隨著氣候變遷帶來的影響日益加劇，溫室氣體排放導致全球氣溫上升，對地球環境造成嚴重破壞，人類對於以再生能源取代化石燃料的呼聲愈發高漲。
在眾多替代能源方案中，太陽能因其獨特優勢備受推崇，其中最主要的原因在於其能源來源——陽光——被視為「取之不盡、用之不竭」且無需額外成本。然而，這是否完全屬實？陽光真的能夠成為世界運轉的主要動力嗎？
證據何在？
全球頂尖的同行評審科學期刊之一《自然通訊》近日發表的一項最新研究，揭示了太陽能如何重塑全球能源格局，並預示未來二十年內可再生能源發電將成為主導的新時代。
該研究由英國埃克塞特大學的科學家領導，結果顯示，隨著生產力的迅速提升與技術的持續進步，太陽能將能夠大幅取代煤炭、石油和天然氣這些傳統化石燃料。而化石燃料燃燒所產生的大量溫室氣體，正是導致氣候變遷加劇的主要因素。二氧化碳與甲烷等溫室氣體會將熱量滯留於地球大氣層，進而引發全球變暖，導致海平面上升、極端氣候事件頻發，以及生態系統的嚴重破壞。
研究預測，到2050年，太陽能將占全球發電量的半數以上，而同期太陽能發電成本預計將下降60%。
「一年內地球所接收的太陽輻射能量，遠超目前已知的所有石油、煤炭、天然氣與鈾儲量的總和。未來，無疑屬於可再生能源。」Aidan Charron，EARTHDAY.ORG 全球地球日副總監
陽光如何轉化為能源？
太陽能是透過光電（Photovoltaic, PV）電池轉換為電力，這些電池由如矽等半導體材料製成。當陽光照射在這些電池上時，會激發半導體中的電子，使電子從原本的位置跳脫，產生自由電子與「電洞」（也就是電子缺失的地方）。這些電子與電洞的移動便產生了直流電（DC）的電流。
這些光電電池會組成模組，也就是一般所說的太陽能板，而多個太陽能板則可以進一步組成太陽能陣列。所產生的直流電會經由逆變器轉換為交流電（AC），以供家庭或商業用途。
太陽能光電系統的一大優勢在於運作安靜、維護需求低，因為系統中幾乎沒有活動部件。此外，太陽能板也設計得能適應各種環境條件，即使在不同氣候下也能保持良好的發電效率。
除了這些操作上的好處，太陽能發電容量也是重要的考量指標——這是衡量一套太陽能系統可以產生多少電力的數據。太陽能陣列可依需求擴充，從家庭屋頂的小型系統到大規模的商業太陽能電廠皆可應用。每一塊模組就像一個小型的發電機，當它們結合起來時，就能產生大量電力。太陽能容量指的是在理想條件下，一套太陽能系統可達到的最大發電量。
什麼影響太陽能容量因素？
太陽能容量受多種因素影響，其中包括太陽能電池陣列的規模、光伏電池的轉換效率，以及系統所能接收的陽光量。深入了解這些因素有助於評估太陽能光電系統的效能，確保其能夠滿足能源需求，並推動全球向可再生能源目標邁進。
近年來，太陽能發電量顯著增長，這一趨勢並不令人意外。2023年，美國太陽能發電總量達到238,121吉瓦時（GWh）（1吉瓦等於10億瓦），較2014年的發電量增長了八倍。
預計到2034年，美國的太陽能總裝機容量將增至673吉瓦（GW）。以這樣的發電容量來看，根據資料顯示，2022 年美國家庭的平均年用電量為 0.0108 百萬瓩小時（GWh），因此推估太陽能在未來十年內有潛力為超過一億戶美國家庭提供電力。
「如果我們能在全球一半的屋頂上安裝太陽能電池板，便足以為整個地球提供電力。這是否容易實現？當然不是，但世上任何偉大的成就都非輕而易舉。然而，這不應成為我們止步不前的理由。這是一項關乎全球未來的重大挑戰，如同登月計劃一樣艱鉅，但我們有能力，也必將實現這一目標。」EARTHDAY.ORG 總裁凱瑟琳·羅傑斯（Kathleen Rogers）
誰在引領美國的太陽能競賽？
