太阳能电池的原理及发展前景

　　隨著人類文明發展，地球上各式能源：如石油、天然氣、煤…等將其加工利用後，帶給人類生活很大的享受，卻也因為大量使用結果，除了使這些能源即將消失殆盡，更讓環境面臨超乎預期的嚴重危害。因此國際間日益開始重視起溫室效應、臭氧層破壞、生物瀕臨絕種等環保議題；產業界為了因應產業環境及國際環保趨勢的變化，也開始積極尋找開發新的替代能源。隨著油價持續的攀升，利用太陽能來替代化石燃料的需求和興趣也急遽增加。人類發展太陽能電池的最終目標，就是希望能取代目前傳統的能源。我們都知道太陽的能量是取之不盡用之不竭的，從太陽表面所放射出來的能量，換算成電力約3.8×1023 kW；若太陽光經過1.5×107公里的距離，穿過大氣層到達地球的表面也約有1.8×1014 kW，其約為全球平均電力的十萬倍。若能夠有效運用此能源，則不僅能解決消耗性能源的問題，連環保問題也可一併獲得解決［1］。

　　二、 太陽能的利用及對環境的影響

　　太陽能主要有光能與熱能2種能量形式。利用太陽能發電的技術主要有3種；第一種

　　是利用特殊的半導體材料，製造出太陽能電池，太陽能電池經由光線照射後，把光能直

　　接轉換成電能。第二種方法是把太陽能轉換成熱能，再利用熱能發電。第三種方法則是利用太陽能與化學能間的轉換，把水分解成氫和氧，利用氫來發電［2］。就對環境影響而

　　言，太陽熱能於運轉過程中並無污染物排出；在開發裝設時，若開發範圍較大，則需考

　　量環境影響評估法相關規範。

　　太陽光電能，主要是利用太陽能電池吸收太陽光能，再直接將之轉換成電能，以供

　　需求端應用，其於應用時並無環境污染物排出；若是採集中設立太陽光能電廠的方式開

　　發應用，則需考慮開發面積大小；在汰舊太陽能電池時，亦需考慮廢棄電池的處理與回

　　收利用。此外，在太陽能電池的製造過程中可能需運用一些化學品，此時須符合適用之空污法及水污法規範［3］。

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　　三、太陽能電池的發電原理［2］

　　太陽能電池是一種能量轉換的光電元件，它是經由太陽光照射後，把光的能量轉換

　　成電能，此種光電元件稱為太陽能電池（solar cell）。太陽能電池的發電原理，可以用

　　一個構造最簡單的單晶矽太陽能電池來說明。所謂的單晶矽，就是指矽原子與矽原子間按照順序規則的排列。矽的原子序為十四，其電子組態為1s2 2s2 2p6 3s23p2，其中內層的

　　10 個電子（1s2 2s2 2p6），被原子核緊密的束縛著；而外層的4個電子（3s2 3p2）受到原子核

　　的束縛較小，如果得到足夠的能量，則可使其脫離原子核的束縛而成為自由電子，矽原

　　子外層的這四個電子又稱為價電子，而矽的晶體結構是屬於鑽石晶體結構，每個矽原子

　　與鄰近的四個矽原子形成共價鍵，若在純矽中摻入三價的雜質原子，如硼原子，此三價

　　的雜質原子取代矽原子的位置，因硼原子只有三個價電子可與鄰近的矽原子形成共價

　　鍵，所以在硼原子的周圍會產生一個空缺，可供電子填補，此一可填補電子的空缺即稱

　　為電洞。電洞在電學中可視為一可移動且帶正電的載子，因為電洞可以接受一個電子，

　　所以摻入的三價雜質原子又稱為受體，而一個摻入三價雜質的半導體，即稱為p型半導

　　體。

　　同理，若在純矽中摻入五價的雜質原子，如磷原子，此五價的雜質原子，取代矽原

　　子的位置，因磷原子具有五個價電子，其中的四個價電子分別與鄰近的四個矽原子形成

　　共價鍵，而多出一個自由電子，該電子為一帶負電的載子，因為五價的雜質原子可提供

　　一個自由電子，故稱此五價的雜質原子為施體，而摻了施體的半導體稱為n型半導體。

　　一般太陽能電池是以摻雜少量硼原子的p型半導體當做基板，然後再用高溫熱擴散的方

　　法，把濃度略高於硼的磷摻入p型基板內，如此即可形成p-n接面；p-n接面是由帶正電

　　的施體離子與帶負電的受體離子所組成。在該正、負離子所在的區域內，存在著一個內

　　建電位，可驅趕在此區域中的可移動載子，故此區域稱之為空乏區。當太陽光照射到一

　　p-n結構的半導體時，光子所提供的能量可能會把半導體中的電子激發出來，產生電子-

　　電洞對，電子與電洞均會受到內建電位的影響，電洞往電場的方向移動，而電子則往相

　　反的方向移動。若利用導線將此太陽能電池與一負載連接起來，形成一個迴路，就會有

　　電流流過負載，此為太陽能電池發電原理。

　　四、台灣太陽能電池產業發展

　　台灣投入太陽能電池的發展啟始於1970年代的石油危機時期，一直到2001年網際網

　　路泡沫化所引起世界性經濟低潮，以及這幾年由於矽晶圓原物料處於供應吃緊，而造成

　　的供需失衡景況，一下子整個產業聚集大量的曝光，成為新一波發展的重點。

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　　根據工研院經資中心分析［4］，目前全球太陽能發電容量仍低，不過在主要先進國家

　　政策鼓勵並積極推動下，美國Clean Edge公司預測，全球太陽能發電產業規模（含模組、

　　系統組件、設置施工）將由2003年的47億美元，大幅增長為2013年的308億美元。因此，

　　未來10年內，世界太陽能發電產業將以平均年增率20%以上快速成長，成為眾所矚目具

　　有高度發展潛力的替代能源產業。

　　現階段工業等級太陽能電池的發展，已經朝向便宜和效率等兩大主題發展，許多研

　　究團隊不斷推陳出新，期望新的材料可以成為新的光吸收器，並且對電荷載子的蓄集效

　　率能做出更大的貢獻，因而一舉發展出能夠有效的與其他新興能源競爭的裝置。目前所

　　知的太陽能電池的製程種類有下列的區分：

　　（1）矽製程（silicon processing）

　　（2）薄膜製程（thin-film processing）

　　（3）高分子製程（polymer processing）

　　（4）奈米粒製程（nanoparticle processing）

　　（5）透光導體（transparent conductors）

　　由2005年太陽能電池的技術市佔率（如圖1）可知，矽製程的產量及成效，遠遠領先

　　其他製程級材料。矽是我們耳熟能詳的半導體材料的主要來源，用在太陽能電池上，可

　　區分成單晶矽、多晶矽及非晶矽。另一個相當被看好，而愈來愈受到重視的主要製程就

　　是薄膜製程。薄膜太陽能電池，乃是在塑膠、玻璃或是金屬基板上形成可產生光電效應

　　的薄膜，厚度僅需數μm（一般的矽晶圓所需的厚度約為200μm）； 因此在同一受光面

　　積之下，薄膜太陽能電池可較矽晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量。目前商品化的太

　　陽能電池元件型態的產品包括：

　　（1）矽晶片（silicon bulk）：包含單晶矽、多晶矽。

　　（2）非晶矽薄膜（thin film）。

　　（3）II-VI族晶片（CIGS，也是多層薄膜組合而成）：其中3~5族包括砷化鎵、磷化銦、磷

　　化鎵；2~6族包括碲化鎘、硒化銦銅等。