最近几年地球暖化问题与可携式电子产品对电池电容量的需求不断提高，利用太阳能产生电能的太阳能光电板，理论上只要有光线就能提供源源不绝的永续电力，因此太阳能光电板最近几年成为国外各大研究机构嘱目的焦点。

有鉴于此本文将深入探讨薄膜μc-Si、化合物半导体，以及色素增感太阳能光电板的发展动向，同时介绍太阳能光电板的标准输出量测方法。

动作原理

太阳能光电板英文称为photovoltaics，简写成PV。由于光电板是利用光线照射半导体产生电能，因此一般中文简称为太阳能光电板或是光电电池（以下简称为光电板）。它的动作原理是光线照射半导体p-n时，半导体内部会产生电子-正孔对，当电子流入n端，正孔对流入p端时，半导体就会产生光激发电力。目前实用化的光电板可分为单结晶硅与多结晶硅两种。(图一)是光线照射时光电板的电流-电压特性，由图可知光电板的输出，随着动作点出现很大差异，而动作点则随着负载阻抗改变。利用调整负载阻抗取得的最大输出，进行能量转换时的转换效率η可用下式表示:

《公式一》

以15cm正方薄膜硅光电板而言，它的光电转换效率大约是15～18％，可输出7.2A的电流，0.5V的电压，亦即3.6W的电力。(图二)是由非结晶硅（amorphous silicon）的top cell，与非结晶硅（silicon）的bottom cell构成的混载型薄膜硅光电板的结构，它是利用电浆CVD制作，360cm2大小的光电转换效率大约是12％。

《图一 光线照射时光电板的电流-电压特性》

薄膜硅μc-Si太阳能光电板

首先要介绍小面积单接合（single cell）第一代薄膜μc-Si太阳能光电板的制作与基础物性。光活性层（i层）薄膜μc-Si是利用平行平板型容量结合电浆CVD，以140～220℃的基板温度长膜，SiH4原料气体的氧气稀释、高结晶化比率种层，以及利高能量离子抑制冲击都可以有效促进结晶化。90年代开始μc-Si的长膜已经采用60～100MHz VHF带宽激发与降低不纯物氧气等新技术制作。

a-Si的标准制程是利用13.56MHz频率激发长膜，由于它是使用VHF频率所以可以降低放电电浆的电子温度，同时可以有效抑制高能量离子造成的冲击。有关长膜后的μc-Si膜层结构，基本上除了提高结晶化比率之外，（110）配向性也呈现提高倾向，加上气体分解也能够促进长膜速度，因此μc-Si的膜厚通常会比a-Si更厚。

《图二 混载型薄膜硅光电板的结构》

优势

μc-Si长膜的最大优势为高压枯竭领域的长膜，利用高能量离子抑制冲击与提高长膜速度，可获得很大的实质效益。施加于原料气体的电力条件，随着过剩的氢稀释与投入电力的高能量离子的增加，结晶化比率亦随着增加，不过电气特性则呈降低倾向，因此SiH4＋Ｈ2混合气体中的SiH4浓度，通常会使用4～5％稀释氢。

(图三)是太阳能光电板i层用μc-Si薄膜的断面穿透电子显微镜照片，由照片可知结晶初期100～200nm领域具有非结晶相（amorphous；简称为a相），而结晶相是从底部n层呈圆锥状扩散长晶，其它领域则无明显的非结晶相（a相），树枝状的结晶相之间出现因转位形成的粒界，一般认为从底部n层（或是p）长晶方向制作无空隙（void），与非结晶相的连续性结晶粒，是获得良好光电流特性的重点。

检测方法

检测μc-Si的巨视结构，通常是使用X线绕射与Raman散乱方法。X线绕射法显示（110）优先配向，（110）/（111）绕射积分强度比为3；（110）配向结晶粒的平均粒径大约是10～30nm。由于结晶粒呈异方性柱状结构，而且粒径分布相当散乱，因此X线绕射法无法作平均粒径的分析，相形之下绕射强度比却是可信度相当高的指数。利用Raman散乱频谱（spectrum）求得的结晶化比率Xc大约是50％，不过却无法从图三的断面图清楚观察膜层上方的非结晶相。值得一提的是Xc为探讨膜层结构时非常重视的半定量性指数。

有关膜内缺陷密度为10-16cm-3，它是由（110）的结晶粒界，是由（111）方向具备主轴与非异方性的隋意非结晶（random amorphous）两种特性的物质构成，不过（110）结晶粒界缺陷的电气性活性度很低，利用红外吸收求得的膜内氢浓度大约是5％，比非结晶硅（a-Si）更低。

有关（110）配向μc-Si薄膜的光学电气特性，即使利用相同条件在玻璃基板上制作不同膜厚，它的构造特性几乎完全相同，所以评鉴复数实验结果时必需格外谨慎。光线吸收频谱若考虑光线封闭效果时，除了1.8eV（电子伏特）以上高能量领域会产生微小差异之外，一直到1.1eV附近，几乎与单结晶硅的光线吸收频谱相同；此外造成结晶相的1.1～1.8eV领域的光线吸频谱，几乎不受膜层结构影响结果完全相同，不过1.1eV以下的sub gap领域，会显示膜层的配向性与0.8eV时的光线吸收系数具有关连性。