在美國，加州與德州是太陽能發展的兩大領先州。截至目前，加州的太陽能發電總量達 68,816 吉瓦時（GWh），而德州則為 31,739 吉瓦時（GWh）。以此計算，加州的年均太陽能發電量足以供應舊金山 13 年的用電需求，而德州則可為奧斯汀供電 2 年半。然而，這兩個州在推動太陽能發展的政策與政治環境上存在顯著差異。
加州長期以來積極擁抱太陽能發展，成為全美太陽能生產的領導者，這一趨勢與其環保政策和歷史經驗密切相關。早在 1970 年代的能源危機期間，加州便意識到對化石燃料的高度依賴可能帶來的風險，因此開始積極尋求可再生能源替代方案。該州充沛的日照條件，加上對大型太陽能專案的技術與經濟支持，促成了太陽能產業的蓬勃發展。
2018 年，加州通過 參議院第 100 號法案（SB 100），立下宏偉目標，計劃於 2045 年實現 100% 零碳與可再生能源轉型。為此，加州對能源基礎設施進行了全面改革，強調通過擴大公用事業規模的太陽能與風能投資，來提升電網的可靠性與發電容量。此外，該法案還特別關注環境正義與公平性，確保能源轉型過程中不同社群都能公平受益。
相較於加州，德州對可再生能源的態度在近年來發生了明顯變化。儘管德州在風力發電領域長期處於全美領先地位，且在太陽能發電方面位居第二，但 2023 年的州立法會議卻顯示出對可再生能源產業日益增強的抵制態度。該會議提出了一系列試圖加強對可再生能源專案監管與財務負擔的提案，可能影響太陽能與風能的發展。
批評人士指出，這些提案明顯偏向於傳統的化石燃料產業，其中包括要求新建可再生能源項目獲得額外的政府批准，以及設立更高的財務門檻，可能顯著增加將可再生能源併入德州電網的成本。這種立法阻力反映了該州內部關於可再生能源未來角色的更廣泛政治辯論，並與加州積極推動綠色能源轉型的政策形成鮮明對比。
根據 2022 年全國第十三次太陽能就業普查，美國太陽能產業共有 263,883 名從業人員，涵蓋製造、安裝、分銷與維護等領域。與 2021 年相比，該產業的就業人數增長了 3.5%，顯示出持續擴展的趨勢。
「最近的一項估計發現，去年可再生能源為德克薩斯州居民降低了 110 億美元的電力成本，即為該州主要電網服務的每個客戶降低了 423 美元。在過去五年中，德克薩斯州增加了 2,800 個工作崗位來支持風能和太陽能發電，同時該州失去了 44,000 個生產的企業，部分原因是自動化技術的進步讓業者能以更少的人力鑽探更多油井。」Russell Gold，《德州月刊》，2023 年 6 月
全球太陽能發展現況
隨著全球對可再生能源的需求日益增長，太陽能的裝置容量與普及度正迅速提升，各國紛紛加大投資，推動能源轉型。中國制定了宏偉的可再生能源目標，原計劃於 2030 年 使可再生能源發電總量達 1,200 吉瓦（GW），然而發展速度超出預期，預計 2025 年 即可提前五年達成此目標。中國的太陽能裝置容量已成為全球可再生能源擴張的典範，預估 2026 年底 其總裝機容量將接近 1,000 吉瓦。
自 2000 年代初以來，中國政府透過各項補貼政策與立法支持光伏產業的發展，極大推動了太陽能技術的普及。雖然當前仍有 63% 的能源來自化石燃料，但太陽能已占電網供電的 4%，且增長速度驚人。單在 2022 年，中國新增的太陽能裝置容量已與全球其他國家總和相當，而 2023 年 更進一步加倍擴大建設，持續穩固其全球領先地位。
在成本大幅下降與環保意識日益提升的驅動下，歐洲在太陽能領域也取得了顯著進展。根據 《歐洲綠色協議》 及 REPowerEU 計劃，歐盟設定了雄心勃勃的目標，計劃於 2030 年 將太陽能發電總裝機容量提升至 近 600 吉瓦，以減少對進口化石燃料的依賴，並強化能源安全。
