第一章、緒論及研究動機 太陽能源的發展
依照不同電池問世先後，常稱結晶矽或是砷化鎵電池為第一代太陽能電池，這是最早期所 發展的太陽能電池，目的是為了開發提供給太空中衛星所使用的電力系統，因此當時太陽 能電池的製造成本並不是考量因素，而是為了減少將系統送上太空的運輸成本，其特色為 高轉換效率且高製造成本，發電成本將近每瓦電能 3.5 美元。隨著科技的進步，這種環保 且能永續使用的能源的需求也逐漸被人們所重視，除了自第一代矽基太陽能電池的製程作 改善，以達成降低成本的目的外，又發展了第二代的薄膜太陽能電池，例如非晶矽、CIGS 等薄膜太陽能電池，其轉化效率大約 10%，由於製造成本相較於第一代的太陽能電池大幅 降低，所以每瓦電價下降為 1 美元，然而受限於材料本身的因素，其轉換效率一直無法大 幅提升。M. A. Green 在 2003 年提出關於未來第三代的太陽能電池的概念，主張「薄膜、
高效率、低成本」的訴求，例如尚在開發中的染料敏化太陽能電池(Dye sensitized solar cell, DSSC)，如下圖 1-3 所示[1]，以單位面積成本以及發電每瓦的成本兩種方式來表示，
第三代太陽能電池預期轉換效率將達到 20~60%，並將發電成本下降至每瓦 0.5 美元以下。
2
圖 1-1. M.A.Green 所提出關於未來太陽能電池發展的趨勢[1]，第一代的太陽能電池具有 高效率，第二代的太陽能電池達到了低成本，第三代太陽能電池特色在於結合『高效率、
低成本』的概念。
現今太陽能電池有許多種製程的技術，各有不同的特色，如圖 1-2[2]、表 1-1 所示，其中 以三五族聚光型太陽能電池為目前最高效率的電池，可達到 30%以上，但因其需要多層磊 晶的技術，成本非常高；其次為矽基太陽能電池，其發電成本較低，由於矽元素為地球上 蘊藏豐富的資源以及原本矽電子產業的成熟技術，使其成為目前世界上太陽能電池主要選 用的材料，其轉換效率目前多介於 17~25%之間。接著為近年來發展的第二代太陽能電池，
以薄膜為主，具有製程成本低廉的特性，儘管實驗室的元件最高轉換效率也逼近 20%，但 目前生產技術還不穩定，仍在持續開發中。
3
圖 1-2. 世界各種太陽能電池的光電轉換效率演進[2]。
太陽能電池種類 最高效率 成本
GaAs (thin film) 27.6% 高
Si (Crystalline) 25.0% 中
Si (Amorphous) 10.1% 低
CIGS (Thin film) 19.6% 低
CdTe (Thin film) 16.7% 低
Organic polymer 8.3% 低
Dye sensitised 10.4% 低
表 1-1. 各種類太陽能電池的光電轉換效率與成本比較表，其中以 III-V 族的太陽能電池
4
具有最高的光電轉換效率，但製造成本昂貴，其次為單晶矽太陽能電池，為目前市場上普 及率最高且發展成熟的太陽能電池。
隨著人類經濟科技的進步，地球中所蘊藏的資源如石油、煤礦、天然氣等等逐漸消耗殆盡，
近幾年石油價格的飆漲已經顯示出能源危機爆發的可能性。同時間，環保意識日漸抬頭，
燃料性能源開始受到限制，因其燃燒時產生的大量二氧化碳使得溫室效應增強，同時汙染 物對於環境的影響甚鉅。爲了解決人類未來面臨能源短缺的問題，發展太陽能、風力、水 力、地熱及生質能等再生能源是刻不容緩的工作，其中又以太陽能發電的成長幅度和未來 潛力最為可觀，太陽每天照射到地表的能量，超過全人類三十年的能源需求，並且取之不 盡、用之不竭，亦不會對環境造成汙染，所以太陽能電池的發展長久以來都是研究重點。
太陽能電池能否普及化常常都是與石化燃料等天然資源的發電成本作比較，當成本可以與 石化燃料相差不遠時，太陽能電池這樣的再生能源才有望取代石油成為發電資源的主流。
NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization)對太陽能電 池與傳統的火力發電相比較，因應日益精進的技術，太陽能電池的發電成本有大幅降低的 空間，如圖 1-3 所示，2010 年成本已經可與石油燃料相比，到了 2030 年更可以與核能發 電並駕齊驅。
5
