序論

第一章

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1-1 前言 前言 前言 前言

隨著科技發展，人類對於能源的依賴更深（如表 1-1）¹，而現今 能源來源主要來自於石化燃料，石化燃料不但有造成環境的破壞及空 氣的汙染的問題，並且它也是極有限的資源，價格持續飆升（如圖 1-1），所以目前的科學家與科技工作者都致力於找出可替代石化燃料 的能源。

傳統的「可再生能源」包括風力能、水力能、地理能、地熱能、

海洋能等，然而這幾項能源的轉換率並不高。相較於以上能源，在可 見的未來，太陽能可說是取之不盡、用之不竭的。人類利用太陽能之 吸收轉換為熱能，已有相當久的歷史，而將太陽能而太陽能直接轉換 為電能，即太陽能電池之應用（主要是無機半導體型）也有些時日。

相較於其他綠色能源之應用，太陽能電池具有可以設計成隨身攜帶的 特色，例如太陽能手錶、太陽能計算機、太陽能夾克等。太陽光能每 日照射在地球表量的能量，就足夠全人類利用 25~30 年之久，而就台 灣地區而言，日射量年平均達到 3000~4300 kcal/m²，日射量相當充 足，更是有利的條件；是故太陽能電池的研究成近年來已成為主要的 科技研發項目之一。此外，理想的太陽能電池於運作時將無廢氣產生

表 1-1、能源供給（來源別）

1-2 太陽能電池簡介 太陽能電池簡介 太陽能電池簡介 太陽能電池簡介

太 陽 能 電 池 最 早 可 追 朔 到 1839 年 ， 法 國 科 學 家 Alexandre Edmond Becquerel 發現某些物質經過光照會產生一個電壓，這就是 所謂的光伏（photovoltaic）效應。²隨後有以硒（selenium）製作而成 的光伏特電池（photovoltaic cells），其光電轉換效率約 1~2 %。1954 年美國貝爾實驗室（Bell Laboratory）的D. M. Chapin, C. S. Fuller與 G.

L. Pearson開發出以矽晶片為材料的太陽能電池（silicon-based solar cells）的製程並取得專利，隔年就有商業化的矽晶片太陽能電池問 世，整體的光電轉換效率約 2~6 %，但能量成本太高，不易普遍運用。

1960年中期，這種單晶矽太陽能電池的效率可達10%左右，此外成本 降低也開始有少許的商業應用，早期大多是應用於太空中，提供人造 衛星或太空船的動力來源，後來也有應用在高山、離島等無法利用電 力網傳輸電力的偏遠地帶。

太陽能電池依照其利用的材料可分成：矽晶類半導體、化合物半 導體、有機半導體等³。如圖1-2所示。

Solar cells

Sillicon (Si) type

Compound type

Single crystalline (sc-Si) Polycrystalline

(poly-Si)

µc-Si

a-Si/µc-Si (Heterojunction with intrinsic

thin-layer)

(Si, Si alloy, SiGe, SiC, etc)

Single crystalline (GeAs type, etc)

(CuInSe2, CulnGaSe2, CdS, CdTe, etc)

(a) Schottky junction type (organic/metal) (b) Organic heterojunction (two-layer) type (c) Donor/acceptor composite film (one-layer) type (d) Molecular device type

Already commercialized silicon）、多晶矽（polycrystalline silicon）、非晶矽（amorphous silicon）

三種，之所以選用矽是因為半導體材料中最常被使用的元素是矽和 鍺，而矽是地殼中含量第二多的元素，故可壓低原料成本，所以80%

30 年的使用年限。

目前單晶矽太陽電池的效率最高，效率可高達24%⁴，它使用分子 結構相當一致的矽原料，故成本最高；而多晶矽使用純度較低的太陽 級矽來製備，多晶矽含有許多單晶矽晶粒，每粒單晶晶粒易有晶格缺 陷產生會阻礙電子流動，價格較低但效率也較低；非晶矽的太陽能電 池效率較低，並且有照光衰減等問題，故較少使用在發電模板上，但 製作成本低，頗具有發展潛力，綜合上述的討論，表1-2列出不同材 料的太陽電池之性能比較。

