最近幾年地球暖化問題與可攜式電子產品對電池電容量的需求不斷提高，利用太陽能產生電能的太陽能光電板，理論上只要有光線就能提供源源不絕的永續電力，因此太陽能光電板最近幾年成為國外各大研究機構囑目的焦點。

有鑑於此本文將深入探討薄膜μc-Si、化合物半導體，以及色素增感太陽能光電板的發展動向，同時介紹太陽能光電板的標準輸出量測方法。

動作原理

太陽能光電板英文稱為photovoltaics，簡寫成PV。由於光電板是利用光線照射半導體產生電能，因此一般中文簡稱為太陽能光電板或是光電電池（以下簡稱為光電板）。它的動作原理是光線照射半導體p-n時，半導體內部會產生電子-正孔對，當電子流入n端，正孔對流入p端時，半導體就會產生光激發電力。目前實用化的光電板可分為單結晶矽與多結晶矽兩種。(圖一)是光線照射時光電板的電流-電壓特性，由圖可知光電板的輸出，隨著動作點出現很大差異，而動作點則隨著負載阻抗改變。利用調整負載阻抗取得的最大輸出，進行能量轉換時的轉換效率η可用下式表示:

《公式一》

以15cm正方薄膜矽光電板而言，它的光電轉換效率大約是15～18％，可輸出7.2A的電流，0.5V的電壓，亦即3.6W的電力。(圖二)是由非結晶矽（amorphous silicon）的top cell，與非結晶矽（silicon）的bottom cell構成的混載型薄膜矽光電板的結構，它是利用電漿CVD製作，360cm2大小的光電轉換效率大約是12％。

《圖一　光線照射時光電板的電流-電壓特性》

薄膜矽μc-Si太陽能光電板

首先要介紹小面積單接合（single cell）第一代薄膜μc-Si太陽能光電板的製作與基礎物性。光活性層（i層）薄膜μc-Si是利用平行平板型容量結合電漿CVD，以140～220℃的基板溫度長膜，SiH4原料氣體的氧氣稀釋、高結晶化比率種層，以及利高能量離子抑制衝擊都可以有效促進結晶化。90年代開始μc-Si的長膜已經採用60～100MHz VHF頻寬激發與降低不純物氧氣等新技術製作。

a-Si的標準製程是利用13.56MHz頻率激發長膜，由於它是使用VHF頻率所以可以降低放電電漿的電子溫度，同時可以有效抑制高能量離子造成的衝擊。有關長膜後的μc-Si膜層結構，基本上除了提高結晶化比率之外，（110）配向性也呈現提高傾向，加上氣體分解也能夠促進長膜速度，因此μc-Si的膜厚通常會比a-Si更厚。

《圖二　混載型薄膜矽光電板的結構》

優勢

μc-Si長膜的最大優勢為高壓枯竭領域的長膜，利用高能量離子抑制衝擊與提高長膜速度，可獲得很大的實質效益。施加於原料氣體的電力條件，隨著過剩的氫稀釋與投入電力的高能量離子的增加，結晶化比率亦隨著增加，不過電氣特性則呈降低傾向，因此SiH4＋Ｈ2混合氣體中的SiH4濃度，通常會使用4～5％稀釋氫。

(圖三)是太陽能光電板i層用μc-Si薄膜的斷面穿透電子顯微鏡照片，由照片可知結晶初期100～200nm領域具有非結晶相（amorphous；簡稱為a相），而結晶相是從底部n層呈圓錐狀擴散長晶，其它領域則無明顯的非結晶相（a相），樹枝狀的結晶相之間出現因轉位形成的粒界，一般認為從底部n層（或是p）長晶方向製作無空隙（void），與非結晶相的連續性結晶粒，是獲得良好光電流特性的重點。

檢測方法

檢測μc-Si的巨視結構，通常是使用X線繞射與Raman散亂方法。X線繞射法顯示（110）優先配向，（110）/（111）繞射積分強度比為3；（110）配向結晶粒的平均粒徑大約是10～30nm。由於結晶粒呈異方性柱狀結構，而且粒徑分佈相當散亂，因此X線繞射法無法作平均粒徑的分析，相形之下繞射強度比卻是可信度相當高的指數。利用Raman散亂頻譜（spectrum）求得的結晶化比率Xc大約是50％，不過卻無法從圖三的斷面圖清楚觀察膜層上方的非結晶相。值得一提的是Xc為探討膜層結構時非常重視的半定量性指數。