探讨太阳能光电板的μc-Si膜层载子（carrier）输送时，由于粒径与缺陷密度的差异，因此包含bulk在内的热平衡系μc-Si模式（model）并不适用，加上上述柱状结晶构造，因此载子输送在长膜纵向与面内横向会显示异方性。此外与光电板相同纵向的载子输送特性，由于电极与i层μc-Si之间的奥姆接触非常困难，所以必需使用交流导电率量测法检测。室温时μc-Si纵向的交流导电率会呈现10-6～10-９Scm-1热活性型的温度特性，根据活性化能量推测Fermi准位，可以确定的是band gap中央位置是真性半导体。此外由于结晶构造与不纯物氧气的混入，μc-Si膜层很容易n型化造成不均匀电界，最后导致开放电压Voc与光电板性能降低。

《图三 μc-Si薄膜的断面穿透电子显微镜图》

如(图四)所示，通常μc-Si薄膜太阳能光电板采用pin结构，基本上μc-Si光电板是由玻璃或是不锈钢基板、ITO透明导电膜、p/n层构成。依照长膜顺序μc-Si光电板可分为基板/pin super straight type，与sub straight type两种，不过不论哪种型式都是p层入光。小面积cell如果采用基板/pin构造，它的转换效率比基板/nip结构低1％；大面积模块基于积体化作业性考虑，一般是采用基板/pin结构，不过i层膜厚必需配合成本与用途，因此厚度大约是1.5～3.0μm左右。此外采用基板/pin构造时，还需作光线密闭设计。μc-Si系太阳能光电板的分光感度光偏压（bias）相关性（亦即无变调光照射强度）与温度特性，则与bulk结晶硅太阳能光电板相同。

《图四 太阳能光电板的结构与照射时的电流-电压特性》

结晶半导体构成的太阳能光电板，目前只有低温非热平衡系μc-Si会采用pin接合而不是pn接合，其结果造成i层全领域可以产生均匀电界，并扩散至光生成载子内部，该现象对drift输送机构非常有帮助，事实上这也是造成小粒径可获得大开放电压的原因之一。至于哪一方的输送机构为支配性，则随着膜层的结晶性、载子的所在位置（粒子内或是粒界）、膜厚，以及动作时的电压改变，换句话说光电膜层的结晶性是随着膜厚改变。(图五)是i层结晶性相异的太阳能光电板的短路光电流Jsc与Voc特性，由图可知随着Raman结晶化比率的增加，（110）优先配向性与（110）结晶粒径有增加倾向，一般而言随着结晶粒径的增加，Ｖoc也会增加，不过图五却出现象反结果，主要原因是高结晶化比率的μc-Si，会因n型化造成i层内的电界不均匀出现上述现象，这意味着i层内的载子传输会受到结晶粒内载子再结合速率的约束。由于平均粒径100nm以下的非热平衡系μc-Si太阳能光电板的开放电压，可以与平均粒径1nm左右非热平衡系μc-Si太阳能光电板抗衡，依此推论可能是低温长膜时，由于B与P的扩散受到抑制，因此理论上可以形成pin接合，此外混入的氧气等不纯物的非活化性，也会导致结晶粒界的载子再结合速度大幅降低，进而造成Raman结晶化比率增加，（110）优先配向性与（110）结晶粒径却出现增加的怪异现象。

《图五 i层结晶性相异的太阳能光电板的短路光电流Jsc与Voc》

有关降低i层膜厚的方法，可以利用光生成载子再结合损失的抑制，进而提高开放电压，此外属于间接迁移的Si，薄膜时在红外领域不具充分的光吸收特性，因此必需利用光散乱与多重反射使光线封闭。传统薄膜μc-Si系太阳能光电板，是利用（110）优先配向膜的自然形成结构（texture）进行光线封闭；a-Si的场合，如(图六)所示它可利用SnO2膜层结构（texture）方式使光线封闭，虽然这种方式使结构上会损坏μc-Si膜层的结晶性，不过对极端的texture却非常有效，因为它可以使drift输送变大，同时还可以获得较大的光电流，所以比较适合应用于tandem构造的光电板；a-Si/μc-Si tandem结构，可在a-Si/μc-Si之间插入低折射率中间层，利用折射率差将光线封闭于a-Si端。有关长膜速度一般为6mm/s，如果改善放电电极的设置位置，在超过3～7Torr所谓的高压枯竭领域进行glow放电的话，理论上长膜速度可达2～3mm/s，转换效率为8％，即使面积为801.6cm2的tandem module，长膜速度也有2mm/s，初期效率为13.1％。

《图六 具有texture结构的基板原子间力显微镜表面照片》

＜注：由于太阳能光电板的光学反射频谱texture结构，造成红外领域的散乱与反射受到抑制，因此可以获得充分的光线封闭效果，不过在极端的texture，Jsc反而会降低。＞

