第一章 : 緒論與研究動機
人類發展太陽電池可追朔至西元 1954 年，貝爾實驗室製作出第一個太陽電 池，至今太陽電池技術研究約有 60 年的時間，其中技術發展最為成熟的國家首 推德國、日本以及美國，中國的技術也正迎頭趕上。近年來因全球性的能源日漸 枯竭、傳統燃煤與石油發電造成的地球暖化和溫室效應日益嚴重，使得綠色再生 能源的重要性逐漸獲得全球的重視。
除了對環境的影響外，成本對於太陽電能發電亦是一個重要的課題，其成本 常與石化燃料等天然資源的發電成本做比較，當兩者相差不遠時，太陽能發電才 有望能取代傳統燃油發電成為發電的主流。NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization)分析了太陽能電池與傳統火力發電，如圖 1-1 所示，成本在 2020 年已可低於石油燃料，到了 2030 年更可以與核能發電並 駕齊驅。
圖 1-1. 傳統火力發電、核能發電與太陽發電成本比較圖。(來源:Sharp based on PV roadmap 2030 (PV2030), published by NEDO)
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目前太陽能發電所佔比例極小，下圖 1-2 為全球能源使用量及組成的展望圖，
由此圖我們可看出太陽能發電在 2040 年時被認為可佔有全球所有能源的 25%，
因此目前各個研究團隊皆努力研究中，期望能夠早日發展出可取代傳統火力發電 的太陽能技術。
圖 1-2. 全球能源使用量以及組成展望圖。(來源:Sharp, Japan)
1-1 太陽電池發展與現況
太陽電池發展至今已有許多種類，如單晶矽、多晶矽、非晶矽、CIGS、CdTe、
有機薄膜與 III-V 族太陽電池。我們把太陽電池分成三代，最早期所開發的第一 代太陽電池如單晶、多晶矽與砷化鎵太陽電池，其成本並非考量因素，而是為了 提供給太空衛星所使用，因此成本居三代太陽電池之首。後來人們逐漸把注意力 轉至降低成本上，因此發展了第二代薄膜太陽電池如 CIGS 與 CdTe 太陽電池，
但是其效率並無法有效的提升。在 2003 年，M.A. Green 提出了第三代太陽電池 主張「薄膜、高效能、低成本」等訴求，例如尚在開發中的染料敏化(DSSC)太 陽電池。如下圖 1-3 所示[1]，太陽電池從一開始的第一代的高成本到第二代的低
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成本，到現在逐漸邁向第三代的低成本、高效率，預期可達到最高 60%的轉換效 率並將成本降低至每瓦 0.5 美元以下。
圖 1-3. M.A.Green 所提出未來太陽電池的發展，由第一代至第二、三代太陽電池 的趨勢為由高成本邁向低成本、高效率。
現今最大宗的太陽電池為以矽為材料的矽晶太陽電池，矽元素於地球上含量 豐富、隨處可得，因此其產能也遠遠超過其他種類的總和，如圖 1-4 所示。但是 隨著太陽電池產量逐漸增加，造成矽原料慢慢的減少，導致矽原料的成本也隨之 增加。為了降低成本，我們可以利用面鏡與透鏡搭配聚光技術將陽光集中在小面 積的太陽電池上，如此即可在相同的面積下得到更高的效率，達成節省原料的目 的，進一步的降低成本。在聚光技術逐漸受到重視的時候，目前轉換效率最高的 III-V 族太陽電池也在此扮演了一個相當重要的角色，在正常狀況時(1 sun)，III-V 族太陽電池最高效率大約是 29%，而在裝了聚光系統後，效率約可提升至 43.5%，
如圖 1-5 所示。
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圖 1-4. 目前各種太陽電池產出比例，以單晶矽比例最高。
圖 1-5. 世界上各種太陽電池最高效率演進圖，目前最高效率的是聚光 III-V 族多 接面太陽電池，矽晶太陽電池效率僅次於 III-V 族太陽電池，也是技術發展最成 熟的太陽電池[2]。
