太 陽 電 池 的 簡 介
太陽電池是一種能量轉(zhuǎn)換的光電元件，它是經(jīng)由太陽光照射後，把光的能量轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)的通訊系統(tǒng)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(yè)上的價值。就在此時，開創(chuàng)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(fā)展的天空。從1957年當時的蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星開始，太陽電池就肩負著太空飛行任務(wù)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(fā)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(yīng)用範圍受到限制。到了1970年代初期，由於中東發(fā)生戰(zhàn)爭，石油禁運，使得工業(yè)國家的石油供應(yīng)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(yīng)用於電力系統(tǒng)的可行性。1990年以後，人們開始將太陽電池發(fā)電與民生用電結(jié)合，於是「與市電併聯(lián)型太陽電池發(fā)電系統(tǒng)」(grid-connected photovoltaic system)開始推廣，此觀念是把太陽電池與建築物的設(shè)計整合在一起，並與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)相連結(jié)，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(fā)電系統(tǒng)的建立可以舒緩籌建大型發(fā)電廠的壓力，避免土地徵收的困難與環(huán)境的破壞。近年來，太陽電池不斷有新的結(jié)構(gòu)與製造技術(shù)被研發(fā)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(tǒng)的主要來源。

太 陽 電 池 的 原 理
在1930年代發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)電池照光時電流將會增加，證明了光生電流的現(xiàn)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(fā)電原理，可以用一構(gòu)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(guī)則的排列。我們知道，矽(Si)的原子序為14，其電子組態(tài)為1s2 2s2 2p6 3s2 3p2，其中內(nèi)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(jié)構(gòu)是屬於鑽石晶體結(jié)構(gòu)(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(zhì)原子，例如硼原子(B)，此三價的雜質(zhì)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(chǎn)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?guī)д姷妮d子(carrier)，因為電洞可以接受一個電子，所以摻入的三價雜質(zhì)原子又稱為受體(acceptor)，而一個摻入三價雜質(zhì)的半導(dǎo)體，即稱為p型半導(dǎo)體。

同理，如果我們在純矽之中摻入五價的雜質(zhì)原子，例如磷原子(P)，此五價的雜質(zhì)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(zhì)原子可提供一個自由電子，故稱此五價的雜質(zhì)原子為施體(donor)，而摻了施體的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體。

一般太陽電池是以摻雜少量硼原子的p型半導(dǎo)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(nèi)，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(qū)域內(nèi)，存在著一個內(nèi)建電位(built-in potential)，此內(nèi)建的電位，可驅(qū)趕在此區(qū)域中的可移動載子，故此區(qū)域稱之為空乏區(qū)(depletion region)。當太陽光照射到一p-n結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體時，光子所提供的能量可能會把半導(dǎo)體中的電子激發(fā)出來，產(chǎn)生電子-電洞對，電子與電洞均會受到內(nèi)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(dǎo)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(fā)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(shù)，我們先由最簡單的流程，即單晶矽太陽電池的製造技術(shù)談起。製程部奏則如以下所示：

1. 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。
2. 修角：一般微電子產(chǎn)業(yè)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(lián)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。
3. 切片：用切片機將單晶矽碇切成厚度約0.5毫米的晶圓。
4. 蝕刻及拋光：蝕刻的目的是去除在切片過程中所造成的應(yīng)力層。拋光的目的是要降低微粒(particle)附著在晶圓上的可能性。
5. 清洗：用去離子水(DI water)把晶圓表面的雜質(zhì)污染物去除。
6. 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(dǎo)體。
7. 網(wǎng)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(dǎo)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(zhuǎn)換效率，一直是學術(shù)界努力的目標。主要的做法可從下列幾 個方向著手：

1. 將電極作成手指狀(Finger)，以增加入射光的面積(圖一)。
2. 將表面製成金字塔型的組織(Pyramid Texture)結(jié)構(gòu)，並加入抗反射層，以減少光的反射量。
3. 將金屬電極埋入基板中，以減少串聯(lián)電阻。(圖二)
4. 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)
5. 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(zhuǎn)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(chǎn)不易。

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(shù)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(dǎo)體的能隙(energy bandgap)，則光子不被半導(dǎo)體吸收，此時半導(dǎo)體對光子而言是透明的。當光子的能量大於半導(dǎo)體的能隙，則相當於半導(dǎo)體能隙的能量將被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)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(chǎn)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：

