高效率III-V族聚光型太陽能電池

　 綠色科技中心 張連璧 主任

　　太陽能電池 ( solar cell ) 最早在 1954 年由 Bell 實驗室所發明，但由於半導體技術尚未純熟，其電池轉換效率並不高，在當時並無商業價值利用。自 1973 年 國際間爆發石油危機，科學家嘗試尋找替代能源來取代石油，使得太陽能電池技術發展迅速，但由於該年代半導體磊晶技術尚未開發完整，所以矽太陽能電池成為發展主流。近年來因為全世界工業演進迅速，超乎原本預期的發展速度，二氧化碳造成溫室效應、環境生態重大改變以及全球氣候變遷，科學家又再度尋求乾淨無汙染的替代能源，因此太陽能電池又再度受到關注。太陽能是一種環保又乾淨的再生能源，因此科學家近年來不斷發展太陽能電池技術，加上半導體技術純熟，使得太陽能電池光電轉換效率大為提高，科學家預測將來太陽能電池成本降至 1 US $/W 是指日可待。由於半導體近幾年迅速發展，許多種類太陽能電池陸續被開發應用，除了早期單晶矽太陽能電池，還有多晶矽、非晶矽 ( a-Si ) 太陽能電池，II-VI 族銅銦鎵硒 ( CIGS ) 太陽能電池、III-V 族銻化鎘 ( CdTe ) 太陽能電池、砷化鎵 ( GaAs ) 太陽能電池、染料敏化太陽能電池 ( DSSC )、高分子太陽能電池…等。如此多種類太陽能電池已經被開發，各種電池亦各有優缺點， 目前因地球上矽含量豐富以及矽半導體材料發展時間較長久，所以矽太陽能電池還是佔大部分使用率；但是近年來由於化合物半導體磊晶技術成熟，加上高聚光型太陽能電池系統模組 ( High Concentration Photovolatic system HCPV ) 的開發，使得高聚光太陽能電池變得有研究價值。據科學家評估高聚光型太陽能電池系統的開發，將有機會取代傳統發電廠成為太陽能發電廠。

　　顛覆傳統利用太陽光直接照射方式，科學家開發利用菲涅爾透鏡 ( Fresnel lens ) 將太陽光聚焦在太陽能電池上，使得太陽光增加數百倍的強度，進而提升光電轉換效率，但因聚光過程是數百倍太陽光強度，所以選擇對熱穩定性較佳以及轉換效率較高的 III-V族銻化鎘 ( CdTe ) 太陽能電池，如此一來可以縮小元件製造面積，就可以達到高功率輸出，進一步讓成本降低。目前世界記錄是三接面III-V 族銻化鎘 ( CdTe ) 太陽能電池 ( Triple-Junctions Solar Cell ) 由 Spectrolab 41.6% 光電轉換效率所保持，其元件利用金屬有機化學氣相沉積系統 ( MOCVD ) 將具不同能隙的子電池堆疊起來，由於不同能隙對於光的吸收波長也不同，藉由疊接方式讓電池對於光的吸收波長更廣，使得轉換效率提高。

　　本校綠色科技研究中心成立兩年來，朝再生能源研發方向致力發展，目前已致力研發三接面 III-V 族銻化鎘 ( CdTe ) 太陽能電池，元件經過黃光微影技術 ( photolithography ) 定義電極區域，然後經過金屬化製程 ( metallization ) 鍍上電極，將元件退火 ( annealing ) 使得金屬與半導體接面阻値降低後，再於元件表面鍍層抗反射薄膜，使入射光在表面反射率降低，最後再將元件切割及封裝量測，目前光電轉換效率已達 26%。除了元件製作以外，本中心亦利用高分子聚合塑膠透鏡 ( PMMA fresnel lens )，將製作完成的元件置於透鏡下做聚光量測，其光電轉換效率達 33.5%，因為高分子塑膠透鏡輕薄而且成本低廉，若聚光模組採用此透鏡將大幅降低發電成本以及模組面積；但是高分子塑膠透鏡聚光倍率較低，所以本中心未來將朝提高聚光倍率來增加光電轉換效率。此外，本中心亦有研發其他種類太陽能電池，如銅銦鎵硒 ( CIGS ) 太陽能電池、染料敏化太陽能電池 ( DSSC )、氮化鎵 ( GaN ) 太陽能電池…等，致力於再生能源的多方位研發，是綠色科技中心目標。

　　目前國內有多家廠商投入高聚光型太陽能電池系統開發，主要是看好高聚光型太陽能電池的前景，由於聚光透鏡系統開發，加上高效率的 III-V 族太陽能電池，使得高聚光型太陽能電池系統最具潛力，並有機會發展成大型發電廠。因為聚光的關係，輸入功率比原本增加數倍至百倍，因此元件面積便可以縮小，如此一來解決 III-V 族材料昂貴的價格問題。台灣因具有高水準半導體研發基礎，所以發展聚光型太陽能電池非常適合，近年來已有國內多家廠商取得聚光型太陽能電池多項專利，目的是希望台灣能自我發展太陽能電池 。此外，國內廠商也於今年在南部科學園區興建小型聚光型太陽能電池發電廠，規模為亞洲最大。由於台灣擁有純熟半導體技術，使得近年來 III-V 族太陽能電池之技術發展已接近世界水準。學者預期台灣能成為全世界前四大太陽能電池發展重鎮，對於國內振興經濟是一大利多。雖然目前市場主流還是以矽太陽能電池為主，但是受限於矽半導體天生的限制，所以矽太陽能電池的發展有限。相反的，近年來半導体磊晶技術進步使得 III-V 族材料發展如此迅速，加上材料天生的優勢使得高聚光型太陽電池漸漸 在市場上佔有一席之地，許多國家對於環保再生能源越來越重視，因此太陽能電池的發展是未來不可或缺的替代能源方案。