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

福虎生豐: 111年清華材料系尾牙歡聚

福虎生豐: 111年清華材料系尾牙歡聚

成果豐碩亮麗

濟濟一堂

值得特別恭喜

顯示材料系不同凡響

福虎生豐

幸運得主

每年材料系尾牙都是與老朋友、新朋友、大朋友、小朋友相聚的時刻，令人特別開心。

剛才聽系主任報告材料系今年各項成果豐碩亮麗，值得特別恭喜，預祝虎年更「福虎生豐」、「龍騰虎躍」。

由於我已半退休，研究室又留在工四館，而材料系系辦公室與大部分老師都集中在台達館，所以與某些同仁幾月不見是常事，與之相對的，因常與幾位交大材料系的教授朋友一起健走，有時感覺掌握交大材料系時事比清大多，這點是希望明年能大大改進的。

另一方面，回顧參與材料系的活動，在十二月倒是不少；這包括「材料系好書共享」活動，很感謝杜正恭老師以及許多同學共襄盛舉，也特別感謝系辦公室承辦各項繁瑣業務。最後得賦予五百多本好書新生命，遠超過預期，期間很多同仁表示，有意參與但不及整理藏書，寄望來年，「材料系好書共享」會更豐富多元，成為一優良傳統。

其次是參加材料系雙百會頒贈成績優異獎學金典禮；雙百會是在材料系教師與熱心系友倡導下於2018年成立，由會員捐贈成立「材料系永續基金」，主要是由創始會員每人捐贈一百萬元，至今累計已超過三千兩百萬元，「材料系永續基金」由校方財務專家操作，這三年都約有5%以上的收益，今年約有155萬元，由於系友會陳超乾會長有意努力將「永續基金」規模加倍，對材料系延攬優異師生的力道，將更為增強。

這裡要特別一提，材料系雙百會的成立，再次展現系友的向心力與實力；如果我們看雙百會會員名單，會發現聯華電子五位擔任副總以上職位清華校友都是材料系的系友，台積電有三位現任或前任副總也是系友，還包括許多董事長與總經理，顯示系友的實力驚人，而對材料系的向心力則令人感動。比較之下，目前全校尚無其他系所得以組成像雙百會的組織，顯示材料系的不同凡響。

第三是欣喜參加葉均蔚教授榮獲【2021年行政院傑出科技貢獻獎】感恩宴，葉教授不久前被抹紅，但他最近光靠表現就已紅得發紫，抹紅注定失敗；這裡也要特別恭喜與感謝材料系同仁在過去一年，在教學、研究以及服務方面各崗位盡心盡力，有許多優異的表現，所謂「罄竹難書」、「族繁不及備載」。

最後是十二月初參加清華大學「退休人員聯誼活動」，喜見許多老朋友；由於今天在場有許多退休同仁，也有多位同仁即將退休，而大家終究也會退休，我也在此向大家報告清華已成立「退休教職員工聯誼會」，本人蒙大家抬舉，忝任榮譽會長；「聯誼會」第一要務是協助退休教職員工妥善規劃退休後的人生，以現代人的健康清況而言，退休後「第三人生」其實相當漫長，將從講座開始，作些實務工作，則功德無量。

「新冠疫情何時了，病毒知多少」，惱人的新冠疫情，延燒已近兩年，何時告一段落，還在未定之天；由於最近全球各地，確診人數節節上升，台灣境外移入染疫人數也跟者飆高，新春群聚機會增多之際，大家仍須格外謹慎保重。

最後祝大家虎年行大運。

為億萬人做更佳服務: 中央大學頒贈蔡力行執行長名譽博士

為億萬人做更佳服務: 中央大學頒贈蔡力行執行長名譽博士

為億萬人做更佳服務

與引言貴賓合影

羅家倫講堂

羅家倫先生曾分別領導三校

首先恭喜蔡力行共同執行長榮獲中央大學名譽博士殊榮，我有幸於1981年在美國康乃爾大學見證力行兄榮獲材料科學博士，四十年後又得以親臨中央大學頒贈名譽博士典禮現場，可謂有相當緣分。

一般來說，博士分兩種，一是專業學位博士，另一是名譽博士，據統計，台灣現有由國內外大學授予的專業學位博士十餘萬人，但名譽博士恐怕只有幾百人，而且一般認知是對社會有重大貢獻的人，更為難得，值得大大恭喜。至於坊間有所謂超博士、一個半博士與假博士等，只能當作笑談。

大家都知道台積電與聯發科都是在台灣世界級的公司，力行兄能在不同時期，分別擔任這兩大龍頭公司以及中華電信的領導人，而且績效卓越，絕非偶然。我於1980年從清華到康乃爾大學材料系半導體材料巨擘 Jim Mayer 教授研究室從事研究，當時至少有三位台大物理系的學弟和兩位清華材料系的學生正在同系攻讀博士，而力行兄是其中之一；康乃爾大學材料系課程非常吃重，一學期三門課都會讓許多台灣去的優秀學生弄得昏天黑日；力行兄是一位印度裔教授 Rishi Raj 的得意門生，從事陶瓷材料研究，在系裡經常相遇，也許已接近畢業，感覺上他在研究上頗能輕鬆以對，而且有很優異的成果，雖然當年無法預見他在日後會領導台積電與聯發科，但其臨事的從容瀟灑，仍讓人印象深刻。這裡也要特別感謝多年後中國材料學會設立 Jim Mayer 講座時，Mayer 教授曾抽空參訪台積電，並蒙力行兄熱誠接待。

今天我另一個身分是台灣聯合大學系統的總校長。台灣聯大是由中央大學、政治大學、清華大學以及陽明交通大學組成的大學系統，主要是做整合、卓越、提升的工作。四校除同屬台灣的頂尖大學外，彼此之間又有很深的淵源，譬如說今天的典禮是在羅家倫講堂舉行，政治大學前身中央黨務學校、中央政治學校雖然名義上的校長是蔣介石先生，羅家倫先生是主要負責人，奠定政大今日發展的基礎。同時羅先生在 1928-1930 年擔任清華大學，又在 1932-1941 年擔任中央大學校長，一人在不同時期領導三校，尤其羅家倫先生對三校都卓有建樹，是三校校友與師生同仁都能引以為榮不可或忘的，也巧妙牽起台灣聯大和蔡力行執行長的情緣。蔡執行長今日成為中央人，也就是成為台灣聯大人，希望以後與台灣聯大有很多合作關照的機會。最近勇奪大專籃球聯賽女子組公開組第二級冠軍的清大女籃隊獲得聯發科連續三年獨家贊助，是一個好的開始。

明代繪畫大師董其昌曾說「讀萬卷書，行萬里路」有益作山水畫，清朝道光年間筆記大家梁紹壬先生認為讀萬卷書，如同行萬里路一樣。形容多讀書，則見多識廣，後人進一步引申為人不僅要多讀書，而且要行萬里路，才有足夠的見識，現代人更說「讀萬卷書，行萬里路，服萬人務」，以蔡執行長的學識。見識、器識與經歷，我預祝未來能為億萬人做更佳服務，有重大貢獻，功德無量。