【能源3】為何太陽能既有潛力但又有局限？

太陽是一個極其龐大的能量來源，從時間尺度看，它的壽命遠遠超出人類文明，理論上可以供應我們很多世代的能源需求。聽起來很理想，但把陽光變成日常用得上的能量，其實牽涉很多物理與工程的問題。本篇文章會帶你理解光合作用、太陽能電池的工作原理、為何有些設計效率高，但又難以大規模替代傳統能源，以及需要哪些配套才能真正把太陽能用好。

植物怎樣「收集」太陽能？光合作用的效率其實不高

先從最自然的例子說起：植物的光合作用。植物把太陽光的能量轉成化學能，靠的是葉綠素吸收光，把二氧化碳和水合成糖分——簡單來說，就是把較低能量的分子組合成高能量的糖，糖可以儲存、燃燒或供植物呼吸。這個過程很聰明，但效率並不高。即便是生長最快、效率最好的陸地植物，整體把光轉化為化學能的效率也可能只有約8%甚至更低。

為甚麼會這麼低？可以用一個簡單比喻：想像你用不同口徑的網去撈落入水裡的魚。葉綠素的“網”對某些顏色（藍光、紅光）撈得比較好，但對綠色光撈得很差，所以葉子看起來是綠的——那些綠光被反射走了。太陽光裡除了可見光，還有大量紅外線和紫外線，植物也未必能有效吸收。加上光合作用還要做許多化學步驟，耗能與損失多，整體效率自然受限。

此外，生態系統還有空間限制：要靠植物大量提供能量，需要很大的面積。海草等水生植物被提出作為另一方向，因為它們覆蓋海洋面積大，但同樣面臨收集、運輸和處理等現實問題。

太陽能電池：把光直接變成電

另一種思路是直接用人造材料把光變成電——太陽能電池或光電裝置。現代太陽能電池種類繁多，大致可以分成幾類：有機（類似有機化合物）太陽能電池、薄膜電池、矽晶電池，以及多層結構的高效電池（multi-junction）。每一種都有優缺點。

有機電池比較像植物，用有機材料吸光，但它們通常效率較低，穩定性（用久會衰退）也較差。薄膜電池的好處是可以做得很薄、能彎曲，像貼紙一樣貼在不平整的表面，雖然效率不如矽晶，但適應性高。矽晶電池是目前最普及的家用型，效率中等，壽命長，技術成熟。

值得一提的是多層結構（multi-junction）太陽能電池。它們像一塊威化餅，把不同半導體材料一層層堆疊。每一層對不同波長的光特別敏感：上層吸收高能量的藍紫光，下一層吸收綠-紅光，最底層吸收紅外線。這樣一來，整個裝置能把更廣範圍的太陽光都用上，實驗室中這類電池的轉換效率可以達到四成左右（約40%），比植物或一般商用板高很多。

為甚麼多層結構可以更有效？用生活例子解釋

想像太陽光像一袋混色糖果，有紅、藍、綠、橙等。普通單層電池就好像用一個只能挑出某色糖果的筲箕，其他顏色就漏走了；多層結構則像多個不同篩網疊在一起，每層專門撿不同顏色，結果撿到的糖果更多。物理上的原因是半導體有一個「能階差」或稱「能隙」（bandgap），只有能量高過這個門檻的光子才能激發電子產生電流。不同材料有不同的能隙，疊層就能涵蓋更多光子能量。

另外，太陽光的能量分布有一個「峰值」，大約在橙黃可見光附近（可用黑體輻射曲線來描述太陽光譜的粗略形狀）。好的太陽電池就是盡可能把可見光與近紅外的能量都吸收並轉換。

效率高但難普及：從實驗室到城市屋頂的距離

既然有些電池在實驗室已做到四成甚至更高的效率，為何我們還未看到它們在每個屋頂大規模普及？原因主要有幾項：

1) 成本與材料：高效多層電池常用到昂貴或製程複雜的半導體材料，量產成本高。想像一件手工訂製的西裝和工廠批量生產的成本差距。

2) 壽命與穩定性：有些高效設計在實驗室環境表現優秀，但暴露在戶外風吹日曬後會退化，維修與更換成本高。

3) 面積與配置限制：太陽能需要面積。若你住在香港的高樓低層，無法擺放足夠面積的太陽板，收集到的能量非常有限。薄膜板雖然可以彎曲，好放在曲面或便攜裝置，但單位面積發電量仍低於高效晶片。

4) 天氣與地理：太陽能發電受天氣影響大，陰天或多雲、季節性光照差，都會令發電不穩。城市裡高樓遮蔽、街道陰影都會減少可用光照。

配套很重要：儲能、電網與多元能源角色

太陽能不是孤立使用的。因為它的發電量會隨時間波動，一個實際可行的系統通常需要配合儲能（例如電池）以及智能電網管理，才能在夜間或陰天供電時平衡需求。這有點像你家冷氣只在白天開，可是晚上還要用電，得靠冰箱或電池儲存白天生的冷氣（能量）來用。

另外，選址與土地使用也需考量：很多高效太陽場設在陽光充足的乾旱區，但那類地區往往缺水，興建與維護大型電場也會牽涉到水資源與生態問題。把太陽能當成「支援型」能源，配合風能、水能、核能、以及提升能源效率，可能比單一依靠太陽能更務實。

未來方向：模仿自然，或改良半導體？

科學家同時在兩條路上努力。一方面是仿生或人工光合作用的研究，嘗試像植物一樣把光直接轉為化學燃料（例如製氫或合成燃料），這樣產生的能量容易儲存與運輸；另一方面是改良半導體、降低成本與改善壽命，讓高效電池能被大規模製造與安裝。海草等生物質方向也在探索，因為海洋面積大，若要用生物方式收集能量，海洋資源提供另一個可能性，但仍有收集與轉化效率、環境影響等課題。

結語

太陽能確實是一個非常重要的能源選項：源源不絕、清潔，而且在技術上已經能做到比植物更高的能量轉換效率。不過，從實驗室到普及應用，中間有材料、成本、穩定性、空間與天氣等多重挑戰。把太陽能當作能源組合中的一員、並配合儲能與其他發電方式，以及改善能源使用習慣，才是更現實的路徑。簡單來說，太陽能是很大的禮物，但我們還要學會如何好好包裝、保鮮，然後智慧地分配使用，才能真正把它變成生活中的電力來源。