太 阳 电 池 发 展 史
太阳电池的发展，最早可追溯自1954年由Bell实验室所发明出来的，当时研发的动机是希望能提供偏远地区供电系统的能源，那时太阳电池的效率只有6%。接着从1957年苏联发射第一颗人造卫星开始，一直到1969年美国航天员登陆月球，太阳电池的应用可说是充分发挥。虽然当时太阳电池的造价昂贵，但其对人类历史的贡献，却是金钱所不能衡量的。近年来全球的通讯市场蓬勃发展，各大通讯计划不断提出，例如Motorola公司的铱(Iridium)计划，将使用66颗低轨道的卫星(LEO)，Bill Gates 之Teledesic计划，预计将使用840颗LEO卫星，这些都将促使太阳电池被广泛地使用在太空中。

人类发展太阳电池的最终目标，就是希望能取代目前传统的能源。我们都知道太阳的能量是取之不尽用之不竭的，从太阳表面所放射出来的能量，换算成电力约3.8x1023 kW；若太阳光经过一亿五千万公里的距离，穿过大气层到达地球的表面也约有1.8x1014 kW，这个值大约为全球平均电力的十万倍大。若我们能够 "有效的"运用此能源，则不仅能解决消耗性能源的问题，连环保问题也可一并获得解决。目前太阳电池发展的瓶颈主要有两项因素：一项为效率，另一项为价格。

在光-电转换的过程中，事实上，并非所有的入射光谱都能被太阳电池所吸收，并完全转成电流。有一半左右的光谱因能量太低(小于半导体的能隙)，对电池的输出没有贡献，而再另一半被吸收的光子中，除了产生电子-电洞对所需的能量外，约有一半左右的能量以热的形式释放掉，所以单一电池的最高效率约在25%左右，目前实验室所发出来的效率，几乎可达到理论值的最高水平。唯因制造过程复杂量产不易，因此价格普遍过高，不符合经济效益。这也是目前太阳电池发展最大的瓶颈。工业界一直在寻找降低成本的方法，目前所获的的成果包括：

1. 舍弃传统的CZ与FZ长晶方式，改用铸造硅晶锭(Silicon Ingot Casting)的方式。
2. 不用 锯切割晶锭，改用线锯的方式切割，如此可节省约30 % 的材料成本。
3. ASE America 公司所研发出Edge-defined Film-fed Growth(EFG)的拉晶方法，此方法可拉出中空的八角形柱体，利用雷射切割就可得到10x10㎝2的芯片，可节省材料在切割上的损失。
4. 采用薄膜技术，此方法可大量节省制造所需的材料，被认为是最具有低成本潜力的方式。

用薄膜技术制造的主要材料包括：非晶硅(a-Si)，硒化铟铜(Copper Indium Diselenide,CISe2)，碲化镉(CdTe)，虽然薄膜技术被认为是最具有潜力的方式，但是目前还没有任何一个量产的技术，能够达到下列的要求：

1. 沉积薄膜的速率在每分钟一微米以上。
2. 沉积的温度在600度C以下。
3. 薄膜的厚度在十微米以下。
4. 成长的晶粒(Grain Size)大小在一微米以下。
5. 少数载子的扩散长度超过十微米。

太 阳 电 池 的 简 介
太阳电池是一种能量转换的光电组件，它是经由太阳光照射后，把光的能量转换成电能，此种光电组件称为太阳电池(Solar Cell)。从物理学的角度来看，有人称之为光伏电池(Photovoltaic，简称PV)，其中的photo就是光(light)，而voltaic就是电力(electricity)。

太阳电池的种类繁多，若依材料的种类来区分，可分为单晶硅(single crystal silicon)、多晶硅(polycrystal silicon)、非晶硅(amorphous silicon，简称a-Si)、Ⅲ-Ⅴ族[包括：砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP) 、磷化镓铟(InGaP) ]、Ⅱ-Ⅵ族[包括：碲化镉(CdTe) 、硒化铟铜(CuInSe２)]等。

