從生物圈到再生能源
100/05/06
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紀國鐘｜
交通大學光電工程學系
傳統台灣人的觀念就是勤奮工作，努力賺錢，但生活儉樸。在全球氣候劇烈變遷的浪潮下，要能繼續安然幸福地過日子，國人必須採用新思維，利用再生能源新科技促成生物圈生活的文明。
生物圈
人類文明的發展源自 300 萬年前直立行走，空出雙手製作工具，到 10 萬年前進化為智人，以及約 1 萬年前開始建立農業耕種。生活方式由採集、打獵及小部落逐水草而居，進化到定居水岸，從事農耕及畜牧，並發展出群聚分工的文明生活。
這段時期一直延續到 400 年前的工業革命，科學家把它視為人類在地球上的生物圈生活的時代。地球生物圈就是地表，海平面上、下 1 萬公尺所涵蓋的空間，是人類與其他生物構成的生態體系。人類的生存須以自然界動植物為食物，轉化成自身的體力，也會以大型動物，如牛、馬、象、駱駝等為輔助動力搬運重物，並知道燃燒木材提供熱能，當然古文明也曾使用過風力及水力。
各種能量都從太陽經輻射由太空進入地球大氣層，再被植物與微生物轉化為成長要素，供人類及其他生物取食。廢棄物回歸塵土時，再被微生物分解釋出或沉積成地質土壤。地球孤立於太空中，只有太陽能的注入。由於萬有引力，廢棄物包括氣體都無法逃離地球大氣。
地球猶如一艘太空船，隨著太陽航行於宇宙中。地球自成一個生態循環體系演化了 40 億年，直到 400 年前的工業革命，使人類逐漸走出這生態體系的框限，能源不再只依靠即時的太陽能，也可以由煤礦、石油、天然氣、鈾礦等提供。
科技進步推動了工業化，造成了大量物質的生產，又因消費及人口遽增，致使 400 年後的今天，不僅即將把儲藏在地下的化石能源、礦物等資源使用殆盡，更開始苦嘗地球環境受到快速破壞的惡果。過去 10 年來氣候變遷加劇，人類生活品質日降，更嚴重的是，生物的滅絕以飛快的速度發生。
最近大氣中的溫室氣體二氧化碳的濃度，上升到前所未有的 390 ppm。科學家也證實了人為排放二氧化碳的確已造成地球的暖化，進一步把地球推向不可逆的環境毀滅，包括人類在內的生物將難以繼續生存在地球生物圈內。
由於這種認知，生態體系與溫室氣體循環的研究就變成了緊急的科學議題。1991 年，科學家提出生物圈二號的實驗計畫，希望藉由小型的生物圈實驗了解生態體系的運作，並利用所發現的新知找出挽救地球生物圈的方法，讓人類及所有生物得以永續發展，而非自我毀滅。
生物圈二號
科學家曾把地球太空船看成是生物圈一號，希望藉以研究整個地球的生態體系。但是地球實在太大了，情境條件又複雜，在人力及經費有限的情況下，便提出生物圈二號的研究策略，冀望在兩年內能儘速獲得成果。
1991 年，科學家選定美國亞利桑那州土森市以北沙漠中，方圓 1 萬 5 千平方公尺的地方進行實驗。這計畫總投入經費約 2 億美金，並徵集了 8 位科學家及 3 千 8 百種生物。生活環境有熱帶雨林、熱帶草原、海洋、沼澤及沙漠，並有居住區及農業區供科學家兼農夫生活。他們種植蔬菜、飼養牲畜，自主生產約 80％ 的糧食，其餘在進入前預先儲藏。
生物圈二號運轉所需的能源，主要當然是太陽能及外面提供的電能。為了空氣的循環及熱漲冷縮的調節，也設置了兩個大型「人工肺」。當然淡水也是預先置入，與海洋及農業區等生物群落循環使用。進駐的研究人員每天約需為食物工作半天，其餘時間從事科學研究，利用傳感器整理溫度、溼度、雨量、氧氣、二氧化碳等參數，以確保不致危害到生物圈內各種生命的生存。
