4.2.1 太陽能電池發展優勢
太陽光所蘊含的能量是遠超過其他能源的。舉例來說，太陽只需照射地球 表面一小時即可傳遞 4.6x1020焦耳的能量，大約是人類一年的使用量。然而，
相較於太陽光提供的巨大能量，經我們轉換後實際利用的數量卻非常低，以目 前的情況來看，使用太陽能電池所提供的電力約佔全球供電量的 0.015%，預估 到 2030 年，全球電力需求將呈倍數成長，屆時，太陽能電池是否能滿足更高比 例的需求，是目前的研究焦點。目前太陽能電池的效率尚低於理論極限，因此 我們希望藉由效率的提升更有效的利用太陽能。[4.20]
就產業面來說，由於能源危機及環保意識抬頭，各國為降低對原油等石化 原料的依賴，並減少石化燃料燃燒時對環境所造成之負擔，因此積極開發再生 能源，也促使再生能源市場蓬勃發展。與其他幾項主要的再生能源比較，我們 發現，再生能源幾乎都具備了環境友善、可永續利用及安全這幾項特性，太陽
能則因其便利性及普遍性而具有優勢，產業發展極具潛力，為再生能源市場中 前景看好的能源之一。[4.18]
4.2.2 太陽能電池技術
4.2.2.1 太陽能電池效率
根據 Solar energy conversion [4.20]一文，William Shockley 以及 Hans Queisser 在西元 1961 年經由熱力學效率分析，為太陽電池的效率建立一個 里程碑參考點。效率分析建立於四個假設：1.單一 PN 接面，2.每照射一個 光子產生一組電子電洞對，3.電子電洞對超過能隙的能量以熱能釋放，4.
照射未集光的太陽光，可以達到效率極限為 31％，目前實驗室裡最高效率 的單晶矽電池為 25%，商業化的約到達 18%，因此目前的太陽電池還有研 究空間。而薄模式太陽電池除了價格較便宜外，還具有可撓曲的特性，易 於與建築好的大樓以及公共建設整合，其他材料（如有機材料）所製作太 陽電池同樣成本較低，但效率卻也相當的低，僅有 3％。第三代太陽電池 的目標希望能結合前兩代的優點，利用便宜的材料達到高效率。
表 4.2.2 各式太陽電池效率 Photovoltaic conversion efficiencies
Laboratory Best*
Thermodynamic limit
Single junction 31％
Silicon (crystalline) 25％
Silicon (nanocrystalline) 10％
Gallium arsenide 25％
Dye sensitized 10％
Organic 3％
Multijunction 32％ 66％
Concentration sunlight (single junction) 28％ 41％
Carrier multiplication 42％
*由 National Renewable Energy Laboratory 所證實
資料來源：Solar energy conversion，Physics Today (03/2007) [4.20]
Shockley-Queisser 的效率極限可以由打破一個或以上的假設來超越，
集光式太陽光使得多光子產生更多貢獻，對於有熱量釋放的單一接面太陽
電池可以達到理論效率極限 41％。單一 PN 接面只能吸收部分的太陽光 譜：光子能量小於能隙將不會被吸收，光子能量大於能隙會使得多餘的能 量以熱能釋出。堆疊不同能隙的太陽電池可以吸收更多部分的太陽光譜，
對於照射非集光式太陽光的二接面太陽電池，其效率極限可以到達 43％，
三接面太陽電池可以到達 49％，無限接面則為 66％。（參考表 4.2.2 及圖 4.2.2）
4.2.2.2 太陽能電池種類