為實現這一目標，歐盟推出了多項措施，包括 「歐洲太陽能屋頂計劃」 和 「歐盟太陽能光電產業聯盟」，鼓勵住宅與企業安裝太陽能設備。此外，歐洲太陽能產業的快速發展帶動了就業市場的增長，顯示出該產業對經濟發展與勞動力市場的積極影響。
澳洲同樣積極擁抱太陽能，截至 2021 年底，太陽能光電發電已佔全國總電力供應的 10% 左右。澳洲政府投入大量資金進行技術研發，致力於提升太陽能組件的轉換效率，並降低系統安裝與運行成本，以促進可再生能源的廣泛應用。
根據美國太陽能產業協會（SEIA）的數據，未來十年美國太陽能產業將迎來顯著增長。預計到 2030 年，八分之一的美國家庭將使用太陽能供電，而與 2020 年相比，市場規模增長率將翻四倍。這一發展不僅將進一步推動能源轉型，也將創造大量就業機會，促進美國經濟的可持續發展。
降低通貨膨脹法案
2022年《通貨膨脹削減法案》明確支持再生能源的開發與製造，並對清潔能源領域進行了歷史性投資。該法案為氣候與能源計劃撥出了 3,690 億美元，其中大部分資金將用於提供稅收抵免，這些優惠不僅適用於太陽能產業，也涵蓋了希望安裝太陽能板的個人房主。
此外，能源部貸款計劃辦公室（LPO） 史無前例地提供了4,000 億美元的貸款，用於支持清潔能源創新。LPO由 2024年地球日氣候領導力盛典獲獎者 Jigar Shah 領導，專門為包括太陽能在內的創新再生能源項目提供關鍵融資，這將有助於激勵更多私營部門的投資。對於房主而言，聯邦太陽能稅收抵免允許他們從聯邦稅單中扣除 30% 的系統成本，進一步減少安裝太陽能系統的經濟負擔。
消費者使用太陽能能夠節省成本嗎？
安裝太陽能電池板已成為應對不斷上漲的水電費的有效方式之一。儘管初期設備與安裝的投資較高，但在安裝完成後，太陽能電池板通常需要 5 至 15 年 的時間才能有效地產生「免費」電力。根據2024年3月的數據，平均家庭每年的用電量為 10.8 兆瓦時，而全國的平均電價為每千瓦時 0.17 美元，因此家庭每年的電費大約為 1,834 美元。
考慮到過去十年電價每年平均上漲 2.8%，預計大多數房主在安裝太陽能系統後的 25 年內 可節省約 46,000 美元。
儘管太陽能板的保固期通常為 25 年，但許多系統在 30 年或更長時間 內仍能保持良好的性能，從而為房主帶來更持久的長期節省。像 谷歌的 Project Sunroof 等網站，允許房主輸入地址，查看每年可用的陽光和適合安裝太陽能電池板的可用面積，並估算長期內與傳統電力相比的潛在節省。
此外，這種清潔能源形式還具有環境益處，它不會排放溫室氣體，從而有效減緩氣候變遷問題。
“每次你打開燈泡或坐進汽車時，你都在決定你想要生活在一個什麼樣的世界。”比爾麥基本 (2012)
太陽能的挑戰與應對
雖然太陽能具有諸多優勢，但它也面臨一些挑戰，尤其是在其變化性方面。
其中一個主要問題是陽光的可變性。可轉換為電能的陽光量會受到多種因素的影響，包括一天中的時間、天氣條件、季節變化以及地理位置。全球太陽輻射圖揭示了這些因素如何顯著改變陽光的強度與密度。
由於太陽並非全年無休、24小時照射在每個地點，因此太陽能的間歇性始終是一個需要解決的問題。這意味著太陽能系統需要配備高效且可靠的儲能解決方案，以確保在陽光充足的日子裡能夠儲存足夠的電力，以應對陰天或夜間的能源需求。
目前，研究人員正在致力於開發更高效的鋰離子電池。然而，鋰礦開採過程中的環境問題及對礦工的安全威脅，仍是亟待解決的難題。另一項正在開發的技術是固態電池，這種電池使用固體材料代替傳統電池中的液體電解質，旨在實現更快的充電速度和更長的使用壽命，從而提供更好的儲能解決方案。
最後，「淨計量」系統是另一種有效管理儲能問題的方法。這項技術允許房主將太陽能系統在陽光充足時產生的多餘電力上網，並獲得積分。當日照不足，無法產生足夠的電力時，房主可以使用這些積分從電網購買電力，實現能源的互通有無。
