第一章緒論
1.1 前言
近年來，全世界有許多能源消耗問題，隨著人口快速成長，及科技迅速發展，能源 的需求也不斷的向上攀升，造成「能源不足」以及「全球暖化」兩個重大的問題。
自從十八世紀的工業革命開始，以機器取代人力，現代化交通工具便利人類，人類 的經濟迅速提升。然而，大量使用化石燃料的結果，使二氧化碳含量自工業革命開始由 275ppm 上升到 389ppm，二氧化碳提升造成全球暖化、冰山溶解、海平面上升。現在的 平均溫度比起工業革命以前上升約 0.8 度，海平面每年平均上升 2.39 毫米，並解仍舊持 續上升，全球氣候變遷加劇，而陸地上升溫度又比海水上升速度快了一倍，近年來的室 溫不斷打破歷史高溫紀錄，在 2013 年八月，台北竟出現 39.3 度最高溫。圖 1 全球平均 溫度圖，若以模擬去除人為影響因素後，會發現全球溫度區是幾乎沒有改變，這是人類 文明發展所帶來的衝擊，該如何改善這項衝擊，也是人類的責任。
圖 1 經由電腦模擬，得到經人為因素的影響後的全球平均溫，與沒有人為因素影響的全 球平均溫度。(資料來源：維基百科，作者 Rebecca Lindsey)
現今，人們主要使用的傳統能源存量有限，包含煤炭、天然氣與石油，又因為石油 與天然氣的體積輕巧而輸出功率極大，漸漸取代了煤炭的地位，並在二十世紀初成為主 要的工業能源，卻因為開採過度，使石油與天然氣的儲藏量減少，需求量依舊，造成能 源價格日益高漲。這些能源還能使用多久？依據 2013 年 BP 世界能源統計年鑑估算，石 油儲存量約可使用 54 年；天然氣儲藏量約可使用 62 年。石油與天然氣不僅存量有限，
更重要的是會對生態環境造成嚴重的破壞。因此，替代能源的發展必定為未來能源趨勢，
是我們需要不斷持續探討與研究的議題。
替代能源包含核能、水能、風能、地熱能、生物質能等，依台電歷年發電過程(圖 2)，除了火力發電外，核能發電佔所有電量中的 18.8%，其於再生能源發展比例是少之
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又少。然而，核能發電一直是充滿爭議的議題，核能，可以利用最少的資源得到大量的 能量，但核能危險性遠高於傳統再生能源，經歷過近年來的德國及福島核災後，讓更多 的人民們開始反思核能所衍生的問題，擔心輻射外洩、燃料棒後續處理問題。對台灣而 言，台灣是地震海嘯風險最高、人口過度密集、經濟損失嚴重的所在，核電意外一旦發 生將為台灣帶來毀滅性的後果。台灣的再生能源比例少，若能夠進一步提升再生能源的 發電效率，增加人民對於環保議題重視程度，並與環保建設相輔相成，相信能改善能源 不足的問題，降低能源對於環境的種種衝擊。
圖 2 台電系統由民國 34 年到 102 年發電構成比(資料來源：台灣電力公司)
1.2 太陽能電池介紹
太陽能電池種類繁多，目前研發成功的太陽能電池種類已有一百多種，如圖 3，包 括各種不同材料與結構的太陽能電池，其中最常見的種類是以矽基板為主的太陽能電池、
III-V 族、II-VI 族、化合物半導體以及有機材料的太陽能電池[1-3]，如表 1。
圖 3 不同種類的太陽能電池，在不同年份的最高效率統計圖。
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(資料來源：美國國家能源部可再生能源實驗室, NREL) 表 1、不同材料的太陽能電池平均效率比較表
太陽能電池種類 半導體材料 電池轉換效率 模組轉換效率 矽 結晶矽 單晶矽 15~20% 14~18%[4]
多晶矽 12~17% 10~16%
非晶矽 a-Si,SiC 8~13% 6~9%
化合物半導體 III-V 族 GaAs 18~35% [5, 6]