圖 1-3. 傳統火力發電、核能發電與太陽能發電成本比較圖。(來源：Sharp based on PV Roadmap 2030 (PV2030), published by NEDO)
然而目前太陽能佔全球總發電量的比例極小僅 0.037%，下圖 1-4 為 2001 年後全球能源使 用量及組成的展望圖，由此圖可以看到太陽能發電到了 2040 年被樂觀地認為可佔所有能源 的 25%，因此有前仆後繼的研究團隊努力貢獻，希望能夠加速這種乾淨能源的發展，早日 取代傳統的能源。
6
圖 1-4. 全球能源使用量及其組成展望圖。(來源：Sharp, Japan)
1-1 矽基太陽能電池的優勢與發展現況
現今太陽能電池的種類繁多，依使用材料不同可分為三大類：(1)矽基太陽能電池；(2)化 合物太陽能電池；(3)有機太陽能電池[3-5]，矽元素為地球上豐富的資源，加上原本矽電 子產業的成熟技術，以及對環境影響較小等發展優勢，使得矽基太陽能電池佔所有太陽能 電池產能中相當高的比例，如圖 1-1-1 所示。典型的Ⅱ-Ⅵ族化合物材料為 CdTe/CdS，是 目前最低成本的薄膜太陽能電池，最高光電轉換效率可達 16.7%[6]，然而鎘金屬吸入或食 入後會蓄積在人體肝臟及腎臟而中毒，因此其製程與廢棄物所衍生的環保議題備受關切；
Ⅲ-Ⅴ族化合物太陽能電池最大的優勢在於其具有超高轉換效率，單接面 GaAs 太陽能電池 可達 27.6%[7]，而三接面Ⅲ-Ⅴ族太陽能電池更可高達 32%[8]以上，並且擁有良好的抗輻 射能力，所以非常適合在衛星上或太空中使用，然而其需要昂貴的單晶基板，例如 GaAs、
InP 等，亦需要複雜的磊晶技術，因此還未能普及應用於民生發電上，若要達到可接受的 發電成本，則需使用聚光型太陽能發電系統，可大量減少材料的使用而降低成本；有機材 料的太陽能電池目前以染料敏化太陽能電池最為常見，雖然材料成本低，但目前轉換效率 也不高，還在研究階段；所以矽基太陽能電池不管在技術或是產業發展上仍為最大宗。
7
圖 1-1-1. 現今各式太陽能電池的產出比例，矽基太陽能電池仍為最大宗。
Classification Eff.
(%)
U. Stuttgart
(45 mm thick)
Oerlikon Solar Lab,
Neuchatel
8
Alta Devices
CIGS 19.6±
0.6
0.996 0.713 34.8 79.2 NREL
(4/09)
NREL, CIGS on glass
CdTe 16.7±
0.5
1.032 0.845 26.1 75.5 NREL
(9/01)
NREL, mesa on glass
Dye sensitised 10.4±
0.3
GalnP/GaAs/Ge 32.0±
1.5
矽基太陽能電池依照矽的結晶結構可分為單晶矽 (Single crystalline Si) 、多晶 矽 (Polycrystalline Si)、非晶矽(Amorphous Si)三種，單晶矽太陽能電池主要是以單晶矽 晶圓作為主要材料的太陽能電池，一個簡單的單晶矽太陽能電池是先利用擴散或是其他製 程方法製作 P-N 接面，接著製作抗反射層與上下電極，即可完成一個簡單的太陽能電池元 件；一般單晶矽晶圓的製作是利用 CZ (Czochralski)法與 FZ (Float Zone)法，但因為 FZ 法成本較高，所以比較少用在太陽能電池上；由於單晶矽晶圓其晶格排列整齊，所以載子
9
遷移率(mobility)、材料缺陷數量(defect)與金屬雜質含量(metal impurity)等，都會比 其它矽材料好，故電子電洞對的再結合速率較低，光電轉換效率相對於多晶矽、非晶矽較 高。
高效率的單晶矽太陽能電池都是利用許多不同的製程方式與結構設計來提高其轉換效率，
