第一章 緒論
1.1. 文獻回顧
1.1.1. 太陽能電池的發展
第一章 緒論 1.1. 文獻回顧
1.1.1. 太陽能電池的發展
自18世紀工業革命以來，人類對能源的需求日益增加。目前，能源的消耗主要來自 化石燃料，由此引發的能源危機和環境污染成為極待解決的嚴重的問題。20世紀70年代 的石油危機使這一矛盾更加突出。根據美國能源部預估，目前全球石油存量約40 年、
天然氣存量約60年、煤炭存量約200年，而全球能源需求在2050 年將達到目前的兩倍，
2100 年將達到目前的三倍，因此將可預期未來全球能源供需失調的困境。有鑑於此，
各種可在生能源包括生質能源、生物能、風能、水能、核能、以及太陽能成為解決全球 性的能源危機和環境問題的幾個重要途徑。這其中，太陽能作為一種可再生能源，具有 其他能源所不可比擬的優點；與化石燃料相比，太陽能取之不盡，用之不竭；與核能相 比，太陽能更為安全，其應用不會對環境造成任何汙染；與水能、風能相比，太陽能利 用的成本比較低，而且不受地理條件的限制。
太陽每年向地球輻射的能量大約為5.4×1024J[1]。全世界每年需要的最終能源相當於 8×109噸的煤，也就是1.09×1050J地能量(1噸的煤大約可產生2.93×1010J的能量)[2]。如果地 球上一小部分的太陽能被利用的話，許多能原問題都可以迎刃而解。因此利用太陽能的 研究和應用受到世界各國政府的重視。目前太陽能的轉換主要有四種形式:太陽能轉換成 熱能、太陽能轉換成熱電能、光電太陽能轉換與化學太陽能轉換。其中光電太陽能轉換 是將太陽能直接轉成電能，其為世紀各國最重視的研究課題之一。
光伏效應可追溯到166年前。1839年，Becquerel等人將可個電極放在電解液裡，光 照其中其中的一個電極，能夠檢測到光電壓的產生[3]。在此相當長的時間裡，光伏效應 僅僅是一種現象而已，沒有實用化器件的產生。五十年代以來，以矽為代表的半導體材 料得到迅速的發展。1954年，轉換效率為6%的p-n型太陽能電池在貝爾實驗室誕生，這 是一個實用化的光電轉換器件。從此，半導體矽太陽能電池得到蓬勃的發展，並且廣泛
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應用於衛星、航空、軍事以及偏遠地需的通訊和電力供應。由於這種光電轉換系統非常 穩定，開始人們很少關心他的生產成本。太陽能科技於1950 年從太空科技轉移至一般 民生商業用途，然而，由於太陽能發電的設備成本偏高，使其在民生應用上無法普及。
近年來由於奈米技術與先進材料之開發，有助於提升太陽能電池之光電轉換效率，因此 單(多)晶矽太陽能電池、非晶矽太陽能電池、薄膜太陽能電池、有機太陽能電池等技術 之改良，正受到各先進國家之研究機構、大學與工業界的重視。
目前許多研究機構發展了各類太陽能電池的轉換效率約介於 10-30 %，其發展過程 及分類概述如下：
(1) 第一代晶圓(wafer)太陽能電池：
1954年貝爾實驗室[4]開發第一顆太陽電池，此第一代電池一般以摻雜少量之三 價雜質原子的 p型半導體(如硼(B))當作基板，再利用高溫熱擴散將濃度略高於 B的五價磷原子(P)摻入p型基板內，此五價之雜質原子因其中四個價電子分別與 鄰近的四個 Si原子形成共價鍵，而多出一個自由電子並取代 Si原子的位置，因 此形成一 p-n介面。當太陽光照射到 Si內部的 p-n介面後，光子在 Si內將生電 子−電洞對，其中一部分的電子-電洞對由 p-n接合內部電場的作用而分離而產生 電位差，再由外部迴路產生電流通過。晶圓型太陽電池依基材不同可區分為：
單晶矽太陽能電池、多晶矽太陽能電池及三五族(砷化鎵，GaAs)太陽能電池。
A. 單晶矽(single crystal silicon)太陽能電池(15-24 %)
單晶矽太陽能電池因具有較高的轉換效率，是目前太陽能電池市場之主要佔有 者，目前單晶矽太陽能電池的最高光電轉換效率為 24.4 %，由 UNSW (University of New South Wales)於 1998年製作[5]。雖然單晶矽太陽能電池的操 作穩定性極佳，但單晶矽晶圓材料之昂貴，使得太陽能電池的製作成本增加。
B. 多晶矽(polycrystalline silicon)太陽能電池(10-20 %)
多晶矽太陽能電池的光電轉換效率相對於單晶矽電池雖相對較低，但因製作步 驟簡單，成本較低，因此許多低功率需求的電力系統皆選用此電池。2004年由
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法蘭克博士(Frank Dimroth)領軍的太陽能電池團隊(FhG-ISE)製作的多晶矽太 陽能電池[6]，其光電轉換效率已可達 20.3 %。
C. Ⅲ-Ⅴ族太陽能電池(19-40 %)
Ⅲ-Ⅴ族元素如砷化鎵(GaAs)及磷化銦(InP)，高效率聚光型多接面太陽能電池 為利用透鏡與反射鏡將陽光聚焦於太陽能電池晶片上，並採用三層半導體材料：
鎵銦磷化合物、鎵銦砷化合物和鍺；各層材料被調適為各捕捉太陽光譜中一部 分，其聚光系統可將陽光強度增至 240倍。1995年 GaAs太陽能電池的轉換效 率可達 32 %，而 2005年美國再生能源實驗室(NREL)團隊與美國波音光譜實 驗室(Spectrolab)聯合研發成功首個超越 40 % 效率障礙的太陽能電池[7]。砷化 鎵電池雖擁有如此出眾的表現，但材料及製造成本非常昂貴，因此應用途徑較 為特殊，如人造衛星之發電系統及軍事用途。