II-VI 族 CdS、CdTe 10~14% [7]
有機物 二氧化鈦/Dye 7~11% 4~8%
儘管矽的數量繁多，但由於在歐、日、美、德等政府的能源補助政策下，矽基太陽 能電池更蓬勃發展，依材料分類，又可分為單晶矽(single crystal silicon: c-Si)、多晶矽 (polycrystalline silicon: poly-Si)、非晶矽(amorphous silicon: a-Si)。由於矽為地殼元素含量 排名第二多的元素，具有先天優勢，又因為它是 IC 半導體的主要原料，是 IC 元件製程 發展已久的基本材料，因此人們對於矽的製程過程，已累積許多相當成熟的經驗。其中，
純度極高的單晶矽以規則的方式排列，是最早被研究和應用的太陽能電池，其轉換效率 約 15~20%，使用壽命長，但因單晶製程過程複雜，需要先把二氧化矽純化，經精煉製 程才能形成單晶，因此成本較高。多晶矽的轉換效率雖然略低於單晶矽約為 12~17%，
但因製作過程較簡單，成本與所需製作的能量較低，因而不斷擠進單晶市場。非晶矽源 起於 20 世紀 70 年代，雖然轉換效率與壽命都比晶矽來的差，約為 8~13%，但其製作成 本與最低，因具有獨特的物理特性，如圖 4、圖 5，可以看出非晶矽在可見光譜中，其 吸收系數最大，約只需要數千個Å 即可有效吸收太陽光，大大降低了矽材料的成本，且 可用大型廠房進行連續生產，並利用濺鍍或是化學氣象沉積法，在玻璃或金屬板上進行 大面積的製程，其生產方式成熟且成本低廉，材料成本相較於其他化合物半導體材料也 便宜，亦可應用於可撓式基板上，易於與電子元件整合，故有廣泛的應用。但是，非晶 矽薄膜太陽能電池轉換效率低，而且會產生嚴重的光劣化現象(Staebler-Wronski effect, SWE)，表示太陽能電池長期受到太陽光照射，會使其光導電性逐漸低落，造成光轉換 效率逐漸降低，此現象產生的原因，目前還是無法確切被了解，然而，此現象造成太陽 能電池壽命降低，也是非晶矽薄膜太陽能電池遇到的最大障礙。微晶矽其是由多種不同 結晶方向之單晶矽所組成，內部因此存在許多晶界（grain boundary），晶界大小在 5 至 50nm 間[8]。
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圖 4 各種不同半導體材質的能隙與理論效率[9]
圖 5太陽能電池頻譜特徵圖
1.3 低成本動機(Low Cost)
太陽能電池是利用太陽光做為主要轉換能量來源，對於其它化石能源來說，相對環 保並能減少汙染。然而，陽光雖然是取之不盡用之不竭的能源，但由於每日日照時間有 限，加上太陽能電池必須使用到較大的面積進行設置。而普通的消費者對於加裝裝太陽 能電池的目的，除了環保節能外，最重要的是要能夠節省開銷，降低使用電費用，因此 收支方面的考量也是必要了解的面向。
一個普通的太陽能電池，除了電池製作成本費用外，還需要負擔安裝電池的工本費，
並且要有定期進行維修、清潔與保養等費用支出。因此，對於電池生產者來說，如何製 作太陽能電池是一門很大的學問，必須讓消費者安裝電池後能夠回本，甚至是獲益，有 諸多問題需要進行考量。就目前來說，太陽能電池的發展與目標十分清晰，包含增加電 池的使用壽命，降低電池備製成本，並提升電池的轉換效率。
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其中，降低成本的方法，包含使用價格低廉的原物料─矽作為主要的材料，而為了 有效減少原物料使用量，並提升電池轉換效率，因此研發出許多不同型式的太陽能電池，
