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太 陽 電 池 發 展 史
太陽電池的發展，最早可追溯自1954年由Bell實驗室所發明出來的，當時研發的動機是希望能提供偏遠地區供電系統的能源，那時太陽電池的效率只有6%。接著從1957年蘇聯發射第一顆人造衛星開始，一直到1969年美國太空人登陸月球，太陽電池的應用可說是充分發揮。雖然當時太陽電池的造價昂貴，但其對人類歷史的貢獻，卻是金錢所不能衡量的。近年來全球的通訊市場蓬勃發展，各大通訊計劃不斷提出，例如Motorola公司的銥(Iridium)計劃，將使用66顆低軌道的衛星(LEO)，Bill Gates 之Teledesic計劃，預計將使用840顆LEO衛星，這些都將促使太陽電池被廣泛地使用在太空中。
人類發展太陽電池的最終目標，就是希望能取代目前傳統的能源。我們都知道太陽的能量是取之不盡用之不竭的，從太陽表面所放射出來的能量，換算成電力約3.8x1023 kW；若太陽光經過一億五千萬公里的距離，穿過大氣層到達地球的表面也約有1.8x1014 kW，這個值大約為全球平均電力的十萬倍大。若我們能夠 "有效的"運用此能源，則不僅能解決消耗性能源的問題，連環保問題也可一併獲得解決。目前太陽電池發展的瓶頸主要有兩項因素：一項為效率，另一項為價格。
在光-電轉換的過程中，事實上，並非所有的入射光譜都能被太陽電池所吸收，並完全轉成電流。有一半左右的光譜因能量太低(小於半導體的能隙)，對電池的輸出沒有貢獻，而再另一半被吸收的光子中，除了產生電子-電洞對所需的能量外，約有一半左右的能量以熱的形式釋放掉，所以單一電池的最高效率約在25%左右，目前實驗室所發出來的效率，幾乎可達到理論值的最高水準。唯因製造過程複雜量產不易，因此價格普遍過高，不符合經濟效益。這也是目前太陽電池發展最大的瓶頸。工業界一直在尋找降低成本的方法，目前所獲的的成果包括：
捨棄傳統的CZ與FZ長晶方式，改用鑄造矽晶錠(Silicon Ingot Casting)的方式。 不用輪盤鋸切割晶錠，改用線鋸的方式切割，如此可節省約30 % 的材料成本。 ASE America 公司所研發出Edge-defined Film-fed Growth(EFG)的拉晶方法，此方法可拉出中空的八角形柱體，利用雷射切割就可得到10x10㎝2的晶片，可節省材料在切割上的損失。 採用薄膜技術，此方法可大量節省製造所需的材料，被認為是最具有低成本潛力的方式。
用薄膜技術製造的主要材料包括：非晶矽(a-Si)，硒化銦銅(Copper Indium Diselenide,CISe2)，碲化鎘(CdTe)，雖然薄膜技術被認為是最具有潛力的方式，但是目前還沒有任何一個量產的技術，能夠達到下列的要求：
沉積薄膜的速率在每分鐘一微米以上。 沉積的溫度在600度C以下。 薄膜的厚度在十微米以下。 成長的晶粒(Grain Size)大小在一微米以下。 少數載子的擴散長度超過十微米。

太 陽 電 池 的 簡 介
太陽電池是一種能量轉換的光電元件，它是經由太陽光照射後，把光的能量轉換成電能，此種光電元件稱為太陽電池(Solar Cell)。從物理學的角度來看，有人稱之為光伏電池(Photovoltaic，簡稱PV)，其中的photo就是光(light)，而voltaic就是電力(electricity)。
太陽電池的種類繁多，若依材料的種類來區分，可分為單晶矽(single crystal silicon)、多晶矽(polycrystal silicon)、非晶矽(amorphous silicon，簡稱a-Si)、Ⅲ-Ⅴ族[包括：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP) 、磷化鎵銦(InGaP) ]、Ⅱ-Ⅵ族[包括：碲化鎘(CdTe) 、硒化銦銅(CuInSe２)]等。
第一個太陽電池是在1954年由貝爾實驗室所製造出來的，當時研究的動機是希望能替偏遠地區的通訊系統提供電源，不過由於效率太低(只有6%)，而且造價太高(357美元/瓦)，缺乏商業上的價值。就在此時，開創人類歷史的另一項計畫---太空計畫也正在如火如荼地展開中；因為太陽電池具有不可取代的重要性，使得太陽電池得以找到另一片發展的天空。從1957年當時的蘇聯發射第一顆人造衛星開始，太陽電池就肩負著太空飛行任務中一項重要的角色，一直到1969年美國人登陸月球，太陽電池的發展可以說到達一個顛峰的境界。但因為太陽電池造價昂貴，相對地使得太陽電池的應用範圍受到限制。到了1970年代初期，由於中東發生戰爭，石油禁運，使得工業國家的石油供應中斷造成能源危機，迫使人們不得不再度重視將太陽電池應用於電力系統的可行性。1990年以後，人們開始將太陽電池發電與民生用電結合，於是「與市電併聯型太陽電池發電系統」(grid-connected photovoltaic system)開始推廣，此觀念是把太陽電池與建築物的設計整合在一起，並與傳統的電力系統相連結，如此我們就可以從這兩種方式取得電力，除了可以減少尖峰用電的負荷外，剩餘的電力還可儲存或是回售給電力公司。此一發電系統的建立可以舒緩籌建大型發電廠的壓力，避免土地徵收的困難與環境的破壞。近年來，太陽電池不斷有新的結構與製造技術被研發出來，其目的不外乎是希望能降低成本，並提高效率。如此太陽電池才可能全面普及化，成為電力系統的主要來源。