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太陽電池種類 最高效率 成本
III-V(wafer-based) 43.5% 高 Si(wafer-based) 29.1% 中 a-Si:H(Thin film) 12.5% 低 CIGS(Thin film) 20.3% 低 CdTe(Thin film) 17.3% 低 Organic 10.6% 低 Dye-sensitized 11.4% 低
表 1-1. 目前各太陽電池效率與成本比較，目前效率最高為 III-V 族太陽電池。
III-V 族太陽電池很適合聚光系統，原因在於 III-V 族半導體材料本身具有優 良的抗輻射能力，相對於矽最多只能操作在 200~300 倍聚光環境，砷化鎵太陽電 池卻可以操作於高達 1000 倍之下。另外 III-V 族材料眾多，我們能夠利用不同的 成分比例做出不同的能隙與晶格常數，如此即可經由設計出不同的材料來吸收不 同波段的太陽光，並將不同材料的太陽電池搭配合適的磊晶技術串接起來，形成 高品質的多接面太陽電池，如圖 1-6 所示，左邊的矽晶太陽電池只能吸收到約 1100nm 波段的太陽光，但磷化銦鎵/砷化銦鎵/鍺三接面太陽電池能吸收到約 1800nm 波段。
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圖 1-6. 矽晶與 III-V 族太陽電池對 AM1.5G 太陽光頻譜的吸收比較圖。
一般常用的矽屬於間接能隙半導體，其光吸收係數(absorption coefficient, α) 較小，光吸收係數越小代表光必須在材料內經過更長的距離才能被材料完全吸收，
而 III-V 族半導體多為直接能隙半導體，光吸收係數較大，只需數 μm 即可充分 吸收入射光，利於太陽電池薄膜化，可更進一步的減低原料使用量與資源的消耗 速度，圖 1-7 為常見半導體材料吸收係數[3]。
圖 1-7. 常見半導體材料在不同波長的光吸收係數，可看出 III-V 族半導體的光吸 收係數普遍大於矽，有助於薄膜太陽電池的發展。
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被用來製造太陽電池的 III-V 族材料數目繁多，例如二元材料的砷化鎵(GaAs) 與磷化銦(InP)，以及三元材料的磷化銦鎵(InxGa1-xP)與砷化鋁鎵(AlxGa1-xAs)等等。
由熱力學理論和只考慮半導體與環境的熱能交換下，半導體能隙與理想最高效率 的關係圖如圖 1-8 所示，在沒有聚光的環境下，我們可看出在能隙約為 1.38eV 左右時能達到最好的轉換效率，因此砷化鎵(1.42eV)與磷化銦(1.35eV)這兩種半 導體材料是個不錯的選擇，直到目前，砷化鎵與磷化銦這兩種單接面太陽電池的 最高效率分別到達 28.3%與 22.1%[2]。
圖 1-8. 材料能隙與轉換效率關係圖，可看出在一般正常日照(one sun)下，單接面 的太陽電池最佳能隙理論值約等於 1.38eV。
雖然 III-V 族太陽電池有著高效率與優異的抗輻射能力，但是其磊晶成長需 要 使 用 較 昂 貴 的 有 機 金 屬 化 學 氣 相 沉 積 法 (Metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)或分子束磊晶法(Molecular-beam epitaxy, MBE)，成本也因此 較矽晶太陽電池高出許多，因此 III-V 太陽電池常用在太空任務或軍事方面這種 較不計成本的情況。
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1-2 太陽電池基本架構
在介紹過 III-V 太陽電池的材料與優缺點後，現在要來探討單接面與多接面 III-V 太陽電池的細部架構，一般常見的多接面 III-V 太陽電池為磷化銦鎵/砷化 鎵/鍺太陽電池，是由三個單接面電池經由穿隧二極體相連所組成。
1-2-1 單接面砷化鎵太陽電池