生物圈二號是個模擬地球環境的小型生態系統。科學家發現在第 17 個月時，圈內氧氣含量竟降低到 14％，這狀況先前並沒有預料到，可能是水泥建物的氣體吸附影響到氧及二氧化碳循環所致。其他生態現象如蟑螂大量增加，最初置入的 25 種小型脊椎動物有 19 種滅絕，滅絕的速度超過預期，可能是生態系統太小或不完整，多數動植物無法正常繁殖之故。另在水的循環方面，達成了回收重複使用的預期，降雨則稍為失控，造成沙漠變成叢林和草地。
這個實驗讓科學家了解到，以目前已知的知識尚無法創造一個完整的生態系統。更進一步的體會應該是，人類若繼續消耗地球生物圈的資源，可能會使目前全球氣候暖化的問題更形惡化，而這些問題尚無法以現有的知識去解決。生物圈二號不到 2 年就無法讓裡面的生命繁衍，那麼生物圈一號的地球能讓我們繼續生存多久呢？是 500 年、500 萬年，或是 50 億年？
再生能源
在過去 50 年中，多數科學家證實氣候變遷與溫室氣體排放確有直接的關聯。1980 年聯合國就成立了政府間氣候變遷委員會，以確認二氧化碳排放對氣候的影響並研擬因應對策。1990 年京都議定書就要求世界各國，必須在 2005 年把二氧化碳的排放量降回到 1990 年的水準。今日，世界各國的確都已提出節能減碳及增加再生能源來取代化石能源的策略。可惜除了歐盟及日本、巴西等國較積極外，美國、澳洲及其他開發中國家如中國、印度等，仍依循舊的思維以化石能源來提升工業生產量。
若世人仍一味追求經濟成長而不思提升能源使用效率，後果當然是溫室氣體二氧化碳持續增加，繼而氣候變遷的衝擊會在本世紀末達到無法收拾的程度，人類的滅亡將無可避免。這是非常嚴重的議題，我們必須立刻行動，方式有二。
第一是改變生活方式，回歸生物圈的生態體系思維。人們必須自我定位為地球生態體系的一員，儘量減少能源的使用，例如食、衣、住、行宜在地化，以節省運輸所需的能源。第二是以太陽能取代化石能源。再生能源如太陽熱能、太陽光電池、風力發電、海洋能、生質能等，都是太陽能的不同形式，轉換技術都已有相當的成果並具備產業價值。
我國從 1990 到 2009 年間，二氧化碳排放量增加速率與國民所得增加速率幾乎同步。這個結果表示我們使用能源的效率，或說每一公噸二氧化碳排放所獲得的生產價值，在過去 20 年間並沒有改善。或許臺灣二氧化碳總排放量占全世界的 1％，不足為道，但我國年總產值卻有 70％ 是外銷，依目前國際進出口關稅的發展趨勢來看，課徵二氧化碳排放稅在未來勢不可免。因此，提升能源使用效率應是可以提升外銷競爭力的手段，推動低碳再生能源產業就成為我國近年經濟發展最主要的基礎建設。
我國的再生能源技術在太陽光電池及風力發電方面，已有相當的研發及產業能量，其他如海洋能、生質能及氫能都尚在研發階段。以下就太陽光電池發電技術及其產業加以介紹。
太陽光電池技術及其產業
太陽光電池(或稱太陽能電池)是以半導體材料如矽、砷化鎵製成的 p-n 界面二極體元件來吸收太陽光的能量。根據光電效應的理論，半導體材料所吸收的光子可轉化成電子－電洞對，並因 p-n 界面內建電場的作用，使得電子－電洞對分離進而輸出電功率。這就是光伏特效應（photovoltaic effect）。
