與君發三願: 2022年清華校友總會春酒宴

與君發三願: 2022年清華校友總會春酒宴

與君發三願

喜來登

很感謝校友總會邀請參加春酒宴。今天在農曆二十四節氣中是雨水日，果然整日下雨，所謂「好雨知時節，細雨潤無聲」，老祖宗的智慧，不能不叫人佩服。由於Omicron 病毒導致疫情的影響，過年前後很多活動都取消，今天的春酒宴是過年後第一次如期舉行的盛會，下星期預定參加的幾個活動似乎也不會延期，是一個好的開始，正如今天春酒宴所在的旅館名稱，是真正的「喜來登」。

對新竹清華近十萬校友來說，今年學校將對至少兩位校友有特別的紀念活動，他們分別是梅貽琦校長與行政院俞國華前院長；梅校長逝世到今年屆六十周年，通識中心規劃了一系列活動紀念這位兩岸清華永久校長，本人應邀在梅校長逝世同一日，也就是五月十九日，以「梅貽琦校長與清華精神」為題演講並與梅校長傳記「大學與大師」作者岳南先生與談；如果要問校友們，甚麼是清華精神? 雖然可能有許多答案，但相信很多人會同意就是校訓「自強不息，厚德載物」；由於在校師長的耳提面命，同儕的耳濡目染，已深植於清華人的基因之中；清華人都知道校訓出自《易經》乾坤二卦辭: 「天行健，君子以自強不息。地勢坤，君子以厚德載物。」值得一提的是，最近有人用大數據分析，在被稱為中國文化精髓的《易經》中，正是「天行健，君子以自強不息。地勢坤，君子以厚德載物」被引用最多，也可見其影響深遠。

在俞國華前院長方面，科管院接受「財團法人俞國華文教基金會」委託在今年舉辦一系列的紀念活動，俞校友於1934年夏畢業於北京清華政治系，後留學英美深造。1955年返臺從政。日後在財金方面大展長才，與前行政院院長孫運璿、前財政部部長李國鼎等，並稱臺灣經濟奇蹟最關鍵的推手。

俞校友在財政部長任內，順利籌措實施九年國民義務教育所需經費財源。其後任央行總裁兼任經建會主委任內，主持經濟金融政策，協助完成十大建設，使經濟快速成長，維持貨幣供給穩定增加，並實施利率自由化，兼保有物價穩定，負責整體經濟決策及規劃各項發展計劃，主掌臺灣經濟快速轉型的政策導引。

1984年6月至1989年6月，俞校友在行政院長任內開放黨禁，解除報禁，開放大陸探親，制訂第一屆中央民意代表自願退職條例，修訂集會遊行法。在經濟方面：連續五年平均經濟成長率是9.9%。同時解除外匯管制。成立行政院勞工委員會，設置行政院環境保護署，各地方政府設環境保護局，分層推動環境保護，政績卓著。2000年獲選為母校名譽博士，「俞國華基金會」並設立「俞國華獎學金」獎勵清大品學兼優學子。盼望今年的紀念活動，能讓校友與國人能進一步體認俞校友的遺澤。

過年期間是讀詩的好時光，初一時剛好讀到中唐時期大詩人白居易與劉禹錫互贈的幾首詩； 白居易是家喻戶曉，劉禹錫可能大家也不陌生，他是《陋室銘》作者，有「山不在高，有仙則名，水不在深，有龍則靈」、「談笑有鴻儒，往來無白丁」、「舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家」、「沉舟側畔千帆過，病樹前頭萬木春」、「莫道桑榆晚，為霞尚滿天」等名句。他與白居易同一年出生，為莫逆之交，也同享古稀高齡，合稱「劉白」。白居易在其中一首《贈夢得》（劉字夢得）詩中，談到他們「三日三會面」，「對酒交相勸，與君發三願」，這三願是「一願世清平；二願身強健：三願數與君相見」，這也是我今年新春給大家的祝福。

綠色能源與材料科技 (四): 風能

綠色能源與材料科技 (四): 風能

在整理完「未來材子領袖營」講稿後，意猶未盡，決定對其他比較具未來性的綠色能源現況及展望作進一步了解，涵蓋範圍包括風能、核能以及奈米發電機等。

三、風能

風能是指風所產生的能量，利用風力拉帆航行、風車來磨穀或抽水是各地人們長年習用的技術；目前主要應用為風力發電。

風力發電由於風機的改良進展，岸上風力發電已成為一種低成本的發電方式，但許多機種都有噪音過大的問題、因此必須遠離住家，且土地資源需求較高。離岸風力發電比岸上風力發電更強、更穩定，但建造和維護的成本則更高。小型的岸上風力發電廠可以作為一種微型發電，為電網提供一些電力，或是為隔離於電網之外的偏遠地區提供電力來源。