因為砷化鎵有著高光吸收係數的關係，砷化鎵太陽電池的吸收層厚度不須太 厚，只需大約數μm 即可將入射光充分吸收，有利於減少材料使用量；但是砷化 鎵材料本身的表面復合速率(Surface recombination rate, S)高達 107 cm/s，如此一 來將導致短波長的量子轉換效率降低，要改善表面復合速率的問題可以用磊晶成 長出適當的結構來解決：
(一) 成長正表面電場層(Front surface field, FSF)，此結構具有較高的濃度，原理 則與矽晶太陽電池的背表面電場層(Back surface field, BSF)原理相似，揭示 利用電場減低載子於表面復合。
(二) 於電池表面生長一層視窗層(Window layer)，視窗層通常使用能隙較大的材 料如磷化鋁銦(AlInP)，為的是不要吸收掉太多太陽光，能讓大部分的光通 過讓下方太陽電池做利用。
IBM 於 1972 年成功的長出砷化鎵太陽電池，其後有研究團隊用 MOCVD 控 制摻雜濃度製作出更高效率的電池[4]，結構如圖 1-9，包括 n-型砷化鎵基板，接 著是砷化鎵緩衝層，用來減少差排缺陷，然後是用來減少復合的背表面電場層，
與數μm 的基極與濃度較高厚度較薄的射極，之後是用來減少表面復合的視窗層，
最後則是抗反射層，在 AM1.5G 的量測環境下可達到 24.8%的轉換效率。
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圖 1-9. 單接面砷化鎵太陽電池結構示意圖。
1-2-2 三接面磷化銦鎵/砷化鎵/鍺太陽電池
我們可以將數種不同的單接面太陽電池連結起來，以達到更高的效率，多接 面太陽電池有著下列幾種特點：
(一) 組成多接面太陽電池的子電池需要有著相同的電場方向；(二) 因為多 接面太陽電池是串聯，因此開路電壓會是子電池開路電壓的總和；(三) 同上，
短路電流則會被子電池中最小的所限制住；(四) 子電池之間會用極薄的穿隧二 極體連結。只要能夠克服磊晶製成的穩定度，例如控制長晶速度，摻雜濃度等，
即可連接單接面電池製作出成功的多接面太陽電池。
磷化銦鎵/砷化鎵/鍺太陽電池的結構如圖 1-10 所示，這三種材料間的晶格常 數經過設計因此差距較小，並不會導致太多由差排缺陷所造成的載子復合。整體 的結構大致上可分為下列幾種：(一) 磷化銦鎵上電池 ；(二) 穿隧二極體層；(三) 砷化鎵中電池；(四) 鍺基板當作下電池與(五) 上下電極。
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圖 1-10. 多接面太陽電池結構示意圖(a)三接面磷化銦鎵/砷化鎵/鍺太陽電池(b)鍺 下電池的放大示意圖(此圖並未按照實際比例)[5]。
磷化銦鎵的能隙會隨著磊晶環境的改變而稍有所不同，一般來說能隙約會落 在 1.85~1.9eV 左右，而砷化鎵能隙約為 1.42eV，下電池的鍺的能隙約為 0.67eV 左右，這表示鍺能吸收的光會比其他兩種材料還要寬頻譜，如果把三個厚度無限 大的電池疊在一起並設外部量子轉換效率為 100%的情形下，最底層的鍺能夠產 生三個子電池中最高的光電流，約有 27.5mA/cm2(吸收範圍從 1.42eV~0.67eV)。
因此整體的短路電流將由磷化銦鎵或砷化鎵兩者較小者所限制住，因此這兩個子 電池必須要小心地設計，以達到電流匹配的效果。接下來將對三接面電池內部詳 加介紹：
(一). 磷化銦鎵(In0.5Ga0.5P)上電池
磷化銦鎵的磊晶結構排列整齊度將會決定其能隙大小，若是由{111}方向由 磷化鎵平面與磷化銦平面完美的交替組成將可以得到較小的 1.8eV，若是想要調 高能隙則可以由磊晶時的晶面方向、溫度與三五族元素成分比著手；在視窗層的 部分多採用很薄的磷化鋁銦(Al0.53In0.47P)，因其能隙約為 2.35eV，遠大於上電池
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的能隙，並不會吸收掉太多磷化銦鎵上電池所要接受的太陽光 ，且其與磷化銦
的能隙，並不會吸收掉太多磷化銦鎵上電池所要接受的太陽光 ，且其與磷化銦