有關膜內缺陷密度為10-16cm-3，它是由（110）的結晶粒界，是由（111）方向具備主軸與非異方性的隋意非結晶（random amorphous）兩種特性的物質構成，不過（110）結晶粒界缺陷的電氣性活性度很低，利用紅外吸收求得的膜內氫濃度大約是5％，比非結晶矽（a-Si）更低。

有關（110）配向μc-Si薄膜的光學電氣特性，即使利用相同條件在玻璃基板上製作不同膜厚，它的構造特性幾乎完全相同，所以評鑑複數實驗結果時必需格外謹慎。光線吸收頻譜若考慮光線封閉效果時，除了1.8eV（電子伏特）以上高能量領域會產生微小差異之外，一直到1.1eV附近，幾乎與單結晶矽的光線吸收頻譜相同；此外造成結晶相的1.1～1.8eV領域的光線吸頻譜，幾乎不受膜層結構影響結果完全相同，不過1.1eV以下的sub gap領域，會顯示膜層的配向性與0.8eV時的光線吸收係數具有關連性。

探討太陽能光電板的μc-Si膜層載子（carrier）輸送時，由於粒徑與缺陷密度的差異，因此包含bulk在內的熱平衡系μc-Si模式（model）並不適用，加上上述柱狀結晶構造，因此載子輸送在長膜縱向與面內橫向會顯示異方性。此外與光電板相同縱向的載子輸送特性，由於電極與i層μc-Si之間的歐姆接觸非常困難，所以必需使用交流導電率量測法檢測。室溫時μc-Si縱向的交流導電率會呈現10-6～10-９Scm-1熱活性型的溫度特性，根據活性化能量推測Fermi準位，可以確定的是band gap中央位置是真性半導體。此外由於結晶構造與不純物氧氣的混入，μc-Si膜層很容易n型化造成不均勻電界，最後導致開放電壓Voc與光電板性能降低。

《圖三　μc-Si薄膜的斷面穿透電子顯微鏡圖》

如(圖四)所示，通常μc-Si薄膜太陽能光電板採用pin結構，基本上μc-Si光電板是由玻璃或是不銹鋼基板、ITO透明導電膜、p/n層構成。依照長膜順序μc-Si光電板可分為基板/pin super straight type，與sub straight type兩種，不過不論哪種型式都是p層入光。小面積cell如果採用基板/pin構造，它的轉換效率比基板/nip結構低1％；大面積模組基於積體化作業性考量，一般是採用基板/pin結構，不過i層膜厚必需配合成本與用途，因此厚度大約是1.5～3.0μm左右。此外採用基板/pin構造時，還需作光線密閉設計。μc-Si系太陽能光電板的分光感度光偏壓（bias）依存性（亦即無變調光照射強度）與溫度特性，則與bulk結晶矽太陽能光電板相同。

《圖四　太陽能光電板的結構與照射時的電流-電壓特性》

結晶半導體構成的太陽能光電板，目前只有低溫非熱平衡系μc-Si會採用pin接合而不是pn接合，其結果造成i層全領域可以產生均勻電界，並擴散至光生成載子內部，該現象對drift輸送機構非常有助益，事實上這也是造成小粒徑可獲得大開放電壓的原因之一。至於哪一方的輸送機構為支配性，則隨著膜層的結晶性、載子的所在位置（粒子內或是粒界）、膜厚，以及動作時的電壓改變，換句話說光電膜層的結晶性是隨著膜厚改變。(圖五)是i層結晶性相異的太陽能光電板的短路光電流Jsc與Voc特性，由圖可知隨著Raman結晶化比率的增加，（110）優先配向性與（110）結晶粒徑有增加傾向，一般而言隨著結晶粒徑的增加，Ｖoc也會增加，不過圖五卻出現象反結果，主要原因是高結晶化比率的μc-Si，會因n型化造成i層內的電界不均勻出現上述現象，這意味著i層內的載子傳輸會受到結晶粒內載子再結合速率的約束。由於平均粒徑100nm以下的非熱平衡系μc-Si太陽能光電板的開放電壓，可以與平均粒徑1nm左右非熱平衡系μc-Si太陽能光電板抗衡，依此推論可能是低溫長膜時，由於B與P的擴散受到抑制，因此理論上可以形成pin接合，此外混入的氧氣等不純物的非活化性，也會導致結晶粒界的載子再結合速度大幅降低，進而造成Raman結晶化比率增加，（110）優先配向性與（110）結晶粒徑卻出現增加的怪異現象。