陽光轉化為電能的效率挑戰
另一個關鍵問題是「轉換效率」，即太陽能轉化為可用電力的百分比。簡單來說，這意味著並非所有照射到光伏設備上的陽光都能轉換為電能。實際上，大多數單面太陽能板的效率僅為17% 到 20%。
然而，針對這一問題的解決方案正在逐步到來。首先是多結光伏電池，這些面板的設計目的是比傳統面板捕捉更多的陽光。可以想像，這些面板像是將不同類型的太陽能板堆疊在一起，每層面板捕捉不同波長的陽光。這樣的設計使得新型電池板的發電效率提升了 45%。儘管如此，由於其製造成本仍然較高，目前尚未實現大規模應用。
此外，另一項創新是雙面太陽能板。這些面板的正面和背面均設有光伏單元，因此它們能夠捕捉從地面或其他表面反射回來的陽光，從而進一步提高能量產量。當雙面面板與追蹤太陽路徑的系統結合使用時，其效率可比常規單面面板提高 30% 至 40%。
“歷史上第一次，我們可以為每個人提供幾乎無限的低成本電力。這將對全球數百萬甚至數十億人的生活水平產生深遠的影響，並改善他們的健康狀況。”Tom Cosgrove（EARTHDAY.ORG 首席創意與內容官
太陽能對土地的需求
與油田或煤礦不同，太陽能板需要佔據大量土地才能收集足夠的能量，從而為城市提供電力。
世界上一些最為嚴酷的沙漠，如非洲的撒哈拉沙漠、中國的庫布齊沙漠和美國加州的莫哈維沙漠，已經成為太陽能收集的理想場所。這些沙漠擁有寬廣且平坦的土地、豐富的矽礦資源（矽是生產太陽能板的關鍵材料），並且終年日照充足，使它們成為安裝太陽能板的最佳選擇。隨著這一趨勢的發展，研究人員設想將撒哈拉沙漠改造為一個大型的太陽能發電廠，並預計這樣的設施將能夠滿足全球當前能源需求的四倍。
太陽能發展對野生動物的潛在影響
儘管太陽能電池板的快速部署對於可持續能源的發展至關重要，但其擴展過程中也面臨生態挑戰。尤其是地面安裝的太陽能發電場，可能會引起土地利用的重大變化，進而威脅當地的生物多樣性。
根據獨立生態諮詢公司BSG Ecology於2019年發表的報告，太陽能發電場的建立可能會破壞原有的棲息地，改變當地動植物的生態動態，甚至可能成為生態陷阱，通過以有害的方式吸引並影響野生動物。為容納太陽能發電場，大面積的土地通常需要進行清理，這會導致當地生物多樣性的降低。
為了解決這些生態問題，相關領域正在積極探索創新的應對策略。其一是通過整合本地植被，並在太陽能發電場內設置適合的棲息地來支持當地的野生動植物。這種做法不僅有助於保護生物多樣性，還能提升該地區的生態價值。
此外，部分太陽能項目已採用「農業光伏」系統，將太陽能發電與農業生產結合，這樣既能支持當地社區，亦可保持土地的生產力。農業光伏系統在美國的多個地區得到了廣泛應用，農民利用太陽能電池板來為作物提供陰涼，從而減少水資源的消耗，同時降低能源費用。
根據美國農業部（USDA）最新發布的報告，太陽能發電場在美國所佔土地面積僅為336,000英畝，僅佔美國總農地面積的0.04%。在一些農村地區，如懷俄明州的康弗斯縣，人口密度僅為每平方英里3人，當地的農業光伏項目，如荷蘭人項目等，因為能夠創造穩定收入和提供就業機會，已在當地獲得了廣泛的支持。
太陽能板製造的能源需求與環境挑戰
雖然太陽能電池板在使用過程中並不排放溫室氣體，但其製造過程卻需要大量的能源，尤其是在多晶矽生產中，這一過程涉及將大型熔爐加熱至高溫。
這一能源消耗所帶來的碳足跡，取決於太陽能板製造商所使用的電力來源。例如，相較於美國，中國生產的每單位電力所產生的碳排放量是美國的兩倍。因此，利用風能、太陽能和地熱等可再生能源為光伏板製造提供動力，已成為最具可持續性的解決方案。