而 許 多 時 候 當 光 進 入 吸 收 層 後 ， 無 法 被 利 用 完 全 ， 因 此 研 發 出 抗 反 射 膜 (Anti-reflectionCoating, ARC)增加穿透率、降低反射率，使入射光進入太陽能電池的比例 上升。並透過反射率高的反射鏡(Reflector)，在太陽能電池底，使仍具有能量的光能夠 反射回太陽能電池內。利用抗反射膜與反射鏡，能有效將光侷限在太陽能電池中，如圖 6，增加光在吸收層的路徑，提升光捕獲量(Light capture)，使電池的轉換效率增加。
圖 6 利用表面的抗反射膜(Anti-reflection)與底部的反射鏡(Reflector)，將入射光局限制住，
提高光的捕獲量。
反射鏡包含布拉反射鏡(Distributed Bragg Reflector, DBR)、金屬反射鏡(meral
reflector)、光柵、漏水模式(leaky-mode-based) 光柵或等同於高折射率鏡[10](High contrast grating, HCG)等[11]。布拉格反射鏡屬於介電反射鏡的一種，是由兩種不同介電係數的 材料交替排列組成，如圖 7，每層的厚度為四分之一材料內部的光波長，因此只要決定 好反射波段，經過計算，控制薄膜厚度與材料的折射係數，便能使不同反射層，反射後 的平面光波產生建設性干涉，提高反射率。而金屬反射器，則是利用其高反射率的特性，
將光反射回太陽能電池內部。然而，光和金屬物質的交互作用複雜，因為金屬中具有能 自由移動的自由電子，經過外在電磁波作用後，會形成表面電漿共振，由於表面電漿之 電磁場為一消散場，當其受外來電磁波激發而產生共振時，激發源的電磁場能量會被其 吸收，並侷限於產生表面電漿之奈米尺度結構附近，因此在產生共振處的光學近場範圍 內，電磁波能量會顯著地增強，再加上表面電漿電磁場具有較大之波向量。
圖 7 布拉格反射鏡結構示意圖 TCO
“trap” the light low cost substrate
back contact
low cost substrate back reflector thin-film TCO
Semiconductor
nL nH
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1.4 超寬頻反射率動機(Ultra-Broad band)
介電反射鏡有低價、低溫製程、高產出的優點，且不會因為電漿吸收造成能量損失 [12, 13]，但當介電反射鏡應用在太陽能電池上時，卻會因為頻寬不足而被限制[14, 15]，
而且在部分狀況下，因為缺乏表面電漿輻射造成散射光不足。然而，許多太陽能電池需 要超寬頻，像是三節電池(triple-junction cells)或是中間能帶太陽能電池(intermediate-band solar cells, IBSC)[71-73]，因為第二晶圓或是額外的中間狀態的聯合效應，會造成寬吸收 坡長，波段大約在 400-1000nm[16-18]。在這種情況下，反射鏡應該包含很廣的光譜範 圍。
早期設計的布拉格繞射鏡結構通常導致有限的頻寬[14, 15]，像是使用二氧化矽和二 氧化鈦薄膜交錯成長，其頻寬大約 300nm 左右。其他的介電材料，像是漏水模式[17]光 柵，或利用二氧化矽/矽成長的高折射率鏡(HCG)，反射頻寬大約 200nm，其反射頻寬對 於太陽能電池依舊不足，無法提供充足的反射頻寬給太陽光電系統。另外，整合介電質 鏡到太陽能電池中，需要考量主動吸收材料[19]。除此之外，難以找到折射係數大於 3 的寬頻材料讓高折射率鏡使用，因為大部分的寬能帶半導體的折射率是小於 3。
以製程觀點來看，布拉格繞射鏡的厚度需要精確控制，因為要得到超高反射率，需
以製程觀點來看，布拉格繞射鏡的厚度需要精確控制，因為要得到超高反射率，需