緒論

1-1 前言

諾貝爾化學得主Richard Smalle 曾提出：「Top Ten Problems of Humanity for Next 50 Years¹」，依序為：

1. Energy 2. Water 3. Food

4. Environment 5. Poverty

6. Terrorism and War 7. Disease

8. Education 9. Democracy 10. Population

這十項問題其實都是一環扣著一環、互相牽制影響。目前世界各國都面臨

目前「綠色再生能源」包含風力、水力、地熱能、潮汐發電、生質能及 太陽能。前幾項能源因受限於環境及地形無法大量生產，唯有

圖1-1-1，世界能源使用比例圖與二氧化碳排放量 ^2,3

太陽能不受這些限制，且在短時間內並無消耗殆盡的疑慮，極具開發潛力。

太陽一年照射到地表的能源約有 3×10²⁴焦耳，是人類一年所需消耗能量的 10000 倍，若能以一個光電轉換效率為 10％的太陽能電池有效擷取 0.1％太 陽照射到地表的能量⁴，便足以供全人類所使用，可見太陽光真的是一個很 好的能量來源。

臺灣目前大部分能源需仰賴國外進口，若能有效的結合台灣發達的高科 技產業與自然賦予的充沛陽光，不但使我們能源可以自給自足，且能避免 傳統石化能源所造成的環境汙染。

1-2 太陽能電池簡介

Photovoltaic effect 早在1839年就由法國物理學家A. E. Becquerel所發 現，直到1883年，第一顆太陽能電池才由美國發明家Charles Fritts所發明。

他將半導體硒（selenium）鍍在一層極薄的金（gold）上來進行光電轉換，

但其元件效率大約只有1％左右⁵。隨後陸續有其他科學家發明構造較不一樣 的太陽能電池，但皆效率不佳。

直到1954年，貝爾實驗室的三位科學家Daryl Chapin, Calvin Fuller, and Gerald Pearson 意 外 在 實 驗 中 發 現 ， 若 將 少 量 的 雜 質 參 入 矽 中 形 成 p-n junction可對光更加敏感，藉此製作出現代版太陽能電池⁶。當時其能量轉換 效率為2-6 %。

1970年中期，這類的單晶矽太陽能電池效率可達10 %左右。到了80年 代，美國Heller和義大利Razzini等人所製作的光電化學電池轉換效率已達 12%⁷，但由於其價格仍然很昂貴所以並不普遍被大眾所使用，主要是被用 在人造衛星及太空船上的電子儀器和設備，其需重量輕、壽命長，可承受 各種衝擊且持續不斷提供電能之電池，而太陽能電池剛好可滿足這幾項基 本的要求，美國的「先鋒一號」人造衛星就是用了這類太陽能電池做為電 源供應，成為世界上第一個使用太陽能供應電流的衛星。

由於1970年代出現了世界石油危機，迫使人類需尋求新的能源，太陽 能電池也因此由外太空轉向地表的使用。近年來由於科技的不斷進步加上

半導體產業的蓬勃發展，使得太陽能電池的效率及壽命都獲得大幅的提 升，價格也大幅下降，使太陽能電池的應用漸趨普及。

1-3 太陽能電池分類

目前太陽能電池約可分為三類：矽基半導體型 (silicon type)、化合物半 導體型 (compound type)、有機材料型 (organic type)，如圖

1-3-1⁸及圖1-3-2⁹所示。

Solar cells

Sillicon (Si) type

Compound type

Single crystalline (sc-Si) Polycrystalline

(poly-Si)

µc-Si

a-Si/µc-Si (Heterojunction with intrinsic

thin-layer)

(Si, Si alloy, SiGe, SiC, etc)

Single crystalline (GeAs type, etc)

(CuInSe2, CulnGaSe2, CdS, CdTe, etc)

(a) Schottky junction type (organic/metal) (b) Organic heterojunction (two-layer) type (c) Donor/acceptor composite film (one-layer) type (d) Molecular device type

Already commercialized Partially commercialized Under development

圖 1-3-1，太陽能電池分類圖⁸

圖1-3-2，太陽能種類、材料及光電轉換效率 ⁹

1-3-1 矽基半導體型太陽能電池

矽 基 太 陽 能 電 池 可 分 為 單 晶 矽 (monocrystalline silicon) 、 多 晶 矽 (polycrystalline silicon)及非晶矽 (amorphous silicon)三類。其發電原理主要 是先利用將高純度矽基半導體加入一些3A或5A之不純物形成P型半導體或 N型半導體，當太陽光照射時， p-n junction 處會產生電子及電洞對的分 離，電子會向N型半導體移動，電洞會向P型半導體移動，電子與電洞便分 別聚集在兩側進而形成電位差，此時外部如果用電極連接起來，將會形成 一個迴路，這就是矽基太陽電池的發電原理，如圖1-3-3¹⁰所示。