1-2-2 化合物半導體電池簡介化合物半導體電池簡介化合物半導體電池簡介 化合物半導體電池簡介

化合物半導體以週期表中ⅢA 族元素與ⅤA 族元素所構成，如砷 化鎵；或者是ⅡB 族元素與ⅥA 族元素所組成，如硫化鎘、碲化鎘⁵。 前面所述的矽太陽能電池主要用作民生，而砷化鎵⁶（GaAs）型的化 合物半導體太陽能電池則是多用作太空用途，其效率是目前太陽能電 池中最高者，可達 25~30%，但成本也最高。另外硫化鎘（CdS）、碲 化鎘（CdTe）可作成薄膜形式的太陽能電池，但效率及穩定性皆不佳，

且汙染性高，市場佔有率並不高。

1-2-3 有機半導體電池簡介有機半導體電池簡介有機半導體電池簡介 有機半導體電池簡介

顧名思義，就是使用有機化合物做半導體的電池，可略分為染料

池（Organic Photovoltaic Solar Cell, OPV）。

染料敏化太陽能電池之發展源自 19 世紀，但當時染料的吸附度 不佳，導致光電轉換效率偏低，直到 1991 年瑞士科學家 Grätzel 首次 採用高表比面積的 TiO2 奈米電極以及適切的染料，吸附度獲得很大 的突破，使光電效率大幅提升，之後便引起眾多科學家熱烈投入研究。

有機光伏打電池則是多利用有機高分子材料做感光劑，其具備了 許多優點，如輕薄、可撓性、簡易的製程，它可以利用蒸鍍、旋轉塗 佈及浸液塗佈等方式來製造出大面積的元件。未來更可以利用噴墨技 術將高分子材料以印刷的方式來製作出大面積且成本低的元件。但因 為分子內充斥著電子的捕捉阱（electron trap），使得電子的遷移率太 低而光電轉換效率偏低⁷，仍有待技術改善。

表 1-2、不同材料的太陽能電池之性能比較

太陽能電池種類 元件材料 轉換效率 製造成本

單結晶（晶圓型） 24% 高

結晶矽 多晶型（晶圓型、薄膜型） 18% 中

矽

非晶矽 α-Si、α-SiO、α-SiGe、薄膜型 13% 低

GaAS（晶圓型） 25~30% 高

二元素 CdS、CdTe（薄膜型） 7~10% 低

化合物半導體

三元素 CuInSe2（薄膜型） 19% 低

1-3 太陽光譜 太陽光譜 太陽光譜 太陽光譜

太陽光之全光譜圖示於圖1-3，顯然的，太陽光強度最強的範圍 約在可見光區（400~700 nm）和近紅外光區（700~2000 nm）。當我 們在設計感光劑分子時，首要之考量乃是希望能夠有效吸收這兩個區 域的光能，製造較大的光收成（light harvesting）。當太陽光射入地 球時經過大氣層，導致能量產生衰退，故我們訂定一個參數為AM

（Air Mass），如圖1-10所示，其公式如下：

Air Mass = 1/cosθ

其中θ為太陽光與垂直入射的夾角，所以當入射光為垂直入射進 地球時，此時太陽輻射定義為 AM 1；同理當入射光與垂直入射的夾 角θ為60∘時，則定義為AM 2。AM 值愈大，表示光線經過的大氣 層愈厚，換言之，能量也衰退的愈多。在測試元件效能時，通常會設 定在 AM 1.5 為入射角度，而太陽光強度設定在1000 W/m²。另外，

當AM值為零時，則表示在真空的狀態下進行光照，以模擬太空中的 情形。

圖 1-3、太陽光譜圖

圖 1-4、大氣質量（AM）示意圖

1-4 光電轉換效率 光電轉換效率 光電轉換效率IPCE 光電轉換效率

IPCE的全名稱做incident photon-to-electron conversion efficiency，

不同於UV-Vis 可得知材料對每段波長光的吸收，IPCE可以知道每段 單色光照射下，元件由入射光子轉換成電子的機率。可用下式表示：

其中λ為入射光的波長，I 為入射光子通量。

圖1-5為典型的IPCE圖型。⁸縱軸為光子轉換成電子的機率，橫軸 為入射光波長

1-5 太陽能電池之電性量測 太陽能電池之電性量測 太陽能電池之電性量測 太陽能電池之電性量測

為了求出太陽能電池的電壓、電流及其功率，我們會進行電性的 量測，測試的方式是在模擬太陽光的光源照射下，進行電流電壓（I-V）

關係量測，測得的數據再換算出JSC （短路電流）、VOC （開環電壓）、

FF（填充因子）以及光電轉換效率η，圖1-5為測得的圖例。

圖 1-6、電流電壓關係圖 以下就電流電壓關係圖裡重要的參數進行解說 1-5-1 開開開環開環環環電壓電壓電壓電壓VOC（（（（open circuit voltage））））