根據國際再生能源機構（IRENA）的預測，到2050年，全球的太陽能板廢棄物量可能高達7800萬噸。這一估算假設消費者會在太陽能板的整個30年使用壽命內保留其設備。然而，隨著製造成本的降低，研究人員擔心消費者可能會選擇較早更換面板，這將可能導致更多的廢棄物。目前，太陽能板的回收基礎設施仍然嚴重不足，並且回收過程缺乏經濟誘因。現階段，只有美國的一家太陽能製造商——第一太陽能公司，採取了積極的回收措施。
回收太陽能板的成本高達每塊20至30美元，這遠高於將其送至垃圾填埋場處理的1美元成本。為了解決這一問題，澳洲麥考瑞大學工程學院正在積極研究新技術，旨在開發更具經濟可行性的方法，能夠在太陽能板使用壽命結束時，對其進行更高效的分層處理，並回收其中的有價值材料，如銀等。
塑膠問題
儘管太陽能技術已有顯著進步，但太陽能電池板製造中仍未解決的一個關鍵問題是塑膠的使用。
塑膠屬於石化產品，意味著它是由化石燃料製成，並且在環境中無法生物降解。由於微塑膠和其他有害化學物質（如從塑膠中釋放出的雙酚A和鄰苯二甲酸鹽）對環境的擴散，塑膠已成為一項嚴重的環境挑戰。
目前，兩種類型的技術被用於製造太陽能電池板，並且都使用塑膠聚合物，儘管使用比例相對較低：典型的晶體矽光伏面板約含有10%的聚合物，而碲化鎘（CdTe）面板等薄膜技術，由於其玻璃成分較高，因此聚合物的使用量約為3-4%。
目前，太陽能電池板中的塑膠聚合物主要用於將太陽能電池封裝在電池板內。這種封裝層提供保護，防止電池受到潮濕、灰塵和機械損壞等環境因素的影響，從而確保太陽能電池板的使用壽命和可靠性。
然而，出於成本效益的考量，許多領先的太陽能電池板製造商已開始在新型號中加入更多塑膠，這一問題亟待解決。太陽能產業必須共同努力，減少對塑膠的依賴，並尋找更環保的替代材料。
危險化學品
太陽能板，尤其是使用薄膜技術的太陽能板，可能含有鎘、硒、鎵和銦等有害物質，若處理不當，將對環境和人體健康構成風險。這些材料的開採過程可能引發嚴重的土壤、水源和空氣污染，而接觸這些有毒物質可能導致嚴重的健康問題。
此外，雖然大多數太陽能板的主要成分——矽酮無毒，但在將矽切割成晶圓的過程中會產生矽塵。長期吸入這些矽塵可能對健康造成危害，並引發矽肺病，這是一種無法逆轉的、永久性的肺部疾病。
目前，研究人員正致力於尋找矽的替代材料，但同時應該加強對太陽能板生產過程中的安全措施，為工人提供更好的個人防護裝備（PPE），並確保適當的通風系統、除塵方法及呼吸保護裝置的使用，以降低這些健康風險。
按技術劃分的全球發電技術擴充（TWh），顯示關鍵技術從 100TWh 成長到 1,000TWh 所需的時間。
來源：餘燼(Ember)。
未來依然陽光燦爛
儘管太陽能技術面臨一些挑戰，但隨著各種可行解決方案的持續開發，未來依然充滿希望。相比之下，化石燃料產業在從石油、天然氣或煤炭中提取能源時，並未找到有效的方法來減少溫室氣體的排放，而這些氣體正是氣候變遷的主要驅動力。
正如1970年第一屆地球日的組織者丹尼斯·海耶斯（Denis Hayes）所指出的，太陽能在過去19年間已經成為世界上增長最快的能源。在過去三年內，儲能用的大型電池使用量激增了900%。根據勞倫斯伯克利國家實驗室的最新研究，預計到2023年底，太陽能、風能和電池項目將占國家電網新增電力容量的95%。
因此，雖然太陽能可能無法單獨解決所有能源需求，但與風能等其他可再生能源的協同運用，將大大提升其應對能力。
“石油、煤炭和天然氣是有限的，而只要太陽不斷升起，太陽能就是無限的。這對我們的能源需求提供了一個顯而易見的解決方案，且這一解決方案幾乎就在我們眼前。”凱瑟琳·羅傑斯（Catherine Rogers），EARTHDAY.ORG總裁
本文作者：Allen Huang