太 陽 電 池 的 原 理
在1930年代發現，電解質電池照光時電流將會增加，證明了光生電流的現象，一直到1954年第一個矽製的太陽電池終於被製造出來，當時的效率只有6%。
太陽電池的發電原理，可以用一構造最簡單的單晶矽太陽電池來說明。所謂的單晶矽，就是指矽原子與矽原子間按照順序規則的排列。我們知道，矽(Si)的原子序為14，其電子組態為1s2 2s2 2p6 3s2 3p2，其中內層的10個電子(1s2 2s2 2p6 )，被原子核緊密的束縛著，而外層的4個電子(3s2 3p2 )受到原子核的束縛較小，如果得到足夠的能量，則可使其脫離原子核的束縛而成為自由電子，矽原子外層的這四個電子又稱為價電子，而矽的晶體結構是屬於鑽石晶體結構(diamond crystal structure)，每個矽原子與鄰近的四個矽原子形成共價鍵，如果我們在純矽之中摻入三價的雜質原子，例如硼原子(B)，此三價的雜質原子，將取代矽原子的位置，因為硼原子只有三個價電子可與鄰近的矽原子形成共價鍵，所以在硼原子的周圍會產生一個空缺，可供電子填補，此一可填補電子的空缺即稱為電洞。電洞在電學中可視為一可移動且帶正電的載子(carrier)，因為電洞可以接受一個電子，所以摻入的三價雜質原子又稱為受體(acceptor)，而一個摻入三價雜質的半導體，即稱為p型半導體。
同理，如果我們在純矽之中摻入五價的雜質原子，例如磷原子(P)，此五價的雜質原子，將取代矽原子的位置，因為磷原子具有五個價電子，其中的四個價電子分別與鄰近的四個矽原子形成共價鍵，而多出一個自由電子，該電子為一帶負電的載子，因為五價的雜質原子可提供一個自由電子，故稱此五價的雜質原子為施體(donor)，而摻了施體的半導體稱為n型半導體。
一般太陽電池是以摻雜少量硼原子的p型半導體當作基板(substrate)，然後再用高溫熱擴散的方法，把濃度略高於硼的磷摻入p型基板內，如此即可形成一p-n接面，而p-n接面是由帶正電的施體離子與帶負電的受體離子所組成，在該正、負離子所在的區域內，存在著一個內建電位(built-in potential)，此內建的電位，可驅趕在此區域中的可移動載子，故此區域稱之為空乏區(depletion region)。當太陽光照射到一p-n結構的半導體時，光子所提供的能量可能會把半導體中的電子激發出來，產生電子-電洞對，電子與電洞均會受到內建電位的影響，電洞往電場的方向移動，而電子則往相反的方向移動。如果我們用導線將此太陽電池與一負載(load)連接起來，形成一個迴路(loop)，就會有電流流過負載，這就是太陽電池發電的原理。

