太 陽 電 池 發 展 史
太陽電池的發展，最早可追溯自1954年由Bell實驗室所發明出來的，當時研發的動機是希望能提供偏遠地區供電系統的能源，那時太陽電池的效率只有6%。接著從1957年甦聯發射第一顆人造衛星開始，一直到1969年美國航天員登陸月球，太陽電池的應用可說是充分發揮。雖然當時太陽電池的造價昂貴，但其對人類曆史的貢獻，卻是金錢所不能衡量的。近年來全球的通訊市場蓬勃發展，各大通訊計劃不斷提出，例如Motorola公司的銥(Iridium)計劃，將使用66顆低軌道的衛星(LEO)，Bill Gates 之Teledesic計劃，預計將使用840顆LEO衛星，這些都將促使太陽電池被廣氾地使用在太空中。

人類發展太陽電池的最終目標，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3.8x1023 kW；若太陽光經過一億五千萬公里的距離，穿過大氣層到達地球的表面也約有1.8x1014 kW，這個值大約為全球平均電力的十萬倍大。若我們能夠 "有效的"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。目前太陽電池發展的瓶頸主要有兩項因素：一項為效率，另一項為價格。

在光-電轉換的過程中，事實上，並非所有的入射光譜都能被太陽電池所吸收，並完全轉成電流。有一半左右的光譜因能量太低(小於半導體的能隙)，對電池的輸出沒有貢獻，而再另一半被吸收的光子中，除了產生電子-電洞對所需的能量外，約有一半左右的能量以熱的形式釋放掉，所以單一電池的最高效率約在25%左右，目前實驗室所發出來的效率，幾乎可達到理論值的最高水平。唯因製造過程複雜量產不易，因此價格普遍過高，不符合經濟效益。這也是目前太陽電池發展最大的瓶頸。工業界一直在尋找降低成本的方法，目前所獲的的成果包括：

1. 捨棄傳統的CZ與FZ長晶方式，改用鑄造硅晶錠(Silicon Ingot Casting)的方式。
2. 不用 鋸切割晶錠，改用線鋸的方式切割，如此可節省約30 % 的材料成本。
3. ASE America 公司所研發出Edge-defined Film-fed Growth(EFG)的拉晶方法，此方法可拉出中空的八角形柱體，利用雷射切割就可得到10x10㎝2的芯片，可節省材料在切割上的損失。
4. 採用薄膜技術，此方法可大量節省製造所需的材料，被認為是最具有低成本潛力的方式。

用薄膜技術製造的主要材料包括：非晶硅(a-Si)，硒化銦銅(Copper Indium Diselenide,CISe2)，碲化鎘(CdTe)，雖然薄膜技術被認為是最具有潛力的方式，但是目前還沒有任何一個量產的技術，能夠達到下列的要求：

1. 沉積薄膜的速率在每分鐘一微米以上。
2. 沉積的溫度在600度C以下。
3. 薄膜的厚度在十微米以下。
4. 成長的晶粒(Grain Size)大小在一微米以下。
5. 少數載子的擴散長度超過十微米。

太 陽 電 池 的 簡 介
太陽電池是一種能量轉換的光電組件，它是經由太陽光照射后，把光的能量轉換成電能，此種光電組件稱為太陽電池(Solar Cell)。從物理學的角度來看，有人稱之為光伏電池(Photovoltaic，簡稱PV)，其中的photo就是光(light)，而voltaic就是電力(electricity)。

太陽電池的種類繁多，若依材料的種類來區分，可分為單晶硅(single crystal silicon)、多晶硅(polycrystal silicon)、非晶硅(amorphous silicon，簡稱a-Si)、Ⅲ-Ⅴ族[包括：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP) 、磷化鎵銦(InGaP) ]、Ⅱ-Ⅵ族[包括：碲化鎘(CdTe) 、硒化銦銅(CuInSe２)]等。

第一個太陽電池是在1954年由貝爾實驗室所製造出來的，當時研究的動機是希望能替偏遠地區的通訊系統提供電源，不過由於效率太低(只有6%)，而且造價太高(357美元/瓦)，缺乏商業上的價值。就在此時，開創人類曆史的另一項計劃---太空計劃也正在如火如荼地展開中；因為太陽電池具有不可取代的重要性，使得太陽電池得以找到另一片發展的天空。從1957年當時的甦聯發射第一顆人造衛星開始，太陽電池就肩負著太空飛行任務中一項重要的角色，一直到1969年美國人登陸月球，太陽電池的發展可以說到達一個顛峰的境界。但因為太陽電池造價昂貴，相對地使得太陽電池的應用範圍受到限制。到了1970年代初期，由於中東發生戰爭，石油禁運，使得工業國家的石油供應中斷造成能源危機，迫使人們不得不再度重視將太陽電池應用於電力系統的可行性。1990年以後，人們開始將太陽電池發電與民生用電結合，於是「與市電並聯型太陽電池發電系統」(grid-connected photovoltaic system)開始推廣，此觀念是把太陽電池與建筑物的設計整合在一起，並與傳統的電力系統相連結，如此我們就可以從這兩種方式取得電力，除了可以減少尖峰用電的負荷外，剩餘的電力還可儲存或是回售給電力公司。此一發電系統的建立可以舒緩籌建大型發電廠的壓力，避免土地征收的困難與環境的破坏。近年來，太陽電池不斷有新的結構與製造技術被研發出來，其目的不外乎是希望能降低成本，並提高效率。如此太陽電池才可能全面普及化，成為電力系統的主要來源。

太 陽 電 池 的 原 理
在1930年代發現，電解質電池照光時電流將會增加，証明瞭光生電流的現象，一直到1954年第一個硅制的太陽電池終於被製造出來，當時的效率只有6%。

太陽電池的發電原理，可以用一構造最簡單的單晶硅太陽電池來說明。所謂的單晶硅，就是指硅原子與硅原子間按照順序規則的排列。我們知道，硅(Si)的原子序為14，其電子組態為1s2 2s2 2p6 3s2 3p2，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，硅原子外層的這四個電子又稱為價電子，而硅的晶體結構是屬於鑽石晶體結構(diamond crystal structure)，每個硅原子與鄰近的四個硅原子形成共價鍵，如果我們在純硅之中摻入三價的雜質原子，例如硼原子(B)，此三價的雜質原子，將取代硅原子的位置，因為硼原子只有三個價電子可與鄰近的硅原子形成共價鍵，所以在硼原子的週圍會產生一個空缺，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(carrier)，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(acceptor)，而一個摻入三價雜質的半導體，即稱為p型半導體。

同理，如果我們在純硅之中摻入五價的雜質原子，例如磷原子(P)，此五價的雜質原子，將取代硅原子的位置，因為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硅原子形成共價鍵，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(donor)，而摻了施體的半導體稱為n型半導體。

一般太陽電池是以摻雜少量硼原子的p型半導體當作基板(substrate)，然後再用高溫熱擴散的方法，把濃度略高于硼的磷摻入p型基板內，如此即可形成一p-n接面，而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(built-in potential)，此內建的電位，可驅趕在此區域中的可移動載子，故此區域稱之為空乏區(depletion region)。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。如果我們用導線將此太陽電池與一負載(load)連接起來，形成一個迴路(loop)，就會有電流流過負載，這就是太陽電池發電的原理。

太 陽 電 池 的 制 造
為了介紹太陽能電池的製造技術，我們先由最簡單的流程，即單晶硅太陽電池的製造技術談起。製程部奏則如以下所示：