低成本的發電方式

由於風能量豐富、分佈廣泛、碳排放相較於火力發電低甚多，為許多國家積極推動的永續能源以及可再生能源技術之一。並且對比於燃燒化石燃料，風能對環境的影響較小。現今風能已為全球電力供應的主要來源之一， 世界風能協會於2021年3月發布「2021全球風能市場報告」，指出2020年陸域及離岸風電合計新增93 GW裝置容量，創下歷史新高紀錄，累積裝置容量達743 GW。由其他資料顯示2020年全球風力與太陽能發電占全球總發電量9.4%。而其中風力發電約三分之二。

2020年風電累積裝置容量

至2050年風電年增率達6.4%

估計地球所吸收的太陽能有1%到3%轉化為風能，這些風量最後和地表及大氣間摩擦，而以各種熱能方式釋放。1919年，德國物理學家貝茲認為，不管如何設計渦輪，風機最多只能提取風中59%的能量，此稱為貝茲極限定律（Betz Limit）。現今正在運作的風力發電機所能達到的極限約為40%。大多數風力發電機實際效率範圍從20%到40%。因為地表附近，高度愈高，風速愈大。而風能是與風速的三次方成正比，所以風機高度愈高，發電量愈多，因此現今有許多風機的高度都超過100公尺。

貝茲定律

風能與風速的三次方成正比

許多風機的高度超過100公尺。

因為自然界中的風速常變化，並且給定地點所得的潛勢風能並不代表風力發電機在該處實際可以產生的能量。為了估計在某一特定位置的風速頻率，必須使用風速機率分佈函數來分析該地的風速歷史數據。因風能不能持續產生，常以抽水蓄能電站或其他方法來儲存風能以保持電力能持續供應，這大約增加25%費用。

隨著地區的風力發電增加，可能需要更多像是燃氣發電可快速調整輸出的電廠來備用或穩定電網，或是需要升級電網。但在許多的狀況下，可以使用電力管理技術來解決這些問題，像是調度不同的再生能源與不同地理分佈的發電機組，向鄰近區域的進出口電源、存儲能量等方法。此外天氣預報可以為風力發電可能的變化做準備，進而減少須要的備用發電容量。舉例來說，丹麥全年風力發電占總發電量 43%，但某些日子發電量較本身所需高出達 40%，得以利用先進電網將電力出口到鄰近國家如德國、挪威與瑞典。

丹麥風電可達所需140%

世界風能協會報告中預期風能市場未來前景仍強勁，在未來5年內(2021-2025) 預計複合年均增長率為4.0％，每年將增加超過94 GW，共超過469 GW的新裝置容量，此外，政府政策支持(例如躉購制度、生產稅收抵免、競標專案以及國家或州級設定之再生能源目標等) 仍然是風能裝置容量成長的主要驅動力。

未來5年預計複合年均增長率為4.0％

根據美國國家可再生能源實驗室，風力渦輪機主要由鋼製成（佔渦輪機總質量的 66-79%）；玻璃纖維、樹脂或塑料（11-16%）；鐵或鑄鐵（5-17%）；銅（1%）；和鋁（0-2%）。而主要挑戰在葉片材料，目前多用玻璃纖維強化樹脂；對超長葉片，需用碳纖維強化樹脂，但較格高昂影響成本效益，某些較長葉片則採用混合玻璃纖維與碳纖維強化樹脂，兼具所須機械性質與經濟性。另一方面，對於廢棄葉片，尤其是纖維強化樹脂，的符合永續經營原則處理，是材料科技可以發揮的地方。

風力渦輪機葉片構造

80米長葉片安裝前

綠色能源與材料科技 (三): 氫能

綠色能源與材料科技 (三): 氫能 

二、氫能

氫能廣義來說包括水力發電，而水力發電是目前人類社會應用最廣泛的可再生能源，在2016年高達16.7%。據以往長期研究顯示，以大壩儲水發電造成的問題包括大壩造成的環境會產生大量的溫室氣體甲烷，而大壩對原有環境的破壞是永久而不可逆轉，但發電功能的壽命卻是有限，同時建造位置也受地理因素限制。目前全球水力發電總量雖仍在增長中，但由於其他綠色能源的快速開發，使其在全球可再生能源所佔比重不斷下降。

