太陽能源之相關介紹

一、太陽能的起源與發展

太 陽 能 電 池 的 發 展 是 開 始 於 1954 年，由美國貝爾實驗室 Chapin 等 人 發 展 出 以 矽 為 主 的 太 陽 能 電 池 ， 當 時 轉 換 效 率 僅 只 有 6%。 接 著 在 1956 年時便製作出全球第一個太陽能電池。在 1958 年美國更進一 步 將 太 陽 能 電 池 應 用 在 人 造 衛 星 ， 將 太 陽 能 電 池 作 為 人 造 衛 星 的 能 量 來 源 ， 而 此 次 所 使 用 之 太 陽 能 電 池 係 屬 於 化 合 物 半 導 體 之 單 結 晶

（GaAS）太陽能電池。在 1970 年代爆發全球能源危機之後，許多先 進 國 家 都 積 極 開 始 投 入 研 發 太 陽 能 光 電 產 業 的 相 關 研 究 。 一 開 始 將 太 陽 能 電 池 的 應 用 原 理 轉 移 到 民 生 用 途 時 ， 就 遭 遇 電 能 轉 換 率 偏 低 ， 以 及 面 臨 投 入 資 源 成 本 比 例 過 高 的 阻 礙 。 這 造 成 導 致 太 陽 能 研 發 在 能 源 危 機 解 除 之 後，再 度 陷 入 沈 寂 的 情 況。之 後，在 1976 年 Carlson 於製 作 出 第 一 個 非 晶 矽 薄 膜 太 陽 能 電 池 ， 並 使 得 第 二 代 的 非 晶 矽 （a-Si）

及 多 結 晶(CdS/CdTe)等薄膜太陽能電池被應用在消費性產品上。

1990 年代，當全球的半導體製造技術成熟，生產成本因此下降。

這 時 太 陽 能 電 池 的 商 用 價 值 才 開 始 顯 現 ， 在 許 多 電 力 不 易 輸 送 或 成 本 過 高 的 偏 遠 地 方 ， 也 開 始 安 裝 獨 立 運 作 的 太 陽 能 電 力 系 統 。 之 後 ， 太 陽 能 電 池 與 公 用 電 力 併 聯 之 太 陽 光 發 電 技 術 逐 漸 成 熟，而 英、美、日 、 加 等 先 進 國 家 相 繼 提 出 「 綠 建 築 」 的 環 保 理 念 ， 期 望 能 減 緩 建 築 物 對 地 球 環 境 所 造 成 的 能 源 負 荷 與 破 壞。故 於 1992 年起歐美及日本等各國 開 始 推 動 太 陽 能 光 電 補 助 獎 勵 ， 使 得 太 陽 能 電 池 逐 漸 被 發 展 。

邱 清 泉(2003)認 為 太 陽 能 是 宇 宙 間 蘊 藏 豐 富 之 自 然 能 源 ， 其 能 源 密 度 雖 低 ， 但 分 佈 廣 取 得 方 便 ， 屬 於 分 散 型 之 再 生 能 源 ， 太 陽 能 發 電 系 統（Photovoltaic Power Generating System，簡稱 P.V. System）是利 用 太 陽 光 能（ 光 子，Photo）透過太陽能電池（Solar Cell，又稱光伏電

池 ）直 接 轉 換 成 電 能（Voltaic），它 主 要 是 藉 助 太 陽 能 電 池（Solar Cells）

來 達 到 目 的 ， 太 陽 能 電 池 係 一 種 光 電 半 導 體 薄 片 ， 也 有 人 稱 之 為 太 陽 能 晶 片 ， 它 一 照 到 光 即 可 瞬 間 輸 出 電 壓 與 電 流 ， 產 出 電 能 的 能 量 大 小 主 要 取 決 於 它 的 面 積 、 轉 換 效 率 、 照 射 光 之 強 度 與 溫 度 ， 其 原 理 係 利 用 P 型 N 型半導體接合面之電子電洞之位移形成電子流。由圖 4 可 得 知 其 詳 細 的 發 電 原 理 。

依 據 工 研 院 表 示 ， 從 太 陽 輻 射 出 來 的 能 量 非 常 龐 大 ， 是 人 類 賴 以 維 生 的 主 要 能 源 。 太 陽 能 傳 送 到 地 球 大 氣 層 以 後 ， 一 部 分 被 大 氣 層 吸 收 ， 一 部 分 反 射 回 太 空 中 ， 另 外 一 部 分 則 會 被 地 表 接 收 。 如 果 能 夠 充 分 地 轉 換 、 應 用 地 表 所 吸 收 的 龐 大 能 量 ， 對 於 那 些 遠 離 輸 送 電 網 的 偏 遠 地 區 ， 可 以 成 為 最 佳 的 能 量 來 源 。

