子（約為 1020 個原子）經由交互作用，聚集在一起形成固體時，原子軌域的數目會變得相當多。由於每個軌域不可有兩個以上相同量子數的電子存在（包利不相容原理），相同的電子軌域便會以些微的能量差分裂以產生凝聚效果。由於同一電子軌域的數目相當多，且僅以些微能量差存在，固體的能階便被看成帶狀，通常就稱作能帶。
理論上，固體會有無限多個能帶，但通常會把材料能帶分為能量較低且完全填滿的價電帶，以及能量較高但並無電子填補的傳導帶，而兩能帶之間的能量差稱為能隙。價電帶和傳導帶之間並無可供電子填補的電子軌域，電流的傳導是傳導帶上的電子移動所造成的。
在金屬導體中，價電帶和傳導帶會重疊，即無能隙存在，使得電子可以很容易地在傳導帶的空軌域移動。半導體和絕緣體材料的差異則在於能隙大小，半導體材料的能隙約小於 3e V，在價電帶的電子可藉由溫度或電場的激發，而躍遷到傳導帶。絕緣體能隙則約大於 6 eV，電子不易被激發。
太陽能電池
太陽能電池是藉由半導體材料吸收太陽輻射能後，價電帶的電子受到激發，躍遷至傳導帶後造成電位差，再經外部迴路形成電流。由於矽是地球上含量第２多的元素，且半導體產業的發展成熟，使得矽元素成為主要的太陽能電池材料，矽晶太陽能電池目前市場占有率達 86％。
然而晶體矽並非理想的太陽能電池材料，它對陽光的吸收率很低，為達到 90％ 的光吸收率，需厚度 100 微米以上的矽晶體，因而增加了矽晶太陽能電池的發電成本。以現今售價而言，矽晶太陽能電池每度電約新臺幣 15 ~ 20 元，是傳統發電成本的 10 倍。
為降低太陽能電池的發電成本，因而發展出各種材料的太陽能電池，如非晶矽太陽能電池、化合物半導體太陽能電池。這類型的太陽能電池可藉由較薄的材料，達到相同的光吸收率，因此可大幅降低製造成本。
非晶矽太陽能電池多半利用電漿化學氣相沉積法製作，利用 SiH4 氣體通入製造腔體，在基板上生成一層散亂排列的矽原子薄膜。由於這種薄膜含有大量的氫鍵，通常稱作 a-Si:H。這方法製得的矽薄膜相較於矽晶太陽能電池，可省去長晶、切晶、退火等加工程序，且可成長於軟性基板或玻璃上，以應用在建築物或戶外可攜式器具上。但由於矽原子的散亂排列，使整體系統處於不穩定狀態，會有光致劣化的問題，使它的實際發電效率降至 8％。
化合物半導體包含鎘碲半導體太陽能電池和 I-III-VA 族半導體太陽能電池，前者以鎘碲半導體為代表，後者以銅銦硒和銅銦鎵硒半導體為主。鎘碲半導體有很高的光吸收率，以 1 微米厚的鎘碲半導體為例，它的光吸收率可達 99％ 以上，因此很適合做為太陽能電池，目前它的光電轉換效率可達 15.8％。然而鎘碲半導體太陽能電池中含有大量的鎘元素，可能會對環境造成汙染，因而限制了它的發展。
銅銦硒半導體太陽能電池是 70 年代由美國貝爾實驗室發展出來的，後來發現在銅銦硒半導體中添加鎵元素，可進一步調整這種半導體材料的能隙大小。銅銦硒半導體或銅銦鎵硒半導體太陽能電池具有高光吸收率和長時間使用穩定性，目前銅銦鎵硒半導體太陽能電池的光電轉換效率達 19％。此外，它也可製作於軟性基板上，大幅增加了應用性。然而這類半導體中含有鎵、銦、硒等稀有元素，大大地限制了它的普及性。
另外一種太陽能電池是色素增感太陽能電池，結構是透明導電玻璃／二氧化鈦層／染料光敏化劑（色素）／電解液／金屬的層狀堆積結構。它的原理是太陽能電池中的染料，即光敏化劑（色素），吸收陽光的輻射能後，會激發染料中的電子，使它往二氧化鈦和導電玻璃方向移動，最後經外部迴路形成電流。這類型太陽能電池的生產成本低，且不需大型昂貴設備便可製得，目前小面積元件的效率已達 11％。