(2) 第二代薄膜(thin-film)太陽能電池：
薄膜太陽能電池顧名思義是以薄膜型為主要基材的電池，其材料製作為薄膜成 形的方法。薄膜電池技術開發較晚，轉換效率較單晶矽太陽能電池低，由於使 用材料的節省、製造成本降低、製成簡單、重量輕穎，所以用途寬廣，廣受各 研究單位歡迎。薄膜太陽能電池依所用材料種類及其結晶可分為非晶矽、多晶 矽、微晶矽、碲化鎘、銅銦鎵硒等。
A. 非晶矽(amorphous silicon, a-Si)薄膜太陽能電池(8-13%)
非晶矽太陽能電池之基本結構主要是由 p-i-n或 n-i-p的三層式結構所構成，其 中 p與 n代表高濃度 p型及 n型半導體薄膜層。其功能在於產生內建高電場，
而 i薄膜層為不含雜質的本質性半導體薄膜層，用於產生電子−電洞對，此電子
−電洞對並可因其高電場而快速的被分離。非晶矽薄膜一般成長於塑膠或玻璃 基板上，其光學吸收係數高，因此元件厚度可控制到很薄。但此晶態因有史坦 柏−勞斯基效應(Steabler-Wronski Effect)，照光時的熱會使部分未飽和狀態的矽 晶格毀損而有漏電流的產生，進而影響光電轉換效率，故其穩定度有待改善。
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目前穩定狀況下之非晶矽薄膜太陽能電池為 2003年 U. Neuchatel團隊所研發，
其研究結果為 9.5 %[8]。
B. 碲化鎘(CdTe)薄膜太陽能電池(10-15 %)
Ⅱ-Ⅵ族太陽能電池製程技術中主要以硫化鎘(CdS)及 CdTe薄膜技術為主，在 n型的 CdS以及 p型的 CdTe接面處之活性層會發生載子產生及收集作用，因 而產生光電流。美國第一太陽能 ( FSLR)發展之 CdTe薄膜太陽能電池，目前 轉換效率約 9-10 %，最高可達 16 % [9]，是此類電池中最早實現量產和低成 本的成果。目前 CdTe薄膜太陽能電池在實驗室的成果可達 16.5 %，由美國 NREL完成[10]。但畢竟 Te元素在地球上相當貧乏，且 CdTe太陽能電池材料 佔總成本 53 %的高成本，CdTe如果在太陽能電池方面發展太快速，將會面臨 材料短缺或 Cd元素毒性的疑慮，這些問題都會成為未來發展的限制因素。
C. 銅銦硒(CuInSe2)/銅銦鎵硒化物(CuInGaSe2)薄膜太陽能電池(10-20 %)
Wagner博士首先使用銅銦硒(CIS)單晶材料，並於其表面沉積 n型 CdS而製作 出單晶型 CIS化合物的太陽能電池，其元件之光電轉換效率為 12.0 % [11]。p 型的 CIGS與 n型的 CdS緩衝層/窗層為此型電池主要產生電能的部分，元件在 不照光的情況下，由於空間中濃度分佈不均，電子會從 CdS緩衝層擴散至CIGS 吸收層，導致部分 n型緩衝層帶正電，另一部分 p型吸收層帶負電，而在介面 處形成空乏區及內建電位。目前美國 NREL所發展的「三階段製程(three-stage process)」技術多晶 CIGS太陽能電池的光電轉換效率已可達 19.5 % [12]。
(3) 第三代有機(organic)太陽能電池：
由於第一代與第二代太陽能電池製程必需在無塵室與真空設備的操作下完成，
所以設備成本投資大，因此使得第三代太陽能電池的低成本製程被業界看好。
第三代太陽能電池因其製程簡單、設備成本低廉、容易製成大面積化與可撓曲 電池等優點，所以在近幾年來發展快速。但其光電轉換效率目前處於瓶頸，因 此在元件的改善方面也是本研究的主要方向。
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A. 有機半導體太陽能電池(3-6 %)
又稱有機薄膜太陽能電池，其利用有機分子層吸收光後激發放出電子並傳遞至 寬能隙的無機奈米層而產生電壓。電荷分離發生在中間的混合層，並透過電子 施體及受體的有機半導體層傳遞至對電極。南韓光州科學技術學院 (GIST)的 研究人員在 2009年 4月 26日的學術雜誌《Nature Photonics》[13]上宣佈，已 將有機薄膜太陽能電池的單元轉換效率提高到了 6.1 %。其具體測量值如下：
轉換效率為 6.1 %、開路電壓 (Voc)為 0.88 V、短路電流密度 (Jsc)為 10.6 mA cm-2、填充因子(FF)為 0.66。以上是在 AM (air mass)為 1.5 G，光線入射強度 為 100 mW cm-2的條件下測量的結果。
B. 染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized Solar Cells, DSSC) (7-11 %)
DSSC主要利用有機光敏染料吸收光能後，電子從染料的基態躍升至激發態，
經由作為電子傳輸層的工作電極傳至基材及外電路到達對電極，此時失去電子 的染料將可被電解質中的氧化反應還原至基態，而傳到對電極的電子則將氧化 態的電解質還原，如此形成 DSSC的電子傳輸迴路。經過十餘年的發展，目前 染料敏化太陽能電池的最高轉換效率已達 11 % [14]。
綜合以上所述，DSSC因具有製程設備及成本低廉、製作簡便、可透光、可製成可 撓曲電池，以及可藉由吸附不同染料得到色彩繽紛的元件等優點。