圖 4 太 陽 能 發 電 系 統 架 構 圖 資 料 來 源 :工 研 院 。

二、太陽能電池的種類

目 前 發 展 可 得 知 有 幾 種 太 陽 能 電 池 的 種 類 ， 賴 建 宇(2007)提 出 太

物 薄 膜 型(Tandem-Thin film)、 有 機 半 導 體 、 高 分 子 聚 合 物 (Polymer) 等 技 術 形 態 ， 其 光 電 轉 換 效 率 因 材 質 不 同 而 有 所 差 異 。

2006 年全球太陽能電池各種類之市佔率如圖 5 所表示，由於多晶 矽 太 陽 能 電 池 具 有 製 造 成 本 低 及 料 源 取 得 容 易 的 優 勢 ， 故 近 年 來 產 量 比 重 均 高 於 單 晶 矽 ， 不 過 因 為 隨 著 全 球 太 陽 能 專 業 拉 晶 廠 陸 續 出 現 ， 使 得 單 晶 矽 比 重 已 接 近 多 晶 矽 ， 兩 者 合 計 比 重 高 達 89.8%，此顯示出 太 陽 能 電 池 主 要 仍 以 單 晶 矽 及 多 晶 矽 為 主 。 不 過 ， 由 於 近 年 來 隨 著 全 球 結 晶 矽 太 陽 能 市 場 快 速 成 長，在 2007 年卻面臨到上游材料供不應求 的 窘 境 ， 使 得 薄 膜 太 陽 能 電 池 等 替 代 技 術 開 始 受 到 重 視 。

由 表 4 可以看出太陽能電池技術分類及轉換效率發展情況。一般

來 說 ， 太 陽 能 電 池 的 上 游 材 料 有 相 當 多 種 ， 各 類 太 陽 能 電 池 材 料 的 製 造 方 式 與 特 性 皆 不 相 同 。 但 總 體 來 說 ， 全 球 太 陽 電 池 的 上 游 材 料 種 類 可 以 大 致 上 區 分 為 矽 系 ， 化 合 物 半 導 體 系 及 其 他 三 種 類 型 ， 而 其 中 的 個 別 項 目 中 又 有 不 同 的 製 程 方 式 與 種 類 。

以下將對不同太陽能電池種類一一說明 ：

單晶矽, 43.4%

Ribbon-/Sheet C-Si, 25.49%

CIS, 1.96%

a-Si, 46.08%

CdTe, 26.47%

薄膜矽, 10.2%

多晶矽, 46.4%

圖 5 2006 年 全 球 各 式 太 陽 能 電 池 市 佔 率 概 況

資 料 來 源:Photon International，工研院 IEK(2007.04)。

表 4 太 陽 能 電 池 技 術 分 類 及 轉 換 效 率 發 展 概 況

單 位 ： ％ 太 陽 能 電 池 種 類 半 導 體 材 料 電 池 轉 換

效 率 模 組 轉 換 效 率 單 結 晶( 晶 圓 型 ) 14～ 24 10～ 14 結 晶 矽

多 結 晶 (晶 圓 型

、 薄 膜 型) 10～ 17 9～ 12 矽

非 晶 矽 a-Si、 a-SiC、

a-SiGe(薄 膜 型 ) 8～ 13 6～ 9 III-V族 GaAs(晶 圓 ,薄 膜 型 ) 18～ 30 25~30 II-VI 族 CdS、 CdTe(薄 膜 型 ) 10～ 12 7~10 化

合 物 半 導

體 多 元 化 合 物 CuInSe2(薄 膜 型 ) 10～ 12 8~10

有 機 物 TiO2/Dye 6～ 7 0~8

Carbo系

(塗 布 型 ) 研 發 中 - -

其 他 材

料 Carbo系

(蒸 著 ) 研 發 中 - -

資 料 來 源 ：(1)台灣經濟研究院產經資料庫。

(2)本研究自行整理。

(一 )晶矽類太陽能電池

包 括 有 單 晶 矽 太 陽 能 電 池、多 晶 矽 太 陽 能 電 池、非 晶 矽 太 陽 電 池，

其 特 點 分 別 如 下 ：

1.單 晶 矽 太 陽 能 電 池

單 晶 矽 太 陽 能 電 池 由 於 結 晶 十 分 完 整 ， 因 此 電 子 與 電 洞 於 內 部 移 動 時 並 不 會 受 到 阻 礙 ， 故 其 較 換 效 率 較 高 ， 且 光 電 轉 換 效 率 不 易 隨 使 用 時 間 衰 退 ， 目 前 一 般 於 發 電 廠 、 充 電 系 統 、 道 路 照 明 系 統 及 交 通 號 誌 等 以 單 晶 矽 太 陽 能 電 池 的 應 用 最 普 遍 ， 此 乃 因 其 產 生 之 電 力 與 電 壓 範 圍 廣 ， 轉 換 效 率 高 ， 使 用 年 限 長 ， 因 此 世 界 主 要 大 廠 ， 如 德 國 西 門 子 與 日 本 夏 普 公 司 均 以 生 產 此 類 單 晶 矽 太 陽 能 電 池 為 主 。