《圖五　i層結晶性相異的太陽能光電板的短路光電流Jsc與Voc》

有關降低i層膜厚的方法，可以利用光生成載子再結合損失的抑制，進而提高開放電壓，此外屬於間接遷移的Si，薄膜時在紅外領域不具充分的光吸收特性，因此必需利用光散亂與多重反射使光線封閉。傳統薄膜μc-Si系太陽能光電板，是利用（110）優先配向膜的自然形成結構（texture）進行光線封閉；a-Si的場合，如(圖六)所示它可利用SnO2膜層結構（texture）方式使光線封閉，雖然這種方式使結構上會損壞μc-Si膜層的結晶性，不過對極端的texture卻非常有效，因為它可以使drift輸送變大，同時還可以獲得較大的光電流，所以比較適合應用於tandem構造的光電板；a-Si/μc-Si tandem結構，可在a-Si/μc-Si之間插入低折射率中間層，利用折射率差將光線封閉於a-Si端。有關長膜速度一般為6mm/s，如果改善放電電極的設置位置，在超過3～7Torr所謂的高壓枯竭領域進行glow放電的話，理論上長膜速度可達2～3mm/s，轉換效率為8％，即使面積為801.6cm2的tandem module，長膜速度也有2mm/s，初期效率為13.1％。

《圖六　具有texture結構的基板原子間力顯微鏡表面照片》

＜註：由於太陽能光電板的光學反射頻譜texture結構，造成紅外領域的散亂與反射受到抑制，因此可以獲得充分的光線封閉效果，不過在極端的texture，Jsc反而會降低。＞

實際製作時60～100MHz VHF頻寬，對低電子溫度與低離子能量化非常有利，不過對1mm正方的光電板製作設備而言，波長會變成1.5～2.5m，由於波長太過狹窄，因此必須利用梯型（Ladder Type）電極以分割方式提供VHF電力。1994年低溫長膜薄膜型μc-Si太陽能光電板的量產技術大致底定，至今歷經十年左右的應用摸索，最近大型模組已經進入量產階段，一般認為薄膜型μc-Si太陽能光電板，今後會繼續在改善長膜技術領域上發展。

化合物半導體太陽能光電板

利用元素周期表Ⅲ族元素鎵（Ga）、銦（In），與Ⅴ族元素磷（P）與砒（As），亦即所謂的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體製成的光電板，統稱為化合物半導體太陽能光電板。由於GaAs與InP太陽能光電板具備高效率抗放射線等特性，所以廣泛應用在宇宙航太等領域。

目前航太用Ⅲ-Ⅴ族光電板的價格相當昂貴，隨著薄膜型μc-Si光電板的材料與製作技術進步，未來化合物半導體光電板有可能成為繼第一代結晶矽、第二代薄膜型μc-Si光電板之後，可以低價大量生產的第三代太陽能光電板。

化合物半導體光電板與第一代結晶矽光電板比較時，具備以下特徵：

高光電轉換效率

太陽能光電板的光電轉換理論效率，取決於半導體的禁止頻寬。依照與太陽光頻譜整合的觀點而言，具備1.4～1.5eV禁止頻寬的半導體，都可成為高效率太陽能光電板的材料。

若與禁止頻寬為1.1eV的Si比較，具備1.42eV的GaAs與1.35eV的InP等化合物半導體，可望發揮單接合cell，光電轉換效率為26～28％的特性。

高光線吸收係數適合薄膜化

由於半導體矽屬於間接遷移型能量帶結構，因此光線吸收係數很低，為充分吸收光線能量，所以光電板的膜層厚度必需大於100μm；相較之下許多化合物半導體屬於直接遷移型能量帶結構，而且光線吸收係數很大，換言之化合物半導體光電板的膜層厚度只需數μm即可，這意味著光電轉換理論效率很高，同時還可以有效降低材料與製作時的消費電力。

具備高抗放射性特性

由於化合物半導體光電板屬於間接遷移型能量帶結構，而且動作領域非常狹窄，因此少數載子的擴散長度很短，同時還具備抗放射性特性，這也是Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體光電板可以廣泛應用在宇宙航太的主要原因。

極佳的溫度特性，可利用鏡片集光

禁止頻寬比半導體矽更大的化合物半導體，即使在高溫環境下動作它的暗電流變化非常小，光電轉換效率減少也相對偏低，這意味著化合物半導體集光動作時不易受溫升影響，可作1000倍以上高集光動作。

