中國時報 2008.12.14
光電轉換率僅3成 發展空間仍大
朱芳瑤／專題報導
今年上半年油價狂飆，世人吃足通貨膨脹的苦頭。但科學家預測，人類長久以來仰賴的石油只剩下不到50年的存量，再生能源的研究與發展勢在必行。距離地球最近的恆星─太陽，足足還有50億年的壽命，成為被寄予厚望的新能源之一。
人類對於太陽能量應用，包括太陽熱能及光電能兩部分，前者已普遍應用日常生活中，如家庭安裝太陽能熱水器，而以太陽能發電要普及運用，仍將是一大挑戰。
太陽光電能的研究就是「太陽能電池」的發展歷程，最早可以追溯自1954年，為了提供偏遠地區供電系統能源，貝爾實驗室（Bell Labs）發展出矽太陽能電池，但那時太陽電池的光電轉換效率約只有6%，非常低。一直到1969年美國太空人登陸月球前，太陽電池仍只使用在太空設備上。
1973年能源危機爆發，世界各國驚覺新能源開發的重要性，由於太陽光是取之不盡的天然能源，也可以避免能源被壟斷問題，各國於是加速發展太陽能應用科技，以減低對石化能源的依賴。
目前民眾較熟悉的太陽光電板的構成，是由一塊塊太陽電池模板組成。太陽能電池由半導體製程製造，供電原理是讓太陽電池吸收太陽光，透過電池上的p型半導體及n型半導體，將光能轉換成直流電，轉換效率依半導體材料之不同而異。由於太陽電池輸出的是直流電，若要供電給家電用品或各式電器，需經電力轉換器整流穩壓成交流電。
太陽能電池種類很多，常見的太陽能電池包括單晶矽太陽電池、多晶矽太陽電池、非晶矽薄膜型太陽電池與多元化合物型太陽能電池。
單晶矽太陽電池是目前開發最快的種類，以高純度單晶矽棒為原料。1顆單晶矽電池的光電轉換率在14%至24%，模組轉換率也有10%至14％，轉換率相對較高，技術純熟，性能也穩定。
不過，單晶矽太陽電池以晶圓的型態呈現，厚度在300微米至400微米之間，製作上要耗費許多矽，原料取得有吃緊狀況。因此，科學家致力減少矽晶太陽電池的厚度，以降低製造成本。
多晶矽太陽電池同樣以矽為材料，純度低於單晶矽，轉換效率表現較遜色，約10%至17%。但材料製程簡便、生產成本較低，因此量產及應用成長速度最快。
非晶矽薄膜型太陽能電池是在玻璃基板上沈積厚為0.1微米的矽薄膜，由於厚度僅矽晶型的1%，矽材料消耗很少，成本相對低，但缺點是轉換效率較差，約8%。
多元化合物型的太陽能電池，意指非使用單一元素半導體材料製成，如砷化鎵太陽電池，但這類型電池能量轉換效率雖然最高可達30%，但生產成本過高，大多數尚未工業化生產。
目前市面上應用最普遍的仍屬單晶矽、多晶矽太陽電池，市場占有率在90%以上。工研院太陽光電科技中心主任藍崇文表示，儘管非晶矽薄膜型太陽電池相當吸引人，但發電率較差，亟待克服。若要與晶矽型的效率匹敵，薄膜型得使用雙倍以上材料，不僅成本增加，還得考慮是否有足夠的空間放置，這一點削弱了競爭優勢。
不過，非晶矽薄膜型太陽能電池的體積可塑性高，能直接鍍在玻璃及塑膠上，適合與建築物結合。例如，大樓外牆全鋪上薄膜型太陽電池，成為大樓的獨立供電系統已是可預期的趨勢；目前部分民生消費品也可見到非晶矽薄膜太陽電池的蹤影，如計算機、手錶、搖頭娃娃與玩具等。
太陽能電池種類繁多，但發展50多年，轉換效率仍停留在20、30%以內，代表其他70、80%的太陽能無法被人類利用，如何提升太陽光電的轉換效率，始終是科學家要突破的關鍵問題。
清華大學物理系教授戴明鳳說，要提升太陽電池的轉換效率，可從幾個方向著手，包括尋找更適當的半導體材料，或改善電池吸收層、減少光的反射量，好讓大部分入射陽光都能進入半導體材料中，進行光電轉換。