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太陽能電池發展與研究現況介紹
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太陽能電池發展與研究現況介紹

電子系 郭守義 助理教授

  科技發展為人類生活帶來便利,同時也製造了許多問題。以前,大家習慣恣意的使用石化能源,享受文明成果生活;直到 1970 年代第一次能源危機爆發後,各國才開始認真思考對於石化能源過度使用與依賴所衍生的問題,並思考開發新的替代能源方案。然而,在石油危機結束後 ( 通常都是中東戰爭結束時 ),由於開發成本的考量,新能源開發的計劃也隨之趨緩;而生態環境的破壞與石化能源的耗損,始終是不能被忽略的課題。京都議定書的制定與實施後,各國又紛紛尋找替代性能源,減少對高污染石化能源的依賴。美國再生能源實驗室 ( National Renewable Energy Laboratory, NREL ) 將太陽能、風能、地熱能、生質能以及氫氧燃料電池列為重點研究發展的再生能源。台灣為海島型國家,天然資源匱乏,所使用的能源超過 97% 均須仰賴國外進口,故積極找尋有效的替代能源才是長久之計。不同於水力、地熱及風力等會受到地形地物之侷限,太陽能發電系統的特性為安靜、容易維修且系統簡單自動化、無污染與富量產特性,基於以上考量,太陽能電池有機會成為新世紀能源的最佳選擇。

  太陽能源取之不盡、用之不竭,不僅零污染而且供應給地球的能量充裕。依據統計,地球每年可從太陽獲取的總能量約 4×1024 焦耳;而地球每年消耗的總能量,以 2001 年為例,約 4×1020 焦耳,且以每年約 2% 的成長率持續增加中。倘若太陽能源能充分開採利用,不僅人類面臨的能源危機問題可獲得舒緩,而且溫室效應所造成的環境災害問題也可改善。

  為了因應能源危機,近年來太陽能電池技術進展與日俱增。時至今日,琳瑯滿目各式各樣不同種類的太陽能電池紛紛出籠:單晶矽太陽能電池效率可達 25%;多晶矽及非晶矽模組化效率也可以到達 21%;銻化鎘 ( CdTe ) 約 17% 的轉換效率與硒化銅銦鎵 ( Cu(InGa)Se2 ) 薄膜太陽能電池有將近 20%的轉換效率;有機太陽能電池轉換效率約 8%;而染料敏化奈米薄膜電池 ( Dye sensitized nanostructure materials ) 也有 11% 左右的轉換效率。此外,美國波音子公司 Spectrolab 公司利用三層串接 ( Tandem ) 磷化鋁鎵銦、砷化鎵與鍺 ( AlGaInP/GaInAs/Ge ) 的三五族化合物半導體集光型太陽能電池轉換效率已經於 2006 年底創下超過 40% 的世界紀錄。目前,轉換效率最高的太陽電池為運用砷化鎵 ( GaAs ) 的串疊型太陽電池,在實驗室聚光 ( concentrated sunlight ) 情況下,轉換效率已可達 40.8%。

  至於如何再進一步地提高太陽能電池轉換效率,亦有許多方案被提出。一般來說,在不改變太陽能電池結構之下,有許多方法可以增加外部太陽能電池之效率,例如:太陽能電池的表面粗化、增加抗反射層和透明導電層的沉積等。上述的方法都是為了改善入射日光的表面反射、增加逸漏光的吸收與改善電子傳輸特性。傳統太陽能電池皆是以金屬柵狀上電極,配合氧化物抗反射層進行上述的工作。然而,這樣的設計必須犧牲掉部份有效光穿透面積製作金屬電極,另一方面則必須面臨光照電子的傳輸損耗,因此透明導電膜的研究應用因應而生。本研究團隊在透明導電膜的研究已有初步成果,如圖一與圖二所示。未來將結合太陽能電池製程,持續進行光電轉換效率提升的研究工作。

(圖一)厚度 500 奈米的透明氧化膜穿透率

 

        

     ▲(圖二)厚度 500 奈米的透明氧化膜導電係數與載子濃度

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