把太陽光轉成化學能：綠色工廠–薄膜式光反應器
104/04/07
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楊鎧輿｜
中央大學化學工程與材料工程學系
李岱洲｜
中央大學化學工程與材料工程學系
吳錦貞｜
財團法人工業技術研究院綠能與環境研究所
根據經濟部能源局的統計，臺灣每人每年消耗近6,000公斤的煤炭，相當於4.17公噸的汽油。印度理工大學教授Maheshwar Sharon估計，開發中國家每人每年消耗150公斤的煤炭，而已開發的國家，每人每年使用的煤炭量達到驚人的12,000公斤。到了下個世紀，全世界人口使用的總能量可能達到1023焦耳，而上世紀人們所消耗的總能量只有4 × 1021焦耳。
根據上述資料，能量消耗速率增加的非常快，以這樣的生活方式使用化石燃料，對於地球會是相當沉重的負擔。大量使用化石燃料為生活帶來便利的同時，也對環境造成許多負面的影響，例如溫室氣體排放，異常氣候發生機率提高，臭氧層破壞，酸雨、土壤及地下水汙染等。因此全球紛紛投入研究使用對環境較友善的可再生能源，像是太陽能、風力、海洋潮汐能等，以維繫地球的永續發展。
這些可再生能源中又以太陽能最豐富。根據估計，太陽發出的能量約為3.8 × 1026瓦，扣除在太空中的損失以及進入大氣層的散射，地球表面自然界約可收集到1.2 × 1017瓦。植物對於太陽能的利用率約只有進入自然界的1％左右，這有兩個主要的原因。第一是太陽光能無法充分利用，在所有的農作物生長初期因為植株面積的關係，導致光照面積小，因此大部分的陽光都會損失掉，也因為地形、氣候、海拔高低、陸地面積等許多因素，造成進入地球的太陽光無法充分利用。第二則是太陽光能達飽和後的逸散，大多數的植物僅能利用太陽光能量的30～50％，會有50～70％的太陽光能散失。
人造光合作用的反應器設計
植物進行光合作用可分為光反應及暗反應兩種。光反應先利用葉綠體中的色素吸收光能，把水光解為氧氣與氫離子，並且把二磷酸腺苷（ADP）轉化為三磷酸腺苷（ATP）。暗反應則利用葉綠體基質進行固碳作用，三碳糖被ATP及氫離子還原成有機物與糖。在太陽能光化學反應器中，也有與植物行光合作用類似的反應發生。
在半導體側照射太陽光時，由半導體產生的光生電子會因為施加偏壓的關係，經由外電路向白金對電極移動，並經由白金對電極與電解質進行還原反應產生氫氣。而留在半導體中的光生電洞則會在半導體側與電解質進行氧化反應，並且在半導體電極上產生氧氣。
半導體電極和材料的發展
把太陽能轉換為其他可利用的能源，近年來吸引了非常多研究人員的關注。1839年，法國科學家Edmond Becquerel利用電化學系統把光能轉換為電力或化學能。到了1972年，日本的學者Honda及Fujishima發表了著名的研究成果，利用光能經過電化學系統轉換產生氫氣，也就是現在廣為人知的光電化學反應器分解水產生氫氣與氧氣，使得氫循環成為可能。
首先是利用光電化學反應器以陽光使水分解產生氫氣，把氫氣儲存在儲存槽後運送到各地的加氫站提供交通工具使用，最後交通工具借助氫氣燃燒產生的動力移動，氫氣燃燒產生的水再度回到大自然中，成為一個完整的氫循環。
關於電極材料的開發，自從Honda-Fujishima效應發表以來，TiO2很自然地成為多數研究者關注的目標，因為它的化學穩定性高，價格便宜。然而TiO2的能隙值較大，只吸收紫外光，但地球表面紫外光只占太陽能量的～5％，使得TiO2系統在太陽光照射下光 ─ 化學轉換效率較低，因此科學家積極尋求解決的方法或開發新材料。