光電池最重要的技術指標就是轉換效率，也就是光子轉換成電子－電洞對進而輸出為電能的能力。例如矽晶類材料做成的太陽光電池，目前轉換效率約 20％，其餘 80％ 的光子則沒有作用，或產生的電子－電洞無法到達電極變成有用的電能。
太陽光電池以無機半導體材料為主。現今所使用的太陽光電池，以矽材最為成熟，占有約90％的市場。其中單晶及多晶矽更是廣泛使用在建築物上，或架在屋頂、貼在牆上，或做成玻璃窗。以非晶矽材做成的太陽光電池，則多使用為手提型計算機的電源。
由於矽材是積體電路的重要材料且需求量極大，所產出的價值更高，因此市場上材料的供應以積體電路需求優先且價格也較高，若要發展太陽光電池技術，矽材的使用量必須降低。2000 年以來由於太陽光電池需求增加，新的矽薄膜技術又研發成功，不僅大幅降低材料需求量，轉換效率也已提升至商品化要求的 10％。
其他薄膜技術如 CdTe 及 CuInGaSe（CIGS）等也都有研發及生產，但前者因含有鎘（Cd）等有毒物質，最終可能會被禁止使用。另一種使用 Ⅲ-Ⅴ 族材料的太陽光電池，即砷化鎵（GaAs）系列電池，其技術成熟度與矽單晶太陽光電池相仿，雖然轉換效率高達 40％，但因材料成本較矽材貴上 10 倍，難以推廣，1960 年代以來只用在人造衛星上，因為它的重量是矽單晶的一半。其優越的抗輻射傷害性，也是其獨占太空市場的另一主因。
目前由於創新技術的研發，砷化鎵系列太陽光電池的利用已朝向聚光型，即在元件上方加裝一透鏡以聚焦太陽光，使照射到元件上的光量達太陽光的 500～1,000 倍。這個發展使得 Ⅲ-Ⅴ 族材料的成本大幅降低，又可提高效率。近年來熱門的產品有發電廠或汽車、無人駕駛飛機等的輔助電源。
太陽光電池的技術除了元件、模組、系統架設等外，還依各地日照情況而有發電時間長短的變化。例如宜蘭的雨天比臺南多，又如赤道地區比緯度高的地區，日照直射的角度好，這些都會影響同一種太陽光電池的發電量。
太陽光電池產業可分為上游矽晶圓製備，中游的太陽光電池元件及模組製造，下游的系統及建置。根據工研院的資料，臺灣太陽光電池產業的產值在 2006 年可分成矽晶圓約 43 億臺幣，太陽光電池約 188 億，光電池模組 28 億，應用系統 6 億。由以上分類可知產值最大的是太陽光電池的 188 億，而系統產值僅 6 億，顯示國內所製造的光電池 98％ 都是輸出的，自己使用的量甚少，其結果就是國內太陽光電池供電量所占的比率遠低於 1％。
由上述產業發展來看，我國光電池產業架構已經相當完整，也已具備國際競爭力，未來發展重點當然是擴大外銷及國內供應量。惟太陽光電池發電成本仍然高於煤、石油等化石燃料，而使用太陽光電池的先進國家如歐盟的德國、西班牙、捷克及日本，都是以政府的力量補助，為降低二氧化碳排放量而努力。我國於 2009 年也已通過再生能源法，制定收購太陽光電的電價。只可惜，每年收購額度有上限，恐無法真正帶動產業的生產規模。
預期未來國內太陽光電池產業仍會以外銷為主，對降低我國二氧化碳排放量及增加就業率的貢獻並不大。過去 10 年來，世界各先進國家莫不以再生能源產業做為國家最主要的政策，全力推動。我國若要在全球化的浪潮下維持競爭力，這一份緊迫感的壓力尚有待全民的覺醒。期待臺灣生活文明可藉由再生能源的使用而成為一種新生活典範，並促成人類回歸地球生物圈的幸福永續文明。