第一个太阳电池是在1954年由贝尔实验室所制造出来的，当时研究的动机是希望能替偏远地区的通讯系统提供电源，不过由于效率太低(只有6%)，而且造价太高(357美元/瓦)，缺乏商业上的价值。就在此时，开创人类历史的另一项计划---太空计划也正在如火如荼地展开中；因为太阳电池具有不可取代的重要性，使得太阳电池得以找到另一片发展的天空。从1957年当时的苏联发射第一颗人造卫星开始，太阳电池就肩负着太空飞行任务中一项重要的角色，一直到1969年美国人登陆月球，太阳电池的发展可以说到达一个颠峰的境界。但因为太阳电池造价昂贵，相对地使得太阳电池的应用范围受到限制。到了1970年代初期，由于中东发生战争，石油禁运，使得工业国家的石油供应中断造成能源危机，迫使人们不得不再度重视将太阳电池应用于电力系统的可行性。1990年以后，人们开始将太阳电池发电与民生用电结合，于是「与市电并联型太阳电池发电系统」(grid-connected photovoltaic system)开始推广，此观念是把太阳电池与建筑物的设计整合在一起，并与传统的电力系统相连结，如此我们就可以从这两种方式取得电力，除了可以减少尖峰用电的负荷外，剩余的电力还可储存或是回售给电力公司。此一发电系统的建立可以舒缓筹建大型发电厂的压力，避免土地征收的困难与环境的破坏。近年来，太阳电池不断有新的结构与制造技术被研发出来，其目的不外乎是希望能降低成本，并提高效率。如此太阳电池才可能全面普及化，成为电力系统的主要来源。

太 阳 电 池 的 原 理
在1930年代发现，电解质电池照光时电流将会增加，证明了光生电流的现象，一直到1954年第一个硅制的太阳电池终于被制造出来，当时的效率只有6%。

太阳电池的发电原理，可以用一构造最简单的单晶硅太阳电池来说明。所谓的单晶硅，就是指硅原子与硅原子间按照顺序规则的排列。我们知道，硅(Si)的原子序为14，其电子组态为1s2 2s2 2p6 3s2 3p2，其中内层的10个电子(1s2 2s2 2p6 )，被原子核紧密的束缚着，而外层的4个电子(3s2 3p2 )受到原子核的束缚较小，如果得到足够的能量，则可使其脱离原子核的束缚而成为自由电子，硅原子外层的这四个电子又称为价电子，而硅的晶体结构是属于钻石晶体结构(diamond crystal structure)，每个硅原子与邻近的四个硅原子形成共价键，如果我们在纯硅之中掺入三价的杂质原子，例如硼原子(B)，此三价的杂质原子，将取代硅原子的位置，因为硼原子只有三个价电子可与邻近的硅原子形成共价键，所以在硼原子的周围会产生一个空缺，可供电子填补，此一可填补电子的空缺即称为电洞。电洞在电学中可视为一可移动且带正电的载子(carrier)，因为电洞可以接受一个电子，所以掺入的三价杂质原子又称为受体(acceptor)，而一个掺入三价杂质的半导体，即称为p型半导体。

同理，如果我们在纯硅之中掺入五价的杂质原子，例如磷原子(P)，此五价的杂质原子，将取代硅原子的位置，因为磷原子具有五个价电子，其中的四个价电子分别与邻近的四个硅原子形成共价键，而多出一个自由电子，该电子为一带负电的载子，因为五价的杂质原子可提供一个自由电子，故称此五价的杂质原子为施体(donor)，而掺了施体的半导体称为n型半导体。

一般太阳电池是以掺杂少量硼原子的p型半导体当作基板(substrate)，然后再用高温热扩散的方法，把浓度略高于硼的磷掺入p型基板内，如此即可形成一p-n接面，而p-n接面是由带正电的施体离子与带负电的受体离子所组成，在该正、负离子所在的区域内，存在着一个内建电位(built-in potential)，此内建的电位，可驱赶在此区域中的可移动载子，故此区域称之为空乏区(depletion region)。当太阳光照射到一p-n结构的半导体时，光子所提供的能量可能会把半导体中的电子激发出来，产生电子-电洞对，电子与电洞均会受到内建电位的影响，电洞往电场的方向移动，而电子则往相反的方向移动。如果我们用导线将此太阳电池与一负载(load)连接起来，形成一个回路(loop)，就会有电流流过负载，这就是太阳电池发电的原理。

太 阳 电 池 的 制 造
为了介绍太阳能电池的制造技术，我们先由最简单的流程，即单晶硅太阳电池的制造技术谈起。制程部奏则如以下所示：