ZnO與TiO2有相似的半導體能隙及能帶位置，不同的是ZnO屬於直接能隙型半導體材料，因而吸引不少研究者的投入。能隙較小的半導體材料像是WO3與Fe2O3，也有穩定性較高、價錢較低等優點。CdS具有好的太陽光吸收能力及光觸媒活性，但是光反應的穩定性不佳。Cd又具毒性，製作CdS材料時需要特別注意。
由上述幾個代表性的材料特性歸納，適合做為光電化學反應器的半導體材料應該具有下列的性質：適當的半導體能隙值以吸收太陽光、適當的能帶位置以進行氧化 ─ 還原反應、好的化學穩定性。目前已知適合的半導體材料很少，需要研究者更加投入，使用科學與工程的思維，開發新穎光電極材料與設計高效率的反應器。
不同類型的反應器設計
開始介紹第一種光電化學反應器之前，先要了解光電化學反應器除了可以產電之外，也能以化學能的形式儲存能量。第一種特別的光電反應器便是把化學能的儲存及太陽能的轉換結合在一起，這種型態的反應器設計能提供穩定且持續的能量輸出，也在1987年證實有很好的轉化效率；轉換太陽能使用Cd（Se,Te）∕Sx的半電池，另一半則使用Sn∕SnS當作儲存系統。
第二種反應器設計是使用不同能隙的半導體，以堆疊方式建構而成。在陽光光譜分布中，還是有少部分波長較短（能量較高）的光，波長較短的太陽光在激發寬能隙半導體時，會產生較高的光電壓，但是有較小的光電流。對於窄能隙半導體來說，大部分的陽光都可以吸收，但是產生的光電壓較小。
使用多層能隙半導體可以克服上述的問題，選用吸光性質不同的材料，匹配相對能帶的位置，便可以建置具有寬廣吸收太陽光能力的反應器。此外，這種光電化學反應器可以連結電化學能儲存系統合併使用。
第三種系統則是改良Honda及Fujishima設計的光電化學反應器，這種新穎的反應系統可以利用太陽能把水分解成氫氣與氧氣，以n－型半導體做為陽極，產生氧氣；以p－型半導體或Pt做為陰極，產生氫氣。設計的原理是可以施加偏壓提高載子分離與傳輸的能力，或利用反應槽陰極及陽極的活性物種濃度、酸鹼度調控，以提高反應的勢能，這些都是增加光 ─ 化學轉換效率的手段。
各國發展現況
美國能源部最新的報告資料指出，光電化學產氫技術的設定指標，期望到2018年時，轉化效率可達12％，壽命可維持5,000小時。國際上積極開發光反應器的有美國NREL、Hawaii Natural Energy Institute、SRI International、日本Hitachi Lab.、瑞士科技研究院等。其中以美國NREL開發的光化學反應器是目前效率最高的反應器，所用的材料是p－型磷化銦鎵（GaInP2）結合砷化鎵（GaAs）光電池，日光轉化氫能效率可高達12.4％，已經達到美國能源部可商業化且具有經濟效益程序的目標，缺點是壽命仍不足。
臺灣在半導體製程、封裝與設計方面在國際上都有一定的地位，若可以整合研發的能量，在下一世代的能源系統必能取得領先的地位。
目前光觸媒水分解製氫氣與氧氣的技術發展，尚未達可大規模商業驗證的階段，各個研究機構所開發的光電化學反應器，仍以實驗室級驗證或示範系統為主。工研院設計開發的小型光轉化反應器系統，以教育推廣為首要目標，期望藉由教學示範落實基礎教育，達到推廣的目的，但仍具有部分系統驗證的功能。
兩種小型反應器系統分別使用光觸媒粉體與光觸媒薄膜做為反應的活性物質，反應系統的部分元件使用較便宜的材質。反應系統的運作原理，以薄膜式反應器為例，是產生氫氣後由矽膠管導入氣球以儲存氫氣，最後把氫氣導入燃料電池汽車的儲存槽。使用時只需切換開關，就可利用車內的燃料電池把氫氣轉化成電力後推動汽車，做為系統功能即時驗證用。
未來希望協助國內產業建構完整氫能產業，包含光觸媒產氫技術商業化與加氫站的建置，並結合光觸媒產氫技術與燃料電池系統，以大幅降低建置成本。此外，可藉由這項創新技術，達成完整零排放的氫能經濟藍圖能源結構，以維護我國產業競爭力與落實節能減碳的理想。