圖1-3-3，矽基太陽電池發電原理 ¹⁰

單晶矽太陽能電池：在矽基太陽能電池中單晶矽太陽能電池其光電轉換 效率最高，可達 24％、且較穩定，壽命較長，這些優點是由於其所使用的 矽半導體基材純度極高，可避免吸光與放電的過程中電子與電洞的損耗，

但相對製造價格就會提高。單晶矽太陽能電池為核發電廠或交通照明號誌 等場所使用，世界生產太陽能電池的主要大廠，如德國的西門子及日本的 夏普公司，都以生產這類型的單晶矽太陽能電池為主。

多晶矽太陽能電池：多晶矽是由多種不同排列方向的單晶所組成，能量 轉換效率可達近20％。多晶矽是以熔融的矽鑄造固化而成，因其製程簡單，

所以成本較低，但其能量轉換效率相對的沒有單晶矽太陽能電池來得高。

非晶矽：非晶矽是指矽原子的排列非常雜亂，沒有規則可循，能量轉換

效率約百分之十幾，一般非晶矽是以化學氣相沉積法（Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD）在玻璃或其它基板鍍上厚度約一微米左右的非晶矽 薄膜。由於非晶矽對光的吸收性很強，只需要薄薄的一層就可以把光子的 能量有效地吸收，且不需要使用昂貴的結晶矽基板，用較便宜的玻璃、陶 瓷或是金屬等基板。不僅可以節省大量的材料成本，也使得製作大面積的 太陽電池成為可行之事（結晶矽太陽電池的面積受限於矽晶圓的尺寸）。由 於價格最便宜，且生產速度最快，非晶矽太陽能電池較常應用在消費性電 子產品上，且新的應用也在不斷地研發中。

1-3-2 化合物半導體型太陽能電池

化合物太陽能電池包括Ⅲ-Ⅴ族的 GaAs、InP、InAs 及 InSb，II-VI 族 的 CdTe、CdS 及 CdSe，以及三元化合物 CuInSe2(CIS)、四元化合物 CuInGaSe2(CIGS)。其中 CIGS 為最具潛力的化合物，其吸光(光譜)範圍很 廣，穩定性佳，能量轉換效率約可達20％左右，且若利用聚光裝置的輔助，

能量轉換效率可達30%，足以媲美單晶矽太陽電池的最佳能量轉換效率。

CIGS薄 膜 太 陽 能 電 池 的 結 構

：

最 底 層 為 基 板(substrate)，通

常 使 用 玻 璃(glass)或 是 具 有 可 撓 性 的 金 屬 (如 鋁 合 金 箔 、 銅 箔 等 ) 和Polyimide (PI)

，

基 板 上 會 濺 鍍 （ 圖 1-3-4^{1 1}） 一 層Mo背 電 極 主

CdS， 具 有 緩 衝 、 幫 助 電 子 有 效 傳 導 ， 之 後 最 上 層 為 透 明 導 電 層

（TCO）， 此 層 除 了 作 為 上 電 極 之 外 ， 還 須 能 讓 光 線 順 利 通 過 到 達CIGS光 吸 收 層 ， 最 後 會 再 鍍 上 金 屬 導 線 ， 如 圖 1-3-4^{1 1} 所 示 。 此類型太陽能電池可以藉由元素組成比例改變進而使得能階差有所變化，

可用來吸收不同波段的光線，若再搭配二層串聯（dual-junction）、三層串 聯（dual-junction）或多層串聯（multi-junction）等之串聯式電池可使光電 轉換效率提升到45％左右，如圖 1-3-5^{1 2} 所示。CdS材 料 目 前 廣 泛 使 用 於 IGS太 陽 能 電 池 技 術 之 中 ， 但 鎘 （ Cd） 會 造 成 嚴 重 的 重 金 屬 污 染 ， 所 以 許 多 國 家 已 明 確 規 定 不 可 使 用 ， 加 上 銦(In)及鎵(Ga)等 材料在地球上蘊藏量有限，材料隨時可能短缺，因此此類太陽能電池在未 來的發展中受到很大的限制。