當元件在斷路的情形下，照光後形成的電子電洞會各別向兩端累

JJJJ JJJJ

JJJJ

1-5-2 短短短路短路路路電電電電流流流流JSC（（（（short circuit current））））

當元件在短路的情形下，元件照光後形成的電子電洞會因為內建 電場的關係而向特定方向飄移，而此飄移電流也就是光電流，即為短 路電流JSC，短路電流為元件理論上能達到的最大電流，當此電流發 生時，其電壓為零。

1-5-3 填充因子填充因子填充因子FF（填充因子 （（（fill factor））））

太陽能電池的最大功率值Pmax（ = Jmax × Vmax）除以VOC

× J

在圖1-5中，（Jmax，Vmax）與原點所構成的方形面積，即為太陽 能電池的最大功率Pmax，此值愈大顯示元件的內電阻愈小。

1-5-4 能能能量能量量量轉換效轉換效轉換效轉換效率率率η率ηηη（（（（conversion efficiency））））

能量轉換效率的定義為太陽電池之最大輸出功率Pmax 與入射光 功率Pin的比值，可由下式表示。

故只要知道太陽電池的JSC、VOC及FF以及入射光功率Pin， 就可

1-6 染料敏化太陽能電池的發展 染料敏化太陽能電池的發展 染料敏化太陽能電池的發展 染料敏化太陽能電池的發展

雖然矽晶型太陽能電池其效率可高達24%，但其昂貴的成本及窄 帶隙半導體的嚴重光腐蝕性質，使其無法做普遍運用。寬帶隙半導體

（如TiO2、SnO2等）相對擁有較高的熱穩定性及光化學穩定性，似乎 是一種有研究價值的材料，但其吸光帶位於紫外光區，對於太陽光的 捕獲能力非常差，故無法直接利用做成太陽能電池。但當半導體上吸 附一層特定的感光劑（sensitizer）時，可藉由感光劑幫助吸收可見光 區甚至紅外光區的光源，之後將吸收的能量傳遞至半導體上形成電 流。這種以光敏劑加強半導體吸光能力的太陽能電池即稱做染料敏化 太陽能電池。

染料敏化太陽能電池在發展初期，由於都使用平版電極，材料的 吸附面積小，吸附量小，對於光的捕捉能力有限，光電轉換效率大都 0.1%以下。⁹那時為了增加染料的吸附量，曾嘗試做多層的吸附，藉 此來提升光的捕捉能力，但外層染料會阻礙內層染料的電子轉移，而 降低了量子效率。故不論是單層抑或是多層吸附，其光電效率都不超 過1%。

年，瑞士科學家M. Grätzel首次利用擁有高表比面積的奈米晶二氧化 鈦（TiO2）電極，成功的提高染料的吸附量。以10 μm厚的二氧化 鈦膜為例（粒子直徑為15~20 nm），總表面積提升了約2000倍。1991 年，M. Grätzel實驗室利用釕錯化合物（Ru-complex）配合奈米晶電 極，成功開發了高達 7.1% （AM 1.5）的染料敏化太陽能電池N3，¹¹ 至2005年，光電轉換效率已可達到10～11%。¹²

染料敏化奈米薄膜太陽能電池（DSSCs）擁有低廉的原料成本、

簡易的製作過程和穩定的性能等優點，這是傳統太陽能電池所不能辦 到的。

1-7 染料敏化太陽能電池的組成結構 染料敏化太陽能電池的組成結構 染料敏化太陽能電池的組成結構 染料敏化太陽能電池的組成結構

染料敏化太陽能電池的組成結構主要可分為幾個部份，分別是：

1. 透明導電極（FTO: fluorine-doped tin oxide）

1. 透明導電極（FTO: fluorine-doped tin oxide）