1. 能隙在1.1eV到1.7eV之間。
2. 直接能隙半導(dǎo)體。
3. 組成的材料無毒性。
4. 可利用薄膜沉積的技術(shù)，並可大面積製造。
5. 有良好的光電轉(zhuǎn)換效率。
6. 具有長時期的穩(wěn)定性。

我們知道矽的能隙為1.12eV，且矽為間接能隙半導(dǎo)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(wěn)定又不具水溶性，因此矽在半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，已具有深厚的基礎(chǔ)，目前太陽電池仍舊以矽為主要材料。

矽原子依據(jù)不同的結(jié)晶方式，可區(qū)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(guī)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(zhuǎn)2~20圈的速率旋轉(zhuǎn)，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(wěn)定，目前已廣泛應(yīng)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(chǎn)量，已經(jīng)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(guī)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(jié)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(jié)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(jié)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(fā)明時，由於具有低成本、製作簡易且可大面積製造等優(yōu)點，有學者預(yù)言將有可能取代結(jié)晶矽太陽電池，因此曾經(jīng)引起廠商的興趣投入生產(chǎn)，從1985年到1990年初期非晶矽太陽電池的比例曾經(jīng)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(chǎn)比例有逐漸下滑的趨勢，影響非晶矽太陽電池發(fā)展的主要因素就是穩(wěn)定度的問題。由於非晶矽材料在強烈的光線照射下，將會產(chǎn)生缺陷而導(dǎo)致電流下降(即所謂的Staebler-Wronski效應(yīng))，發(fā)生供電不穩(wěn)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(wěn)定度，但是，對於消費者的接受度上，仍有值得努力發(fā)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(dǎo)體材料陸續(xù)被研發(fā)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(yīng)用於少數(shù)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(zhuǎn)換效率(h)，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率，一直是學術(shù)界努力的目標。主要的做法可從下列幾個方向著手：

1. 將不透光的金屬電極作成手指狀(finger)或是網(wǎng)狀，以減少光線的反射，使大部分的入射陽光都能進入半導(dǎo)體材料中。
2. 將表面製成金字塔型的組織(pyramid texture)結(jié)構(gòu)，並加入抗反射層，以減少光的反射量。
3. 將金屬電極埋入基板中，以增加接觸面積，減少串聯(lián)電阻。
4. 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。
5. 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(zhuǎn)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(chǎn)。
根據(jù)文獻的記載，目前各種太陽電池的最高效率為：

1. 單晶矽：24.7%
2. 多晶矽：19.8%
3. 非晶矽：14.5%
4. GaAs：25.7%
5. CIGS：18.8%
6. 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(jié)晶矽太陽電池的效率，幾乎已經(jīng)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(yīng)屬多接面的串疊型太陽電池，根據(jù)美國能源部的研究人員預(yù)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(yīng) 用
太陽電池應(yīng)用的範圍非常廣，可分為下列幾項:

1. 電力:大功率發(fā)電系統(tǒng)、家庭發(fā)電系統(tǒng)等。
2. 通訊:無線電力、無線通訊等。
3. 消費性電子產(chǎn)品:計算機、手錶、電動玩具、收音機等。
4. 交通運輸:汽車、船舶、交通號誌、道路照明、燈塔等。
5. 農(nóng)業(yè)：抽水機、灌溉等。
6. 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(fā)展，各種電子產(chǎn)品也是日新月異，其中通訊與資訊產(chǎn)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(shù)位助理(PDA)等，這些電子產(chǎn)品都必須要有電源供應(yīng)才能發(fā)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(fā)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(jié)晶矽與兩層導(dǎo)電電極所組成。當太陽光照射時，可使上層的電極產(chǎn)生自由電子，這些自由電子經(jīng)由內(nèi)建電場的作用，穿過中間的非結(jié)晶矽層而抵達下層的電極，即形成一個基本的電池結(jié)構(gòu)。據(jù)稱這種太陽能纖維製成的衣服還可以放入洗衣機內(nèi)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(chǎn)品，面臨沒電而一切停擺的命運了。

而太陽能電池的應(yīng)用比例則如下圖所示。