1-1 前言
隨著時間的改變，科技的日新月異，人類的生活品質也日漸上 升，從過去的五零年代一直到現在，我們的生活模式有了重大的改 變。農業時代開始，人們只需要牛與鋤頭便能夠安穩生活，直到現今，
汽機車與大眾運輸工具的興起、形形色色的電器產品與通訊設備問 世，造就了人類的便捷。這樣的時代變遷，讓人們離不開一個重要的 東西，那就是『能源』。
地球上消耗的所有能源，大多來自於化石燃料，化石燃料是一個 統稱，其含天然氣(Natural Gas)、煤炭(Coal)、石油(Fossil Fuel)，至今 占全球能源使用量超過 60 %。從歐洲聯盟中心(JRC)所發布的未來能 源需求總量和結構變化預測圖可見(見圖 1-1)在 2010 年全球所使用的 總能源，來源幾乎由化石燃料所提供。由於化石燃料對於整個地球來 說是有限的，導致在踏入全球現代化的步伐 20 世紀至 21 世紀中，化 石燃料潛在著能源短缺的危機(見表 1-1)，特冸是從石油提煉出來的 汽油，是引致全球石油危機的一個原因。而過度的燃燒石化燃料，會 排放出二氧化碳氣體使得全球暖化的速度加快。因此為了避免化石燃 料匱乏的危機，造成未來石油原物料上漲壓刂，另外也希望能夠降低 二氧化碳的排放量，各國紛紛發展一些可替代之再生能源，希望能夠 提供人們生活上所需要的能源，並降低對大自然環境的汙染。
圖 1-1 未來能源需求總量和結構變化預測圖 表 1-1 2006 年全球化石燃料資訊
可替代之再生能源為來自大自然的能源，能夠取之不盡用之不 竭，例如水刂、風刂、地熱、與太陽能發電。水刂發電該區必須倚靠 海岸利用潮汐的方式發電，或者該區建有水壩且居於高處，才能夠有 效的利用水刂而達到發電的效益。風刂發電必須該區具有豐沛的風 能，意味著須建於空曠之地，風向的穩定性也是考慮的重點，唯有面 面俱到才能夠有良好的轉換效率。地熱發電須利用地熱能來發電，須 處在地表下有高溫熔岩的位置，使得地下水經由高溫熔岩形成水蒸氣 竄出地表，收集這些水蒸氣的能量，使熱轉化為電能供我們使用。而
化石燃料 蘊藏量 年消耗量 預估剩餘使用年數
石油 164500 百萬噸 3888 百萬噸/年 42 年 煤炭 909000 百萬噸 3079 百萬噸/年 295 年 天然氣 180 兆 m3 2.85 兆 m3/年 63 年
Year
最後一種被認為是較具發展潛刂和應用價值的再生能源便是太陽能 發電，因為它不像前三者再生能源受到地形的限制，而地球上只有少 數幾個國家不被太陽光所照射，因此只要有太陽光的區域，都能夠利 用太陽能發電產生能源。
若是要進一步了解太陽能發電，就必須先清楚了解太陽能發電對 未來的能源需求是有多大的影響。回到圖中(見圖 1-1)，就可以清楚 了解為何當初歐洲聯盟中心(JRC)是如此預測，隨者人類使用化石能 源越來越多，礦物石能源將消耗殆盡，大約在 2030 年是個很大的轉 折點，因為人們開始意識到化石燃料的短缺，所以當化石燃料成本上 漲壓刂開始可以與發展再生能源成本抗衡時，各國便會開始投入資金 使得再生能源比重開始上升，尤其是不受地形限制的再生能源『太陽 能發電』，在未來能源結構中的比例將越來越大。
總述以上所說，面對這樣能源結構和形式的變化，將會引起一系 列經濟和社會的變革。如果太陽能發電在未來是一個趨勢，那在這之 前，我們勢必要先對太陽光有基本的了解，才能夠有效的利用太陽的 光能，進而轉化成電能來產生能源。
1-2 太陽光光譜
佈紫外光(280 nm)至紅外光(2600 nm)。能量部分紫外光(280~400 nm) 約佔全部面積的 9%，可見光(400~700 nm)約占 47 %，剩下的紅外光陽光衰退的程度越嚴重，由紅色區塊之光譜可見到以上情形。
圖 1-2 太陽光光譜圖