未來氫能源發展重點會是在產生氫氣方面；氫氣在一般條件下單位體積能量密度很低，但以單位質量而言，能量密度極高，部分是因為其低分子量。氫電池利用氫氣經過化學反應後產生能量，是燃料電池的一種，它不但不會產生廢氣污染環境，而且也可以儲存能量，每公斤高達1.4億焦耳。它可用其他綠色能源來製造，容易儲存，氫燃料電池是未來大量使用受天候變化影響的太陽能與風能電網必備關鍵組件。

氫能經濟

氫燃料電池剖面圖

氫燃料電池是大量再生能源電網一環

氫能車用燃料電池的效益高過許多內燃機。內燃機效率頂多有20–30%，而最差的燃料電池也有35–45% 效率 (通常都高很多)，再加上相關電動馬達和控制器的耗損，最後純輸出能量最差也有24%，而內燃機則是更低得多。但純氫氣在製造後，必須加壓或液化，以提供足夠的驅動範圍，需要更多地使用外部能源動力壓縮，而且需用不輕的容器罐（壓力容器），在車用時又須經過電解。另一方面，充電鋰電池車純輸出能量高達60%以上，單位里程成本較低，但由於電池較重，車載電池量受限導致可行駛里程較短，充電時間又相對長，與氫燃料電池車各有勝場與缺點。以目前市況來看，鋰電池車已開始起飛，氫燃料電池車則尚在起步階段。

氫能效率

各種動力車能源效率

製造氫氣可用各種能源，在2018年全球產氫利用能源中，煤炭、天然氣、化石燃料副產品分別占16%、41.9%、40.9%，而綠色能源只占0.3%，未來必須大幅增加利用綠色能源，例如利用太陽能與風能，如此產生的氫氣稱為綠氫，其他依產氫所用能源或方式不同分類，還有黑氫、褐氫、藍氫、灰氫等。

全球產氫所用能源比率

在利用綠能產氫方面，電解水是目前主流方法，但能源效率為70%，也就是每用一度電，只能回收0.7度電，在節能方面並不划算；不通電而直接利用太陽光裂解水分子，可算無本生利，但產氫效率低，需要用到光催化材料來增加效率，如何開發適當光催化材料是現在研究的重點。

電解水是產氫主流方法

催化太陽光裂解水

以通過能帶隙調控和金奈米粒子修飾的 ZnxCd1-xS 奈米線為例，在模擬太陽光（加 AM1.5G  濾光片）下裂解水製氫，具有優良光催化性能。實驗顯示，與ZnS 和 CdS 奈米線相比，x = 0.5 的 ZnxCd1-xS 奈米線光催化劑對產氫的光催化活性要高得多，可歸因於 ZnxCd1-xS 奈米線的恰當能帶隙寬度和導電帶邊緣電位。另一方面，如通過用適當尺寸和分佈的金奈米粒子修飾 ZnxCd1-xS 奈米線，以在可見光和近紅外區域誘導局部表面等離子體共振，產氫效率可進一步顯著提高。研究成果代表以完全綠色的新穎方法提高水分解中產氫效率的重大進展。(略)

利用太陽光裂解水分子

氫能經濟的障礙是很多氫設備要大量使用才有成本效益。同時氫氣運送管線成本很高昂，需要大量的管線基礎建設投資才能儲存和分配氫氣到末端用戶；另外氫氣易燃並可能導致爆炸，確保安全至為重要，連帶增加使用成本，同時目前電解製氫和燃料電池科技仍有諸多問題待解決，在此前提下，氫氣不見得是長期來看最便宜的能源。

由於到公元2050年，要避免溫室氣體造成全球無法忍受的災難，綠色能源占比須達到70% 以上，而以技術較成熟的太陽能與風能合佔三分之二，但這兩種能源都受天候影響，必須有約百分之二十的備用電源才能有穩定的電網；前美國能源部長以及諾貝爾物理獎得主朱棣文曾預測，要達到此目標，電池技術將不實際，但如在電化學產氫上有所突破，而能將氫氣妥善儲存於地下，則情況會大為改觀；由此觀點，地球的未來將繫於產氫與儲氫技術的超越性創新，也是材料科技很能發揮的地方；時不我予，需要全球加緊通力合作。同時即使在目前，利用太陽能或風能發電尖峰時，也有發電過剩浪費問題，因此用來產氫也有助於避免浪費而儲能與其他應用。