利用波長感度寬頻化，可以獲得高效率化

藉由各種半導體的組合，可以使波長感度寬頻化進而獲得高效率化目的。利用禁止頻寬相異的複數太陽電池層的堆疊形成多接合（tandem）結構，例如2接合、3接合cell的非集光動作，它的光電轉換效率分別是36％與42％。

(圖七)是非集光與集光型化合物半導體太陽能光電板的光電轉換效率，與接合數的互動關係，圖中的光電轉換效率分別是理論計算值與實測值兩種。

《圖七　非集光與集光型化合物半導體太陽能光電板的光電轉換效率，與接合數的互動關係》

如(圖八)所示提高化合物半導體的結晶品質，是提高少數載子壽命的基本原理。有關元件結構的未來技術動向，為有效解決半導體表面的表面再結合特性，因此元件結構從Homo接合、Heteroface結構，逐漸朝DH（Double Hetero）接合結構方向發展。

50年代的GaAs光電板的表面再結合速度為106～107cm/s，這種利用熱擴散的pn接合製成的光電板，它的光電轉換效率只有6.5％。70年代IBM等公司利用結晶表面的載子再結合特性，以AlGaAs window lay效應製作AlGaAs-GaAs Heteroface cell，Homo p-n接合結構為獲得20％以上的光電轉換效率，因此接合深度必需低於50nm；相較之下Heteroface結構，由於插入禁止頻寬很大的window lay，因此可以大幅提高接合深度的設定自由度，同時還可以獲得高效率化等效益。

美國麻省理工學院使用大禁止頻寬的材料，挾持p-n接合的兩側形成DH接合結構，試圖藉此單一接合cell獲得高效率化效益，由於DH接合結構具備Heteroface結構特有的window lay效應，因此一般認為它可以發揮背面電界效應。日本住友電工在GaAs基板上製作大小為25cm2的DH接合結構cell，光電轉換效率為26％。傳統太陽能光電板大多使用液相epitaxy（LPE）長膜法製作，目前則以可作多層大面積長膜的有機金屬氣相（MOCVD）長膜法為主。

《圖八　GaAs單接合太陽能光電板的光電轉換效率與少數載子壽命的依存性》

26～28％是單接合cell的光電轉換效率最大限度，超過該限度的高效率化必需借助太陽光的頻譜。(圖九)是利用太陽光頻譜與多接合結構的太陽能光電板材料擴大波長感度頻寬構想圖。太陽光頻譜的波長0.3μm到2μm，GaAs單一接合cell只能利用0.4μm到0.85μm的波長，以3接合cell為例，如圖九所示最上層InGaP的top cell可以涵蓋0.3μm到0.65μm的波長，中間GaAs middle cell可以涵蓋0.65μm到0.85μm的波長，最下層Ge的bottom cell可以涵蓋0.85μm到1.8μm的波長，光電轉換效率可望達到42％。

《圖九　利用太陽光頻譜與多接合結構的太陽能光電板材料，擴大波長感度頻寬構想圖》

有關多接合結構太陽能光電板的研究，NREL（National Renewable Energy Laboratory）利用高品質InGaP top cell材料取代AlGaAs，製成單片（monolithic）多接合cell；日本能源與住友電工、豐田工大共同開發的InGaP/GaAs/InGaAs 3接合cell太陽能光電板，光電轉換效率更達到全球最高的33.3％，(圖十)是上述3接合cell的構造與電流-電壓特性。

多接合cell的top cell材料，InGaP與bottom cell材料InGaAsP的放射線劣化問題，

可利用太陽光照射與順向偏壓（bias）少數載子的注入獲得復原。目前InGaP/GaAs/Ge 3接合cell宇宙航太用太陽能光電板已經進入商品應用，包含InGaP/GaAs/Ge 2接合與3接合cell的Ⅲ-Ⅴ族化合物，宇宙航太用太陽能光電板的年產量大約是1MW左右。

利用鏡片與反射鏡的光電板集光技術，除了可以提高光電板的光電轉換效率，同時還可以大幅削減材料的使用量，加上它的低成本、省能源特性因此未來發展備受重視，尤其對高單價大面積Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體構成的超高效率光電板有很大的助益。隨著集光時的溫升會造成效率降低矽cell大幅減少，因此1000倍左右的高集光動作備受期待，因為如此一來不但可以解決原料不易取得的困擾之外，對抑制成本也有正面效益。(圖十一)是各種太陽能光電板的發電成本比較。

《圖十一　各種太陽能光電板的發電成本比較》