為什麼太陽能發電效率不能達到百分之百？｜Quora 你問眾答

2016 年 04 月 01 日

技術Ｘ解析

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除了夜晚或陰雨天，太陽能取之不盡用之不竭，可說是「天上掉下來的禮物」，但實際上，太陽光中的紫外光、紅外光、較微弱或非直射的散光人類目前的太陽能系統都無法使用，發電效率可能比你想像中的還低，目前全世界最強大的光伏板發電效率連 50% 都不到，成本卻高到只有 NASA 等級的機構才買得起。究竟，阻礙我們百分之百運用太陽能的原因是？

太陽能發電效率阻礙 No.1：熱力學第二定律（卡諾定理）

在討論太陽能系統發電效率前，我們需要先理解熱力發動機與卡諾定理。

熱力發動機是一種把熱能轉化成機械能的機械，可簡單分為高溫熱源、工作系統和低溫熱源三個要素。運作過程中，熱量從高溫熱源流入工作系統，一部分轉成機械能，一部分流向低溫熱源。

根據 1824 年法國工程師尼古拉．卡諾（Nicolas Léonard Sadi Carnot）推導的「卡諾定理」，即使是一個設計最最理想的熱機，它把熱能轉化成機械能的效率必定低於100%，除非高溫熱源溫度無限大，或低溫熱源比絕對零度還低。

因此同樣受限於卡諾定理的太陽能系統，發電效能也不可能達到百分之百。哈佛大學的物理博士生 Steve Byrnes 算出，如果太陽溫度是高溫熱源，而地球環境的溫度為低溫熱源，那在強光的日子裡，沒有追蹤器的非集中式 PV（光伏板）最高效率可達 55%，而帶有透鏡或鏡面等陽光追蹤器的集中式太陽能 PV 最高效率可達 85%。不過市面上一般人買得起的 PV，不論是集中式或非集中式，發電效率都在 35%上下。

Steve Byrnes 分析，非集中式 PV 正朝著 55% 的目標邁進，而集中式 PV 受限於以下實際問題，發電效率最多也只能發展到 55% 左右：一、沒有能完美集中的透鏡或鏡面。二、太陽能電池越熱，效率就越差。三、PV 只能用直射光，但陽光中無法被使用的散光就佔 15% 以上。

使用史特林熱能發動機（Stirling Engine）的太陽熱能系統（solar thermal），理論上溫度夠高，發電效率就會提高。只要能把系統加溫到 2000 C，發電效率就可達到 85%，But，人生最重要的就是這個 But，想讓熱力發動機長時間維持在如此瘋狂的高溫，一樣不切實際。比較合理的溫度是 600 C，發電效率為 65 %（但一樣要扣掉 15% 的散光）

太陽能發電效率阻礙 No.2：蕭基-奎伊瑟極限

理論上人們不可能找到一個材料，能完全將太陽光能轉換成電能，工程師 Imran Akbar 指出，這就是「蕭基-奎伊瑟極限(Shockley-Queisser limit)」。《【能源材料】為太陽能電池製造一個專屬的太陽》這篇文章進一步解釋，太陽能電池是靠著半導體的能隙（band gap）的特性來發電，當光子能量大於材質能隙時，會被吸收並轉換成電源：

舉例來說，最常用於製作太陽能電池的材料「矽」，能隙為 1.12 電子伏特（eV），因此光子能量小於 1.12 電子伏特，便無法被矽吸收轉換成電能；但相反的假設一個光子具有 2 電子伏特的能量，矽在吸收這個光子後卻還是只能產出 1.12 電子伏特的能量，剩下的 0.88 電子伏特會轉換成熱能而損失，這個現象會讓太陽能電池先天上無法達到 100% 的光電轉換效率。