由於太陽電池產業前景看好，許多國家政府亦積極投入並在政策上給 予支持及補助，本節以商業化角度，對太陽電池成本及製造作討論。
4.2.2.2.1 單晶矽太陽能電池[4.21]
圖 4.2.2 各代太陽能電池
資料來源：Solar energy conversion，Physics Today (03/2007) [4.20]
自 1954 年 Bell Lab 發表了具備 6%光電效率的太陽能電池後，隨 著積體電路的發展，單晶矽太陽能電池的市場佔有率一直獨占鼇頭，
從未低於 80﹪。其原因大概可分為：一、成本與價格；二、模組的效 率；三、產能規模與利用率。
就成本來說，由於科技的進步，包括了矽基板厚度、切割技術、
矽基板尺寸，以及矽基板價格，均有大幅的改善，自 1960s 以來，單 晶矽電池發電，單位瓦數（watt）成本已下降約 50 倍。依據美國國家 再生能源實驗室的報導，薄膜太陽能電池的製造成本在過去 10 年亦呈 大幅下降，趨勢比單晶矽還快，不過至今一般而言，其價格仍約高於 單晶矽太陽電池 50﹪。
生產成本往往深受生產規模影響，太陽電池也不例外。比較單晶 矽與薄膜式太陽電池，一般而言，目前產能規模前者約是後者 10 倍，
因此固定成本可大幅分攤。其次就產能利用率而言，目前單晶矽電池 生產廠商，由於這幾年市場年年大幅成長，平均產能利用率約達 80
﹪，而薄膜式廠商僅約 40﹪，這使得單晶矽電池在生產成本上更具競 爭優勢。
就效率方面來說，單晶矽電池系統目前實驗室光電效率已有不錯 的成績，商業化產品的光電效率自 1970s 以來也有長足進步。以技術 成果來說是多數薄膜太陽電池仍不及之處。
4.2.2.2.2 矽基薄膜太陽能電池[4.21]
矽基薄膜太陽能電池結構通常為 p-i-n（或 n-i-p）偶極型式，p 層 跟 n 層主要作為建立內部電場，I 層則由非晶系矽構成。由於非晶系 矽具有高的光吸收能力，因此 I 層厚度通常只有 0.2 ~ 0.5μm。其吸光 頻率範圍約 1.1 ~ 1.7eV，非晶性物質不同於結晶性物質，結構均一度 低，因此電子與電洞在材料內部傳導，如距離過長，兩者重合機率極 高，為避免此現象發生，I 層不宜過厚，但如太薄，又易造成吸光不 足。為克服此困境，此類型光電池長採多層結構堆疊方式設計，以兼 顧吸光與光電效率。
這類型光電池先天上最大的缺失在於光照使用後短時間內性能的 大幅衰退，也就是所謂的 SWE 效應，其幅度約 15 ~ 35﹪。發生原因 是因為材料中部份未飽和矽原子，因光照射，發生結構變化之故。前
述多層堆疊方式，亦成為彌補 SWE 效應的一個方式。
非晶型矽光電池的製造方式是以電漿強化化學蒸鍍法（PECVD）
製造矽薄膜。基材可以使用大面積具彈性而便宜材質，比如不鏽鋼、
塑膠材料等。其製程採取 roll-to-roll 的方式，但因蒸鍍速度緩慢，以 及高品質導電玻璃層價格高，以至其總製造成本僅略低於單晶矽太陽 能電池。至於多層式堆疊型式，雖可提升電池效率，但同時也提高了 電池成本。
為了降低製造成本，近年有人開發以 VHF 電漿進行製膜，製程 速度可提升 5 倍，同時以 ZnO 取代 SnO2作為導電玻璃材料，以降 TCO 成本，預計未來製程順利開發成功，將可使非晶型矽光電池競爭力大 幅提高。
矽基薄膜太陽能電池最大的弱點在於其低光電轉化效率。目前此 型光電池效率，實驗室僅及約 13.5﹪，商業模組亦僅 4 ~ 8﹪，而且未 來改善的空間，可能相當有限。
4.2.2.2.3 第三代太陽能技術
第三代太陽電池與之前兩代是非常不一樣的，是廣泛的以半導體 元件不依賴傳統ＰＮ接面特性來分開光產生的電荷載子，而新的型態 的太陽能電池有染料敏化、有機、塑膠、三五族太陽能電池、量子點 太陽能電池，目前尚處於研究階段，三五族太陽電池已有廠商投入。