(一) 太陽能源發展概況
全球用電量隨著社會的發展及人口的增加逐年攀升，如何有效分 配及應用能源，逐漸成為各個國家需要面對的重要議題之一。目前高 達百分之九十的電力來源為煤、天然氣、石油等化石燃料(圖 1-1)，其 排放的廢氣是造成溫室效應的主要原因，且化石燃料能源有限，短時 間內無法再生，成本將不斷提高；而許多國家所倚賴的核能發電，雖 然能產生大量的電量，但隨之衍生的核廢料無法完全清除，將對環境 造成巨大的威脅，再加上 1986 年車諾比事件及 2011 年發生於日本福 島的第一核電廠事故等，更使民眾對核電廠的安全產生疑慮，反核聲 浪四起。基於經濟及環保層面的考量，來自大自然的可再生能源逐漸 吸引大量的關注，其中又以不受地域限制且取之不盡、無汙染性副產
圖 1-1 電力逐年消耗及來源分布圖
物的太陽能為具發展潛力。
太陽能電池的工作原理，太陽光電效應(photovoltaic effect)又稱為 光伏特效應，是由法國物理學家 Edmond Becquerel 於 1839 年首先提 出，他觀察到浸在電解液中的電極之間的電壓與光有關聯。1876 年， (National Renewable Energy Laboratory, NREL)所統計之截至 2014 年 6 月 27 日止，最佳太陽能電池研究效率紀錄[1.2]。現有的太陽能電池 以吸收層材料來區分，大致可分為以下三類：
第一類為矽基太陽能電池，其發展歷史最長久，技術也最成熟，
是目前市佔率最高的太陽能電池種類，單晶矽太陽能電池效率可達 25%，多晶矽及非晶矽薄膜太陽能電池也有 21%。
第二類為化合物太陽能電池，主要材料包含二六族半導體硒化銅 銦鎵(CIGS)及碲化鎘(CdTe)，其轉換效率為 20%左右；三層串接磷化 鋁鎵銦、砷化鎵銦與鍺(AlGaInP/GaInAs/Ge)三五族半導體聚光型太陽 能電池轉換效率已高達 44%。
第三類是使用新穎技術的太陽能電池，像是在製程中導入有機物 和奈米科技。如染料光敏化、有機太陽能電池轉換效率約為 11%，新 穎材料鈣鈦礦(Perovskite)太陽能電池轉換效率已達 17.9%。
圖 1-2 目前世界各種太陽能電池最佳效率紀錄，III-V 太陽能電池 有最高的轉換效率[1.2]
(二) III-V 族多接面半導體太陽能電池發展現況
多接面太陽能電池，是由多個不同能隙的太陽能電池串聯而成，
其能隙的排列必須由上至下遞減，因此，不同波段的太陽光入射至元 件時會分別被不同子電池而吸收，若適當的排列能隙，即能有效的應 用太陽光譜。本論文所探討之 III-V 族多接面半導體太陽能電池，是 由上電池磷化銦鎵(InGaP)能隙大小為 1.86eV、中電池砷化鎵(GaAs) 能隙大小為 1.36eV、下電池鍺(Ge)能隙大小為 0.67 eV 串聯(tandem) 而成。InGaP 可經由磊晶時三五族原料比例去調變能隙(Bandgap)大小； 知的就是因為反射而造成的光的損失(Fresnel reflection loss)，當環境 介質與太陽能電池之間存在折射率差，即會發生反射。以硒化銅銦鎵 (CIGS)薄膜電池為例，圖 1- 3 為 CIGS 電池的外部量子效應[1.4]，分
析電池在光學部分的電流損耗機制，如表 1-1 所列，包含封裝時的格 線陰影、非主要吸收層的吸收等等，發現反射所造成的電流損失遠高 於其他因素。而 III-V 族多接面太陽能電池，在沒有抗反射層的情況 下會發生至少 30%以上的反射(圖 1-4)。因此，抗反射膜(Anti-reflection coatings, ARC)成為不可或缺的一環，只要降低、抑制菲斯涅耳反射損 失便可增加進入太陽能電池元件的光，轉換效率就能因此提升。隨著 太陽光電技術的提升，對更優良的抗反射膜的需求也隨之提升。
圖 1- 3 CIGS 太陽能電池量子效率與電流損失機制[1.4]
表 1-1 Optical loss mechanism(for CIGS cell) ΔJ (mA/cm2) (1) Shading from grid 1.7 (2) Reflection from Cu(InGa)Se2/CdS/ ZnO 3.8 (3) Absorption in ZnO 1.8 (4)Absorption in CdS 0.8 (5) Incomplete generation in Cu(InGa)Se2 1.9 (6) Incomplete collection in Cu(InGa)Se2 0.4
圖 1-4 III-V 族多接面太陽能電池在沒有抗反射層的情況下會有近 30%的光因反射而損失。
抗反射層通常由一層或多層介電材料組成，藉由四分之一波長的 厚度達到破壞性干涉以降低反射率，但是這種 ARC 只能降低較窄波 長範圍的反射率，有效的入射角度範圍也較小。基於以下幾點原因，
這些限制使得傳統 ARC 應用在太陽能電池上表現不佳：第一，太陽 光譜涵蓋的頻率很寬，太陽光譜有很大的部分會落在傳統 ARC 所設 計的最佳低反射帶之外；第二，在一年甚至一天當中太陽的位置都不 相同，而且漫射的光在地球大氣中散射，導致大約 15%的太陽能會從 四面八方入射，有很大一部分的能量入射角是在傳統 ARC 設計的最 佳化範圍之外，因此太陽能元件很需要同時擁有寬頻且不受入射角影 響的 ARC。
隨著奈米微影技術的進步，非均質層(inhomogeneous)成為越來越 熱 門 的 抗 反 射 層 結 構 。 其 原 理 基 於 次 波 長 結 構 (subwavelength structures ,SWSs)，在基板表面形成一非均質層材料，使得折射率能隨 厚度從空氣漸變為基板，折射率便能夠以連續且漸進變化的方式改變，
將可使光學上的反射率大幅下降，利用連續的多層材料能逼近這種效 果。製作非均質層有許多種方法，其中之一便是成長氧化鋅奈米柱，
其他方法將在後面的章節敘述。以水熱法合成氧化鋅奈米柱的方法具 低溫、低成本、大面積、易控制的優點，能夠在不傷害元件的情況下 成長。
基於抗反射層設計原理，本論文結合多層膜抗反射層與非均質層 結構，使抗反射層的折射率能夠漸變至元件表面，以降低反射率。
參考文獻
[1.1] M. Wolf, “Historical Development of Solar cells,” in Solar Cells, ed. C. E. Backus (New York: IEEE Press, 1976).
[1.2]
http://www.nrel.gov/ Website of National Renewable Energy
Laboratory[1.3] D. Crisp et.al.,“The performance of gallium arsenide/germanium solar cells at the Martian surface”, Acta Astronautica 54,
83-101(2003).
[1.4] Antonio Luque and Steven Hegedus, “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”(Wiley, 2003).