儲氫有潛力長期儲存大量能源

利用再生能源產氫

另一方面，抗衡氣候變遷全球間歇性綠色能源的永續利用可能的「續命丹」是核能，核能發展近年來受全球性反核運動影響遇到很大的阻礙，安全性備受質疑，是否屬於綠色能源頗有爭議；但核能技術本身也在不斷改進中，由倡導與施行節能減碳措施領先的歐盟，正積極研議將核能劃歸綠色能源來看，未來核能有可能在氫能應用尚未成熟開發之前，作為人類抵抗災難性溫室效應解方之一。

綠色能源與材料科技 (二): 太陽能

綠色能源與材料科技 (二): 太陽能

一、太陽能光電裝置

太陽能板

地球的大氣，海洋和陸地吸收的太陽能每年大約是 3,850,000 艾焦耳 (Exa Joule，EJ)。在2020年，一小時內所能吸收的太陽能比全世界在一年內使用的能量還要更多，雖說「取之不盡，用之不竭」，如何有效取用是最大的挑戰。利用太陽能的方式很多，包括太陽熱能集熱，太陽能光電發電，太陽熱能發電，和人工光合作用等，而以太陽能光電發電最為重要。

如何有效應用太陽能是最大的挑戰

約有一半來自太陽的能量可達地球表面

太陽能電池在一九五零年代就被製造出來，目前主流是用單晶矽與多晶矽為基板，轉換效率分別達26.7%與23. 3%  (理論極限為29.4%，稱為 Shockley–Queisser 極限)，同時不僅晶片，模組價格也都節節下降，已漸具經濟價值，到2020年，全球已裝設773 兆瓦 (Giga W，GW)，相當於285座核四電廠 (原預計 2.7 GW)，預計到2050年會達到4.7 兆瓦 (4,674 GW) ，那更相當於1,700個核四電廠，將為全球能源最大來源。

太陽能電池效率圖

矽晶基板與太陽光譜

Shockley–Queisser 極限

太陽能發電指數式增加

太陽能光電累積裝置量排名

太陽能板的成本從2000年到2018年已經降低了70-90%電廠的成本，某些地區大型太陽能電廠成本已經比傳統電發還低，但屋頂型太陽成本還是偏高，且投資電廠須要高額的初期投資。同時太陽能發電有間歇性、受日夜與氣候變化影響，用於大型電網必須要有其他能源備載。

晶片價格節節下降

模組價格也快速降低

投資電廠須要高額初期投資

必須要有其他能源備載

設立大型太陽能電廠，用地廣而且要考慮日照因素。大規模地面型太陽電廠，如果設計不當，會造成生態和環境的影響。太陽能電池板壽命有限。大約是20-30年。而生產時所需使用的矽、鍺、硼可能會造成其他方面的污染，需妥善管控處理。太陽能板的原材料和電腦晶片原材料一樣。大量生產過程中化學物質是有毒有害，主要靠工廠所在地法律法規管控。

太陽能電池剖面圖

在太陽能電池研究上，除矽晶材料外，多種其他半導體材料如非晶矽、GaAs、CdTe、CIGS、鈣鈦礦以及敏化染料等也都展現應用的潛力，近年來二維材料太陽能電池也受到相當的注目。二維材料是指材料在三度空間某一方向的尺寸是原子層級。最先是在2004年開發的石墨烯，具有許多奇異的性質，推向原子級科技極限，發明人並因此得到2010年的諾貝爾物理獎，其後化合物二維材料，主要是過渡金屬與硫屬化合物，如MoS2、WS2等，也紛紛登上世界舞台，可能為未來的科技發展與產業帶來石破天驚的改變。二維材料也將使奈米科技的應用發展，更進一步並廣泛的深入各種應用科技領域。