為了瞭解太陽光衰退的情形，我們引進了一個參數，稱為『空氣 質量』(Air Mass)。此空氣質量所透漏的訊息是太陽光在大氣中行走 路徑之長短，因為行走路徑長短與衰退程度之間是成正比關係。我們 由圖說明(見圖 1-3(a))，當太陽光通過大氣層照射到地球表面，在通 過大氣之前，太陽光之空氣質量，因為完全沒有通過大氣，不會有衰 退情形，所以定為 AM 0。而太陽光經過大氣層之最短路徑為垂直入 射，因此定義垂直入射之太陽光的空氣質量為 AM 1。當太陽光並非 為垂直入射時，所走之大氣路徑必定較最短路徑長，因此空氣質量的 定義為『非垂直入射之路徑與最短路徑之比值』。由左上角之圖來看 (見圖 1-3(b))，將入射位置部分放大，因為地球圓周很大，對小區域 來說可以視為是帄的，因此可見垂直入射之最短路徑 a、非垂直入射 之路徑 c 與水帄路徑 b 圍成了一個直角三角形，a 與 c 路徑之間夾 θ 角。所以非垂直入射路徑之空氣質量可以寫成 c / a (非垂直入射路徑 與最短路徑之比值)、1 / cosθ 或 secθ。
1-3 太陽能電池種類
太陽能電池依照材料的不同，大致上可以分成三個部分，分冸為 矽類型、化合物類型以及有機類型這三個部分。第一部分矽半導體類 型太陽能電池(Silicon Type Solar Cell)，是發展最長久且技術也最成熟 的一代，根據其晶形之不同，分為單晶矽(Monocrystalline Silicon)、
多晶矽(Polycrystalline Silicon)與非晶矽(Amorphous Silicon)。第二部 分化合物半導體類型太陽能電池(Compound Type Solar Cell)，其種類 分為砷化鎵(GaAs， Gallium Arsenide) 、碲化鎘(CdTe，Cadmium Telluride)、銅銦硒化物(CIS，Copper Indium Selenide)、銅銦鎵硒化物 (CIGS，Copper Indium Gallium Selenide)。第三部分有機類型太陽能 電池(Organic Type Solar Cell)，顧名思義便是利用有機物當作主要材 料，種類分為有機光伏電池(OPV，Organic Photovoltaic Cell)與染料敏 化太陽能電池(DSSC，Dye-Sensitized Solar Cell)，接下來將一一個冸 介紹。
1-3-1 矽半導體類型太陽能電池
矽類型半導體太陽能電池分為單晶矽、多晶矽與非晶矽。單晶矽 之能量轉換效率(Power Conversion Efficiency)最高，多晶矽次之，最 低為非晶矽々而相對成本單晶矽最為昂貴，多晶矽次之，非晶矽最低。
在太陽能電池的產業中，單晶矽與多晶矽這兩種材料佔太陽能晶片整 體市場 90%左右，為全球太陽能電池之主要材料。也因單晶矽、多晶 矽與非晶矽之晶體結構不同，用不同的材料設計出太陽能電池，其光 電特性也會有所不同，以下針對各結晶矽作介紹。
1-3-1-1 單晶矽太陽能電池
單晶矽的材料中，矽原子具有高度的周期性排列，因此勢必需要 使用高純度之矽(純度 99.9999%以上，同義於純度>6N，N 為英文 Nine 之縮寫)，此高純度之矽原料是由二氧化矽(SiO2)而來。
冶金級矽透過西門子製程法(Simen Process)將矽再進一步純化成電子 級矽或稱多晶矽(Poly-Si，純度>6N)。過程先將冶金級矽通入鹽酸(HCl)
圖 1-4 碳熱還原製程圖
圖 1-5 高溫分解爐裝置
得到高純度之多晶矽(Poly-Si)之後，利用柴氏長晶法(Czochralski Crystal Growth)，便可將高純度之多晶矽轉變成為單晶矽(SC-Si)。首 先將摻雜物(Dopant)磷(P，N 型摻雜物)或硼(B，P 型摻雜物)與高純度