太 陽 電 池 的 製 造
為了介紹太陽能電池的製造技術，我們先由最簡單的流程，即單晶矽太陽電池的製造技術談起。製程部奏則如以下所示：
拉晶：主要的原料為二氧化矽，利用晶種在拉晶爐中成長出一單晶矽碇。 修角：一般微電子產業所用的晶圓(wafer)，是直接把單晶矽碇切片而成，但對於太陽電池而言，通常必須把許多晶片串聯成一方形陣，為了陣列排列的更緊密，大部分都先將單晶矽碇修角成四方形。 切片：用切片機將單晶矽碇切成厚度約0.5毫米的晶圓。 蝕刻及拋光：蝕刻的目的是去除在切片過程中所造成的應力層。拋光的目的是要降低微粒(particle)附著在晶圓上的可能性。 清洗：用去離子水(DI water)把晶圓表面的雜質污染物去除。 擴散：一般太陽電池均採用p型的基板，利用高溫熱擴散的處理，使p型的基板上形成一層薄薄的n型半導體。 網印或蒸鍍：將製作完成的晶圓，用銀膠印刷或是用蒸鍍的方法，在晶圓的表面接出導電電極，如此即可完成一個簡單的太陽電池。
而要如何製造才能提昇太陽電池的轉換效率，一直是學術界努力的目標。主要的做法可從下列幾 個方向著手：
將電極作成手指狀(Finger)，以增加入射光的面積(圖一)。 將表面製成金字塔型的組織(Pyramid Texture)結構，並加入抗反射層，以減少光的反射量。 將金屬電極埋入基板中，以減少串聯電阻。(圖二) 因金屬與矽的接合處，有大量的缺陷，此易造成逆向飽和電流降低效率，因此製成PERL(Passivated-Emitter ,Rear Locally-diffused)，減少實際電極與矽的接觸面積。(圖三) 點接觸式太陽電池(Point Contact Cells) (圖四)，此電池的特點為電極均做在同一面，如此可增加入射光的面積，且易於焊線。
目前實驗室所製造出的太陽電池，其轉換效率幾乎可以達到最佳的水準，只可惜他們的製造過程多半過於複雜，量產不易。
(圖一)
(圖二)


(圖三)
(圖四)



太 陽 電 池 的 材 料
太陽輻射之光譜，主要是以可見光為中心，其分佈範圍從0.3微米 (μm)之紫外光到數微米之紅外光為主，若換算成光子的能量，則約在0.4 eV(電子伏特)到4eV之間，當光子的能量小於半導體的能隙(energy bandgap)，則光子不被半導體吸收，此時半導體對光子而言是透明的。當光子的能量大於半導體的能隙，則相當於半導體能隙的能量將被半導體吸收，產生電子-電洞對，而其餘的能量則以熱的形式消耗掉。因此製作太陽電池材料的能隙，必須要仔細地選擇，才能有效地產生電子-電洞對。一般來說，理想的太陽電池材料必須具備有下列特性：
能隙在1.1eV到1.7eV之間。 直接能隙半導體。 組成的材料無毒性。 可利用薄膜沉積的技術，並可大面積製造。 有良好的光電轉換效率。 具有長時期的穩定性。
我們知道矽的能隙為1.12eV，且矽為間接能隙半導體，它對光的吸收性不好，所以矽在這方面並非是最理想的材料，但是在另方面，矽乃地球上蘊含量第二豐富的元素，且矽本身無毒性，它的氧化物穩定又不具水溶性，因此矽在半導體工業的發展，已具有深厚的基礎，目前太陽電池仍舊以矽為主要材料。
矽原子依據不同的結晶方式，可區分成單晶矽、多晶矽及非晶矽。單晶矽的組成原子均按照一定的規則，週期性的排列，它的製作方法是把矽金屬(純度為99.999999999%，11個9)熔融於石英坩堝中，然後把晶種(seed)插入液面，以每分鐘轉2~20圈的速率旋轉，同時以每分鐘0.3~10毫米(mm)的速度緩慢的往上拉引，如此即可形成一直徑4~8吋單晶矽碇(ingot)，此製作方法稱為柴氏長晶法(Czochralski Method)。用單晶矽製成的太陽電池，效率高且性能穩定，目前已廣泛應用於太空及陸地上。
多晶矽的矽原子堆積方式不只一種，它是由多種不同排列方向的單晶所組成。多晶矽是以熔融的矽鑄造固化製成，因其製程簡單，所以成本較低。目前由多晶矽所製作出的太陽電池產量，已經逐漸超越單晶矽的太陽電池。
非晶矽乃是指矽原子的排列非常紊亂，沒有規則可循。一般非晶矽是以電漿式化學氣相沈積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，簡稱PECVD)，在玻璃等基板上成長厚度約1微米(μm)左右的非晶矽薄膜，因為非晶矽對光的吸收性比矽強約500倍，所以對非晶矽而言只需要薄薄的一層就可以把光子的能量有效的吸收。而且不需要使用價格昂貴的結晶矽基板，改採用價格較便宜的玻璃、陶瓷或是金屬等基板，如此不僅可以節省大量的材料成本，也使得製作大面積的太陽電池成為可能(結晶矽太陽電池的面積受限於矽晶圓的尺寸)。當非晶矽太陽電池剛被發明時，由於具有低成本、製作簡易且可大面積製造等優點，有學者預言將有可能取代結晶矽太陽電池，因此曾經引起廠商的興趣投入生產，從1985年到1990年初期非晶矽太陽電池的比例曾經到達全世界太陽電池總量的三分之一。但是近幾年非晶矽太陽電池的生產比例有逐漸下滑的趨勢，影響非晶矽太陽電池發展的主要因素就是穩定度的問題。由於非晶矽材料在強烈的光線照射下，將會產生缺陷而導致電流下降(即所謂的Staebler-Wronski效應)，發生供電不穩定的問題。雖然目前有人採用雙重接面(a-Si/a-SiGe)電池來提升它的穩定度，但是，對於消費者的接受度上，仍有值得努力發展的空間。
除了上述以矽為主的太陽電池材料外，還有各種不同的化合物半導體材料陸續被研發出來。主要的材料有：GaAs、GaInP、InGaAs、CdTe、CuInSe２(CIS)、CuInGaSe２(CIGS)等。這些材料所製作出的太陽電池都有很高的效率，但是因為製程的成本較高，所以只有應用於少數特殊的用途。