石墨烯

以原子尺寸橫向單層 p-n 異質接面太陽能電池研究為例，其中包括製作原子尺寸轉變二維單層 WSe2-MoS2 p-n 橫向異質接面的太陽能電池，該異質接面通過兩段式以化學氣相沉積法合成，首先生成單層WSe2，再於上成長單層MoS2，用各種可分析單層原子，甚至單原子，的儀器，如原子力顯微鏡與穿透式電子顯微鏡等鑑定材料的結構與性質，其次利用電子束蝕刻技術製作WSe2-MoS2 p-n 橫向異質接面的太陽能電池。在模擬太陽光 (AM 1.5G) 照明下，實現了高達 2.56% 的功率轉換效率 (PCE)。電池的平面結構並導致前所未有的全向光收集行為，在 75° 的高入射角 (AOI) 下僅損失 5% 的 PCE。對斷路電壓 (Voc) 和短路電流 (Isc) 的低溫測量和模擬證實了光電效應源自單個 WSe2-MoS2 單層形成的橫向 p-n 接面。此外，也表明不受環境影響的二維單層元件在沒有保護層的情況下也是可行的。結果顯示單層 p-n 橫向異質接面在開發下一代光電元件，特別是穿戴式裝置，方面的潛力。(略)

本研究是利用新開發的材料系統製作具特殊應用價值的光電元件，屬性上是科學研究以及技術發展，有初步優良成果，是否導致規模化製造，還待進一步研發以及評估相關應用性、成本等問題。

橫向單層 p-n 異質接面太陽能電池

綠色能源與材料科技 (一): 簡介

綠色能源與材料科技 (一): 簡介

綠色能源

二十一世紀有關人類生存最重要的議題之一是能源問題；一方面人類習用的化石能源面臨枯竭，如石油約可再用數十年，煤可再用一百餘年，另一方面使用化石能源導致溫室氣體的排放，而使地球暖化到危險的地步；合理的預測人類如不及時覺醒，百年內會有滅亡之虞。

與能源需求以及地球暖化問題息息相關的是世界人口成長，據聯合國估計到公元2100年，世界人口將到達約一百一十億的高峰，伴隨人口增加與經濟成長，能源需求與地球暖化問題將更趨嚴重；以大氣中溫室氣體而言，二氧化碳含量在2020年達到約百萬分之四百二十，在二十年內暴增約10%，如不採取減碳措施，到世紀末，世界平均氣溫將增加攝氏4度以上，會危及地球半數物種。近年來各國體認大難臨頭已施行一些方案、但仍將使氣溫增加攝氏3度，而在最近全球氣候會議中承諾的方案，有希望讓氣溫增加減少到攝氏2.4度，仍會造成很大的傷害。[1]

世界人口成長

大氣中二氧化碳含量

因此人類要永續經營，節能減碳是必要之舉；因應人口增加以及經濟發展需求，人類無可避免的將會使用更多的能源，如從2020年的26兆度 (千瓦∙小時，瓩∙小時)，增加到2050年的47-57兆度，但將不能容忍化石能源消耗的持續增加，如煤炭與石油需求高峰將分別落於2028、2037年，整個化石能源需求高峰落於2035年；開發替代非碳能源，也就是綠色能源，除減少化石能源消耗，也能減少溫室氣體排放，據估計公元2005、2020、2035、2050年，綠色能源占所有消耗的18%、27%、51% 及73%，未來挑戰非常大，必須加緊開發。

世界各種能源消耗

世界各種能源消耗增率
 

全球化石能源需求

綠色能源到2035年所占比重依序為太陽能、風能、氫能 (包括水力) 與核能，到2050年將更為放大；這些能源的開發無一不與材料科技密切相關，限於時間，今天我就近年來個人從事太陽能與氫能研究介紹一下在這些重要領域發展與材料科學研究。

由於材料科學工程不是高中課程中的學科，首先在此作一簡介。材料科學工程原來重點在探討材料構造、成分、性質、合成/製程與功能關係，近年來也多考慮對環境的影響。與傳統的土木、機械、化工與電機工程興起於十九世紀不同，材料科學工程是二十世紀六零年代才出現的大學新興跨領域學門，主要是因應固態科學飛速進展，已不能為傳統工程學門所包含；材料科學工程嚴格而言與材料科技並非同義詞，簡化的說，科學著重原理，技術是基於原理或經驗實作，工程則是大規模實現，科學講究最先，工程力求最好；在現代，也許可於「技術由科學而來，科學造就技術」、「工程創造科技，科技堆砌工程」說法看出工程與科技的差別；但大略來說，可將材料科技視為材料科學工程簡稱，這將是我以下的用法。

材料科學工程

[1] https://www.cna.com.tw/news/firstnews/202110040157.aspx