太陽電池之發展背景與現況

科技日新月異、一日千里，地球上的化石燃料等一次性資源終將消耗殆盡，尤以原 油價格節節攀升的趨勢中可見一斑，觸發能源危機的潛藏因子正悄悄醞釀；除此之外，

化石能源燃燒所產生的大量二氧化碳等氣體使得溫室效應加劇，同時對於環境、生態系 的汙染日益嚴重，迫使人們必須正視此問題，故近年環保意識普遍抬頭。科學家們尋找 替代能源和開發再生能源已行之有年，林林總總的候選能源皆被提出和研究，諸如：太 陽能、風力、水力、地熱、潮汐、生質能源等，其中太陽能的成長幅度和未來發展潛力 尤為可觀。太陽每天照射到地表的能量，超過全人類二十年的能源總需求，再者，天文 學家預估太陽剩餘壽命近 50 億年，與人類歷史相比，確實可謂取之不盡、用之不竭。

人類發展太陽電池最早可追溯至法國物理學家 A. E. Becquerel (圖 1- 1 左)於 1839 年 發現的「光生伏特效應」(photovoltaic effect)。1877 年 W. G. Adams (圖 1- 1 中)與 R. E. Day 在硒(Se)的全固態元件中也觀察到類似的光電流現象，到了 1883 年第一個太陽電池(硒 的光生伏特電池)由美國科學家 Charles Fritts (圖 1- 1 右)研製出來，此後光生伏特效應陸 續在銅-氧化亞銅(Cu-Cu2O)、硫化鉛、硫化鉈等系統中被發現，但這些元件屬於薄膜 Schottky 接面的二極體且效率大都在 1%以下。直至 1954 年終有突破性發展，貝爾實驗 室(Bell Labs)的 D. M. Chapin、C. S. Fuller 和 G. L. Pearson 成功製作出 6%的單晶矽太陽 電池，奠定未來發展之基石。

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圖 1- 1. 太陽電池發展史上貢獻良多的科學家

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(左：A. E. Becquerel，中：W. G. Adams，右：Charles Fritts)

根據不同種太陽電池的問世先後以及所具備的成本與效率特性，一般將之分為三個 世代，如圖 1- 2[1]。第一代太陽電池主要是以結晶矽和砷化鎵為材料的電池，屬於較早 期發展的結果，其目的在於發展用於太空計劃中的自主能源產生系統，因此太陽電池材 料和製造成本非其主要考量，而是著重於降低運送設備至太空的成本，故其特色為高效 率、高成本(約每瓦 3.5 美元)。

圖 1- 2. M. A. Green 提出關於未來第三代太陽電池的概念

隨著科技進步以及環保、永續能源等意識抬頭，為致力於拓展再生能源至民生用途，

低成本便成首要目標。除了將第一代太陽電池進行製程改良和成本減低外，另起之新秀 是薄膜太陽電池，諸如：非晶矽、銅銦鎵硒(CIGS)、碲化鎘(CdTe)等。這些薄膜化後的 太陽電池轉換效率大約座落在 10%，得力於成本大幅下降至每瓦 1 美金左右，確實具有 相當潛力，只是受限於材料本身品質、缺陷密度、晶粒大小等問題，效率一直無法有大 突破。

M. A. Green 在 2003 年即提出所謂第三代太陽電池的概念，以「薄膜、高效率、低 成本」為主要訴求。此第三代預期可達 20~60%的轉換效率以及每瓦發電成本 0.5 美元 以下，例如現在仍處發展階段的染料敏化太陽電池(Dye-sensitized solar cell, DSSC)。總

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的來說，第一代太陽電池達到了高效率，第二代致力於降低成本，第三代特色為兼顧高 效率和低成本。

根據各種不同材料、製程的太陽電池在市場之發電瓦數分布，如圖 1- 3，可觀察到 結晶矽所佔比例最高，而且也以矽作為基材的太陽電池為最大宗。此乃得利於矽是地殼 中蘊藏量(化學元素豐度)排名第二的元素(僅次於氧)，材料成本相對低，故產能高於其 他種類太陽電池之總和。另一方面，矽電子產業等其他非光伏元件製造業的製程方法、

設備的發展歷史久且技術成熟，許多可以直接應用於製作矽基太陽電池，因此製程開拓 成本亦不高，終成為現今世界上太陽電池主要選用之材料。

圖 1- 3. 不同材料、製程的太陽電池佔市場發電瓦數

太陽能發電普及與否常與石化能源等天然資源的發電成本做比較，NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization)對太陽能發電、火力發電、核 能發電的成本進行分析，如圖 1- 4 所示，約在 2015 年可望與傳統火力發電成本產生黃 金交叉，至 2030 年後更有機會與核能發電成本在伯仲之間。然而目前太陽能發電所佔 比例極小，下圖 1- 5 為全球能源使用量及組成的展望圖，由圖可見 2040 年預估太陽能 將佔全球所有能源之 25%，因此世界各研究團隊正努力研究，期許早日讓人們能夠普遍 享用太陽所帶給我們的乾淨能源。

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圖 1- 4. 傳統火力發電、核能發電和太陽能發電成本比較圖(來源：Sharp based on PV roadmap 2030 (PV2030), published by NEDO)

圖 1- 5. 全球能源使用量及其組成展望圖(來源：Sharp, Japan)

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