由上表 1-2[9]可得知澳洲新南威爾斯大學(University of New South Wales)實驗室所研 發的 PERL (Passivated Emitter, Rear Locally diffused)單晶矽太陽能電池，目前效率 最高已經可達 25.0%[10]，其結構如圖 1-1-2 所示；另外日本 Sanyo 公司所開發的 HIT (Hetero-junction with Intrinsic Thin layer)太陽能電池，它是使用 n-type 單晶矽晶 圓，再以很薄的非晶層(i/p、i/n layer)沉積於矽晶片的上下層，另外在電池的正反兩面 皆為透明導電氧化層(Transparent Conductive Oxide, TCO)，由於 HIT 太陽能電池總厚度 不超過 200 mm，可以有效降低材料成本，而其轉換效率可達 21.5%[11]，結構如圖 1-1-3 所示，此外 HIT 太陽能電池目前也已經商業化。目前全球所生產的太陽能電池，約有 40%
是單晶矽太陽能電池，由於單晶矽的吸收係數相當小（~1000 cm-1），而且結晶品質要求較 高，故成本相對較高（單晶矽材料成本佔太陽能電池整體約 50%），因此，如何減少主動層 厚度但維持光吸收量來降低材料成本以及持續提升轉換效率是目前單晶矽太陽能電池主要 發展的方向，而在本論文中將探討奈米結構運用在單晶矽太陽能電池的功效。
10
圖 1-1-2. UNSW PERL 太陽能電池結構。
圖 1-1-3. Sanyo HIT 太陽能電池結構。
多晶矽太陽能電池在目前太陽能產業中佔最大的比例，約有 50%的太陽能電池都是以此技 術製作的，因為多晶矽的材料成本比單晶矽來的低，但它的轉換效率最高可以達到 20.4%(表 1-2)，商業用之轉換效率也可達 13~15%，只比單晶矽太陽能電池與化合物太陽能 電 池 的 轉 換 效 率 低 ； 一 般 而 言 ， 多 晶 矽 太 陽 能 電 池 可 以 再 區 分 成 塊 材 多 晶 矽 (Bulk
11
polycrystalline silicon)與薄膜多晶矽(Thin film polycrystalline silicon)兩種類 型。
塊材多晶矽太陽能電池的製程與結構和單晶矽太陽能電池相似，最大的不同在於晶圓材料 與 N 型射極(N-type emitter)的製作方式，在晶圓材料上，雖然多晶矽材料比起單晶矽材 料有較多的晶粒邊界(grain boundary)與缺陷(defect)，如圖 1-1-4 所示，會影響載子遷 移率(mobility)與少數载子的生命期(lifetime)，進而影響到太陽能電池元件的轉換效率，
但多晶矽在材料製作成本上相對較低；在 N 型射極的製作方面有很多種方法，目前技術最 成熟的是以磷擴散的方式完成，但此製程一般都需要在 900 ℃以上高溫進行，為了降低其 製程溫度而發展了一些不同的技術，例如：固相結晶法(Solid phase crystallization)、
金屬誘發結晶法(Metal induced crystallization)與雷射誘發結晶法(Excimer laser annealing)等等[12-14]；這些結晶技術不但可以降低製程溫度以及製程之成本外，甚至可 以應用在較便宜但無法耐高溫的玻璃基板上。
圖 1-1-4. 單晶矽與多晶矽太陽能電池的實圖，左邊為單晶矽，右邊為多晶矽。
12
薄膜多晶矽太陽能電池，也是近來許多人研究的方向之ㄧ，除了上述的結晶法之外，
還可以利用化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition, CVD)製作多晶矽薄膜，而化學 氣相沉積法又分為很多種，例如：低壓化學氣相沉積法(Low Pressure CVD)、電漿輔助化 學氣相沉積法(Plasma Enhanced CVD)、熱絲化學氣相沉積法(Hot Wire CVD)與電子迴旋共 振化學氣相沉積法(Electron Cyclontron Resonance CVD)等等；由於利用化學氣相沉積來
還可以利用化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition, CVD)製作多晶矽薄膜，而化學 氣相沉積法又分為很多種，例如：低壓化學氣相沉積法(Low Pressure CVD)、電漿輔助化 學氣相沉積法(Plasma Enhanced CVD)、熱絲化學氣相沉積法(Hot Wire CVD)與電子迴旋共 振化學氣相沉積法(Electron Cyclontron Resonance CVD)等等；由於利用化學氣相沉積來