太陽能發電與光伏效應 Solar Power and the Photovoltaic Effect

陽光是生命的泉源，大多數啦！

陽光是地球絕大多數生物的生命泉源（除了極少數只生存在深海火山口附近的生物之外）。在地球生命的演化過程中，最重要的關鍵就是誕生了可以吸收陽光能量的藍綠藻（現在稱為藍菌），它們是現今在化石中能找到的最古老的地球生物。藍綠藻可以透過光合作用，吸收陽光的能量後將二氧化碳分解，擷取其中的碳，然後把不需要的氧釋放到大氣中。經過十幾億年的積累，它們把原本大量存在於地球大氣中的二氧化碳幾乎消耗殆盡，使大氣中充滿濃密的氧氣，促進了地球生命的大爆發。

藍綠藻和後來演化出來的各種能行光合作用的植物，一直是地球生命利用陽光作為能源的最主要方式。綠色植物（包含藻類和菌類）透過光合作用吸收陽光中的能量將二氧化碳分解，並將其中的碳以碳水化合物（糖、澱粉等）的形式儲存起來。而後來演化出來的動物不會自己製造養分，而是靠著攝取植物儲存的養分來維持生命。之後又出現了一些動物不但不自己生產，甚至連吃草都不願意，而是以那些草食動物為食。一物「嗑」一物之下，就產生了所謂的食物鏈。在這樣的食物鏈架構下，地球上幾乎所有生物都是所謂的陽光生物。

工業革命之後，人類對於能源的需求快速上升，人類開始四處挖掘古代生物儲存下來的化石能源，將儲存在其中的碳與大氣中的氧結合燃燒以釋放其中的能量，把遠古時代的二氧化碳再次釋放回大氣中。

太陽能發電

但是近幾十年來，科學家發現了另外一種直接運用太陽能量的方式。透過一種稱為「光伏效應」的物理現象與半導體技術結合，可以直接把陽光的能量轉換成電力能源。

許多人會把愛因斯坦獲得諾貝爾物理獎的「光電效應」(photoelectric effect) 與「光伏效應」(photovoltaic effect) 搞混。我們大致可以這樣區分：光電效應指的是用能量很強的光子把原子裡的電子直接擊出物體外；而光伏效應中被擊出的電子只是離開原子或分子，但是並沒有離開物體本身。由於這個物體會因為成分不純而產生電場，於是驅動這些「離家出走」的電子越走越遠而回不了家，進而形成了電流。

光電效應與光伏效應的差別

光伏效應之所以能被用來發電，是因為它能利用兩種物質的電性差異在接合面附近產生電場，讓被打出來的電子順勢流動，於是就產生了電流。而這種光伏效應在 P 型跟 N 型兩種半導體介面處效果特別好，所以 PN 半導體就成為目前最主要的太陽能發電方式了。

PN 半導體

太陽能發電是近年來快速發展的一種新能源，它只要照光就能產生電力，完全不需要補充燃料。早期大多用於人造衛星或太空船這種與世隔絕、補給困難的環境。當時常常被誤稱為太陽能電池，但是電池是儲電裝置，不會自己生產電力；太陽能板其實是一種能夠自行產生電力的發電裝置。

太陽能板依靠光伏效應將陽光的能量轉換成電能，這是一種發生在不同物質介面的現象，在 P 型與 N 型兩種半導體的介面效果特別好。

當電子過剩的 N 型半導體與渴望電子的 P 型半導體接合時， N 型的電子會跨越介面跑進 P 型的電洞裡面，但填滿附近幾層之後就會飽和。這時如果用光照射 PN 介面，就可能把電洞裡面的電子再打出來，並驅使著電子沿著連通的線路一直前進而形成電流。我們用圖畫來說明會更容易明瞭。