太 陽 電 池 的 效 率
要判別一個太陽電池性能的好壞，最重要的就是轉換效率(h)，轉換效率定義為：

其中Pin 為太陽光入射功率，Pm為最大輸出功率， Im 與Vm 分別為在最大輸出功率時的電流與電壓。
要如何製造才能提昇太陽電池的轉換效率，一直是學術界努力的目標。主要的做法可從下列幾個方向著手：
將不透光的金屬電極作成手指狀(finger)或是網狀，以減少光線的反射，使大部分的入射陽光都能進入半導體材料中。 將表面製成金字塔型的組織(pyramid texture)結構，並加入抗反射層，以減少光的反射量。 將金屬電極埋入基板中，以增加接觸面積，減少串聯電阻。 點接觸式太陽電池(point contact cell)，此電池的特點為電極均做在同一面，如此可增加入射光的面積，且易於焊線。 將太陽電池製成串疊型電池(tandem cell)，把兩個或兩個以上的元件堆疊起來，能夠吸收較高能量光譜的電池放在上層，吸收較低能量光譜的電池放在下層，透過不同材料的電池將光子的能量層層吸收。
目前實驗室所製造出的太陽電池，其轉換效率幾乎可以達到最佳的水準，只可惜他們的製造過程多半過於複雜，而且價格昂貴並未大量生產。
根據文獻的記載，目前各種太陽電池的最高效率為：
單晶矽：24.7% 多晶矽：19.8% 非晶矽：14.5% GaAs：25.7% CIGS：18.8% 多接面串疊型(InGaP/GaAs//InGaAs, multijunction tandem cell)：33.3%。
由於材料特性上的限制，對於結晶矽太陽電池的效率，幾乎已經達到最佳的水準，要再進一步提升的空間有限，目前比較具有成長潛力的應屬多接面的串疊型太陽電池，根據美國能源部的研究人員預測，到達2005年時，多接面的串疊型太陽電池效率將可達到40%以上。

太 陽 電 池 的 應 用
太陽電池應用的範圍非常廣，可分為下列幾項:
電力:大功率發電系統、家庭發電系統等。 通訊:無線電力、無線通訊等。 消費性電子產品:計算機、手錶、電動玩具、收音機等。 交通運輸:汽車、船舶、交通號誌、道路照明、燈塔等。 農業：抽水機、灌溉等。 其他：冷藏疫苗、茶葉烘焙、學校用電等。
隨著電子科技的快速發展，各種電子產品也是日新月異，其中通訊與資訊產品，更成為人類日常生活中，不可缺少的日常用品，諸如大哥大的手機、掌上型電腦與個人數位助理(PDA)等，這些電子產品都必須要有電源供應才能發揮功能。因為電池沒電而英雄無用武之地的窘境，相信很多人都曾發生過，而這個問題即將在太陽能衣的上市後成為歷史。
最近德國的科學家洛雅恩與拉恩林研製出一種太陽能纖維，這種太陽能纖維是由三層非結晶矽與兩層導電電極所組成。當太陽光照射時，可使上層的電極產生自由電子，這些自由電子經由內建電場的作用，穿過中間的非結晶矽層而抵達下層的電極，即形成一個基本的電池結構。據稱這種太陽能纖維製成的衣服還可以放入洗衣機內洗滌！未來只要人們穿上這種太陽能衣，就不用再擔心自己隨身攜帶的電子產品，面臨沒電而一切停擺的命運了。
而太陽能電池的應用比例則如下圖所示。