C

圖 1-3-4， 連 續 式 濺 鍍 法 與 典 型 CIGS 太 陽 能 電 池 元 件 ^{1 1}

圖 1-3-5， 串聯式化合物太陽能電池^{1 2}

1-3-3 有機材料型太陽能電池

有機材料型太陽能電池主要分為兩大類：（1）有機光伏電池（Organic Photovoltaic Solar Cell, OPV），也稱作有機半導體；（2） 染料敏化太陽能 電池（Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC）。

1-3-3-1 有機光伏電池（Organic Photovoltaic Solar Cell, OPV）

有機光伏電池為藉太陽光給予能量來使材料形成激發子（exciton），再 透過激發子拆解成電子電洞對，電子會先傳遞到 n-type 有機材料上之後再 傳至陰極；電洞會先傳遞至 p-type 有機材料上再傳至陽極，若再接上一個 外部電路便可成為一個迴路，如圖1-3-6¹³，目前能量轉換效率約可達6％。

圖1-3-6，有機光伏電池基本結構 ¹³

有機光伏電池工作機制，如圖1-3-7¹⁴，其主要分成四個步驟：首先為光 吸收（light absorption），若光源可提供足夠能量則可使電池內的有機半導體 材料中的電子從 HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital)被激發至 LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital)，此時因存在著庫倫作用力，

被激發的電子會與電洞形成一的激發子（exciton），所以此步驟也稱為激發 子的生成（exciton generation）；其次為激發子擴散（exciton diffusion），激 發子在有機半導材料中會以擴散的方式移動到受體（acceptor）或施體

（donor） 材料附近，若無法順利移動到受體或施體材料的界面時則激發子 會以輻射光或動能的形式散失掉；再來為電荷轉移（charge transfer），當激 發子移動到受體或施體材料的界面時，因施體材料的HOMO 與受體材料的

LUMO 存在著一電位差，所以會驅使激發子克服其束縛能而拆解成電子與 電洞，此時電子會傳遞至受體材料的 LUMO；電洞會傳遞至施體材料的 HOMO，所以此步驟也稱為激發子的分離（exciton dissociation）；最後為電 荷收集（charge collection），當電子移動陰極附近時，由於受體材料的LUMO 與電極的功函數（work function）存在著一電位差，所以可驅使電子從受體 的LUMO 轉移至陰極的金屬電極上；相對的當電洞移動到陽極附近時，由 於施體材料的HOMO 與電極的功函數存在著一電位差，所以可驅使電洞從 HOMO 轉移至陽極的透明導電玻璃上，所以此步驟也稱為電荷的傳輸

（charge transportation）。

圖1-3-7，有機光伏電池工作機制 ¹⁴

有機光伏電池內部量子效率（internal quantum efficiency），η_IQE ＝ η_A × η_ED × η_CT × η_CC

ηA：光吸收效率（light absorption efficiency）

ηED：激發子擴散效率（exciton diffusion efficiency）

ηCT：電荷轉移效率（charge transfer efficiency）

ηCC：電荷效率（charge collection efficiency）

有機光伏電池外部量子效率（External Quantum Efficiency），

ηEQE ＝（1－R）× ηIQE。R：在空氣與材料之間的界面的折射率（reflectivity of the substrate-air interface）。

1-3-3-2 染料敏化太陽能電池

早在 1910 年代就有學者開始研究這類的染料敏化原料，但當時主要是 研究光敏化氧化-還原反應 ¹⁵。50 年代開始有人應用在染料敏化聚合

（dye-sensitized photopolymerization）以及染料於催化物質表面修飾敏化後 的氧化反應的相關研究16,17,18,19,20,21，到了 60 年代就已經有人開始研究將染 料敏化應用於太陽能電池之上²²。由於當時所使用的平面光滑電極表面積太 小而導致了兩個嚴重影響效率的問題：（一）吸收太陽光有限、（二）吸附 在電極上的染料數目有限，所以當時的太陽能電池效率並不佳。1976 年日 本 Tsubomura 等人對於這類染料敏化太陽能電池有了重大的突破，其利用

料對電極的吸附量，得到了2.5％的光電轉換效率 ²³。在1991 年時，瑞士洛 桑聯邦理工學院 Micheal Grätzel 實驗室發展出一種新型染料敏化太陽能電

料對電極的吸附量，得到了2.5％的光電轉換效率 ²³。在1991 年時，瑞士洛 桑聯邦理工學院 Micheal Grätzel 實驗室發展出一種新型染料敏化太陽能電

在文檔中 染料敏化太陽能電池染料共軛結構對穩定度之探討 (頁 15-74)