電致色變元件
電致色變元件是藉由通入電流或施加電壓，使得材料能帶結構產生變化，而能吸收特定波長的光能量，導致外觀顏色變化的材料元件。電致色變材料一般分為無機材料和有機材料兩大類，無機材料以氧化鎢、氧化鎳為代表，有機材料則以普魯士藍為主。此外，依引起顏色變化的化學反應，又可分為還原變色和氧化變色，其中氧化鎢是還原變色，氧化鎳是氧化變色。
氧化鎢是透明無色的薄膜材料，把它放在含鋰離子的電解質中，並對氧化鎢薄膜施加負電壓或通入電流，鋰離子就會受到電場的吸引往氧化鎢薄膜的方向移動，並和氧化鎢反應形成鎢青銅化合物。由於這化合物對紅外線的吸收度特別強，因此外觀顏色會轉變為藍色，而且依據不同的反應量，顏色可由淡藍色變化至深藍黑色。若要讓它回復至透明無色，只需施加正電壓就可達成。由於在化學反應中鎢離子是由正 6 價還原成正 5 價，因此稱作還原變色。
在日光能譜中，紅外線能量約占了一半（約占 51.2％），因此紅外線對於室內溫度的升高有很大的影響。現今解決室內日照的方法是加強空調能力，但如此一來便會增加電力的負荷。此外，用窗簾或隔熱紙遮擋陽光，雖然可隔絕陽光熱能，但會使得室內照明度不足，而增加室內照明的負擔。若使用電致色變元件替代窗簾或隔熱紙，不但可調整陽光入射強度，降低室內溫度，且對於照明度的影響並不會太大，可同時達到室內舒適和節能的效果。
光觸媒
我們都知道利用陽光曬棉被可以達到除臭、殺菌的效果，然而通常需要長時間的曝曬才行，若利用光觸媒材料便可縮短曝曬時間。所謂的光觸媒，是指須經照光才會表現出催化反應效果的觸媒。現今光觸媒以二氧化鈦、氧化鋅等氧化物和硫化鎘、硫化鋅等硫化物為主要代表，其中二氧化鈦因具有較強的氧化還原能力，而受到相當大的矚目。
二氧化鈦是一種半導體材料，當二氧化鈦吸收太陽能量後會在表面產生電子，這些電子和空氣中的水及氧反應，會產生活性氫氧自由基（OH−）、過氧基（O3−）等活性氧成分。這種活性氧和氯氣、次氯酸、雙氧水、臭氧等氧化劑，都有很強的氧化能力。
當活性氫氧自由基、過氧基等和含有碳—碳、碳—氧、氧—氫、氯—氫鍵結的一氧化碳、甲醛等有機化合物作用時，這些有害物質的鍵結能夠輕易被破壞，而分解成二氧化碳、水等無毒性物質，達到殺菌和消毒的目的，同時可用於分解水中所含的各種有害有機化合物。因此光觸媒可以用於除臭、空氣淨化、抗菌、防霉、去汙等，以解決住宅綜合症候群和防止醫院的內部傳染。
節能潔淨的生活環境
有了太陽能電池、電致色變元件、二氧化鈦光觸媒等節能、潔淨材料後，該如何建構一個智慧型的生活環境呢？我們可在一般玻璃帷幕外側表面製作一個電致色變元件，並在玻璃帷幕內側表面沉積二氧化鈦光觸媒層，然後利用太陽能電池吸收陽光產生電力，提供電致色變元件變色之用。然而電致色變元件只有在進行著色或去色的過程中需要電能驅動，一旦完成著色或去色後，便可維持該顏色至下次著色、去色。
另外，可透過一個電源轉換器，把多餘的電能輸出至空氣幫浦，如風扇、空調系統等，便可增加室內空氣的流動性，也會增加空氣和二氧化鈦接觸的機率，使空氣中的有害物質分解成二氧化碳、水等無害物質，以維持室內空氣的潔淨。而電源轉換器可藉由電路設計，使它能隨著每天日照度的變化，控制太陽能電池輸出的電流、電壓，以達到最大的輸出功率。同時，電路可以晶片化，以減少電源轉換器的體積。
如此一來，在太陽能電池、電致色變元件、二氧化鈦光觸媒等潔淨的節能材料作用下，不僅可以在節能減碳上對保護地球環境盡一份心力，還能維持生活品質，朝人類理想中的綠色環保建築更邁進一步。