2.多 晶 矽 太 陽 能 電 池

多 晶 矽 太 陽 能 電 池 雖 與 單 晶 矽 太 陽 能 電 池 發 電 原 理 一 樣 ， 但 結 晶 構 造 不 一 樣 。 而 多 晶 矽 太 陽 能 電 池 純 度 與 結 晶 完 整 性 均 不 如 單 晶 矽 太 陽 能 電 池 ， 故 相 較 於 單 晶 矽 太 陽 能 電 池 而 言 ， 多 晶 矽 太 陽 能 電 池 的 效 率 明 顯 較 低 ， 同 時 光 電 轉 換 效 率 亦 會 隨 使 用 時 間 而 衰 退 ， 但 因 製 程 步 驟 簡 單 ， 成 本 亦 低 廉 ， 一 般 約 比 單 晶 矽 太 陽 能 電 池 便 宜 一 些 ， 因 此 針 對 某 些 低 功 率 的 電 力 應 用 則 以 採 用 多 晶 矽 太 陽 能 電 池 較 多 。 由 於 多 晶 矽 太 陽 能 電 池 以 成 本 價 格 為 優 先 考 量 ， 其 次 為 轉 換 效 率 ， 因 此 低 成 本 為 多 晶 矽 太 陽 能 電 池 之 主 要 優 點 。

3.非 晶 矽 太 陽 能 電 池

非 晶 矽 太 陽 能 電 池 在 可 見 光 範 圍 內 光 吸 收 係 數 高 且 光 導 電 性 大 ， 且 為 省 能 之 低 價 材 料 。 可 在 任 一 基 板 成 長 大 面 積 的 電 池 ， 系 統 差 價

（Balance of System）也較低與可量產化 (吳貴淳，2006)。其最大的 優 點 為 成 本 較 低 ， 且 無 需 封 裝 ， 生 產 快 ， 產 品 種 類 多 ， 但 缺 點 則 是 發 電 轉 換 效 率 低 及 光 電 轉 換 效 率 隨 使 用 時 間 衰 退 的 問 題 ， 故 大 多 用 於 消 費 性 電 子 產 品 ， 如 計 算 機 、 手 錶 等 ， 但 較 少 運 用 於 發 電 系 統 裝 置 上 。 另 因 其 具 有 表 面 加 工 性 良 好 及 輕 量 的 優 點 ， 也 常 設 置 於 佈 告 欄 或 建 築 物 外 觀。近 年 來，太 陽 能 電 池 之 技 術 發 展 快 速，發 電 效 率 已 大 幅 提 高 ， 價 格 也 隨 之 下 降 ， 民 間 太 陽 能 發 電 系 統 推 展 初 步 已 頗 具 成 效 。 然 而 ， 太 陽 能 電 池 仍 受 其 材 料 、 製 程 過 程 及 環 境 條 件 等 因 素 而 影 響 其 發 電 之 效 率 。

(二 )化合物半導體系類（亦稱薄膜太陽能電池）

主要是將塑膠、玻璃或是金屬基板上，形成可產生光電效應的薄 膜 ， 厚 度 僅 需 數 μm， 因 此 在 同 一 受 光 面 積 之 下 可 較 矽 晶 圓 太 陽 能 電 池 大 幅 減 少 原 料 的 用 量 。 薄 膜 太 陽 能 電 池 並 非 是 新 概 念 的 產 品 ， 實 際 上 人 造 衛 星 就 早 已 經 普 遍 採 用 砷 化 鎵(GaAs)所製造的高轉換效率薄膜 太 陽 能 電 池 板 。 但 是 ， 由 於 製 造 成 本 相 當 高 昂 ， 基 本 上 除 了 太 空 等 特 殊 領 域 之 外，應 用 實 際 市 場 並 不 多 見。近 年 來 由 於 全 球 各 國 積 極 研 發，

目 前 已 經 開 發 出 多 種 薄 膜 太 陽 能 電 池 技 術 發 展(吳貴淳，2006)。

(三)其他種類之太陽能電池

目前有無機太陽能電池、有機太陽能電池與濕式太陽能電池等種 類 。 有 機 太 陽 電 池 在 1986 年 就 已 問 世 ， 其 結 構 採 取 donor-acceptor interface 的設計，取代矽及化合物半導體太陽電池的 p-n 接面，長期 以 來 其 光 電 轉 換 效 率 僅 維 持 在 1%，直到 Princeton 大學 Forrest 教授實 驗 室 改 變 製 造 有 機 太 陽 電 池 的 有 機 化 合 物 後 ， 才 使 得 光 電 轉 換 效 率 達 到 3.6% (賴建宇，2006) 。