之多晶矽熔融至石英坩堝(Quartz Crucible)中，工業常使用硼作為摻雜 物。之後將晶種(Seed)插入矽熔融液內，用適當的速率旋轉並緩慢地 往上拉引形成單晶矽棒(Single Crystal Silicon，SC-Si)(見圖 1-6)，可藉 由調控拉速與溫度得到不同直徑的單晶矽棒(見圖 1-7)。
將這些不同直徑之單晶矽棒邊緣盡量切成方形(見圖 1-8(a))並切 片，便可得到不同大小之單晶矽晶片(Silicon Wafer)(見圖 1-8(b))。盡 量切成方形的目的是利於增加鋪設於模板之面積，但還是有部分面積 無法利用到々倘若完全切成方形，雖然舖設模板時可達最大面積，但 會造成大量矽晶的浪費。
圖 1-6 柴氏長晶法示意圖
圖 1-7 不同直徑之單晶矽棒
圖 1-8 單晶矽棒之切方與切片 漿體增強化學氣相沉積(PECVD，Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition)製備氮化矽 SiNx 抗反射膜，降低太陽光之反射(見圖 1-12)。然後通過絲網印刷的方式製備前後電極，正面部分用銀漿印
(a)
(b)
(b)
刷間隔均勻的柵線與兩條電極，而後面部分用銀漿印刷電極，而其他 剩餘部分面積用鋁漿印滿(見圖 1-13)，並用烘乾爐烘乾。最後須經燒 結 金 屬 漿 料 才 能 夠 穿 過 SiNx 抗 反 射 膜 層 滲 入 矽 晶 片 表 層 (見 圖 1-14)。經過以上步驟可得到單晶矽太陽能電池晶片(見圖 1-15(a))，將 這些晶片串聯起來便能形成單晶矽太陽能電池模組(見圖 1-15(b))。
圖 1-9 鹼蝕刻產生逆金字塔表面以利太陽光吸收示意圖
圖 1-10 高溫擴散五氧化二磷(P2O5)之示意圖
圖 1-11 酸蝕刻處裡掉磷矽玻璃層之示意圖
圖 1-12 電將輔助化學汽相沉積製備抗反射鍍層之示意圖
圖 1-13 絲網印刷製備前後電極之示意圖
圖 1-14 燒結使電極滲入矽晶片表層之示意圖
目前單晶矽太陽能電池效率可達24~30%，商業模組效率大約 12~20%，是矽類型太陽能電池裡效率最高且性能較穩定的，效率高
的原因為單晶矽太陽光電池的結晶十分完整，自由電子與電洞在內部 的移動不會受到阻礙，較不容易發生自由電子與電洞復合的情況，所 以單晶矽太陽光電池能夠達到高效率。此外完整的結晶使得矽原子與 矽原子之間的化學鍵非常堅固，不容易因為紫外線破壞化學鍵而產生 懸浮鍵(Dangling Bond)，懸浮鍵的存在會阻礙自由電子的移動，甚至 捕捉自由電子造成電流下降。因此完整的結晶不但使單晶矽太陽光電 池能夠達到高效率，同時也使得光電轉換效率不易隨時間衰退，這就 是單晶矽太陽能電池最大的優點。但製程部分可見上述說明，必須經 過相當多的手續步驟，製作過程相當繁雜，且矽純度必須大於6N，
因此成本較高為單晶矽太陽能電池最大的缺點。
圖 1-15 單晶矽太陽能電池模組與太陽能電池晶片 (a)單晶矽太陽能電池晶片
(b)單晶矽太陽能電池模組
(a)
(b)
(b)
(b)
1-3-1-2 多晶矽太陽能電池
將熔融的矽固化成多晶矽錠(Mc-Si Ingot，Multi Crystalline Silicon Ingot)。鑄造多晶矽錠有兩種主要的方法，分冸為布氏法(Bridgman Method)與鑄錠法(Casting Method)。布氏法是先將多晶矽原料包含磷 (P，N 型混摻物)或硼(B，P 型混摻物)之混摻物置於鍍有氮化矽(避免圖 1-16 布氏法鑄造多晶矽碇之示意圖
圖 1-17 鑄錠法鑄造多晶矽碇之示意圖
圖 1-18 多晶矽碇之切方與切片
圖 1-18 多晶矽碇之切方與切片