实际制作时60～100MHz VHF带宽，对低电子温度与低离子能量化非常有利，不过对1mm正方的光电板制作设备而言，波长会变成1.5～2.5m，由于波长太过狭窄，因此必须利用梯型（Ladder Type）电极以分割方式提供VHF电力。1994年低温长膜薄膜型μc-Si太阳能光电板的量产技术大致底定，至今历经十年左右的应用摸索，最近大型模块已经进入量产阶段，一般认为薄膜型μc-Si太阳能光电板，今后会继续在改善长膜技术领域上发展。

化合物半导体太阳能光电板

利用元素周期表Ⅲ族元素镓（Ga）、铟（In），与Ⅴ族元素磷（P）与砒（As），亦即所谓的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体制成的光电板，统称为化合物半导体太阳能光电板。由于GaAs与InP太阳能光电板具备高效率抗放射线等特性，所以广泛应用在宇宙航天等领域。

目前航天用Ⅲ-Ⅴ族光电板的价格相当昂贵，随着薄膜型μc-Si光电板的材料与制作技术进步，未来化合物半导体光电板有可能成为继第一代结晶硅、第二代薄膜型μc-Si光电板之后，可以低价大量生产的第三代太阳能光电板。

化合物半导体光电板与第一代结晶硅光电板比较时，具备以下特征：

高光电转换效率

太阳能光电板的光电转换理论效率，取决于半导体的禁止带宽。依照与太阳光频谱整合的观点而言，具备1.4～1.5eV禁止带宽的半导体，都可成为高效率太阳能光电板的材料。

若与禁止带宽为1.1eV的Si比较，具备1.42eV的GaAs与1.35eV的InP等化合物半导体，可望发挥单接合cell，光电转换效率为26～28％的特性。

高光线吸收系数适合薄膜化

由于半导体硅属于间接迁移型能量带结构，因此光线吸收系数很低，为充分吸收光线能量，所以光电板的膜层厚度必需大于100μm；相较之下许多化合物半导体属于直接迁移型能量带结构，而且光线吸收系数很大，换言之化合物半导体光电板的膜层厚度只需数μm即可，这意味着光电转换理论效率很高，同时还可以有效降低材料与制作时的消费电力。

具备高抗放射性特性

由于化合物半导体光电板属于间接迁移型能量带结构，而且动作领域非常狭窄，因此少数载子的扩散长度很短，同时还具备抗放射性特性，这也是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体光电板可以广泛应用在宇宙航天的主要原因。

极佳的温度特性，可利用镜片集光

禁止带宽比半导体硅更大的化合物半导体，即使在高温环境下动作它的暗电流变化非常小，光电转换效率减少也相对偏低，这意味着化合物半导体集光动作时不易受温升影响，可作1000倍以上高集光动作。

利用波长感度宽带化，可以获得高效率化

藉由各种半导体的组合，可以使波长感度宽带化进而获得高效率化目的。利用禁止带宽相异的复数太阳电池层的堆栈形成多接合（tandem）结构，例如2接合、3接合cell的非集光动作，它的光电转换效率分别是36％与42％。

(图七)是非集光与集光型化合物半导体太阳能光电板的光电转换效率，与接合数的互动关系，图中的光电转换效率分别是理论计算值与实测值两种。

《图七 非集光与集光型化合物半导体太阳能光电板的光电转换效率，与接合数的互动关系》

如(图八)所示提高化合物半导体的结晶质量，是提高少数载子寿命的基本原理。有关组件结构的未来技术动向，为有效解决半导体表面的表面再结合特性，因此组件结构从Homo接合、Heteroface结构，逐渐朝DH（Double Hetero）接合结构方向发展。

50年代的GaAs光电板的表面再结合速度为106～107cm/s，这种利用热扩散的pn接合制成的光电板，它的光电转换效率只有6.5％。70年代IBM等公司利用结晶表面的载子再结合特性，以AlGaAs window lay效应制作AlGaAs-GaAs Heteroface cell，Homo p-n接合结构为获得20％以上的光电转换效率，因此接合深度必需低于50nm；相较之下Heteroface结构，由于插入禁止带宽很大的window lay，因此可以大幅提高接合深度的设定自由度，同时还可以获得高效率化等效益。

美国麻省理工学院使用大禁止带宽的材料，挟持p-n接合的两侧形成DH接合结构，试图藉此单一接合cell获得高效率化效益，由于DH接合结构具备Heteroface结构特有的window lay效应，因此一般认为它可以发挥背面电界效应。日本住友电工在GaAs基板上制作大小为25cm2的DH接合结构cell，光电转换效率为26％。传统太阳能光电板大多使用液相epitaxy（LPE）长膜法制作，目前则以可作多层大面积长膜的有机金属气相（MOCVD）长膜法为主。

《图八 GaAs单接合太阳能光电板的光电转换效率与少数载子寿命的相关性》

26～28％是单接合cell的光电转换效率最大限度，超过该限度的高效率化必需借助太阳光的频谱。(图九)是利用太阳光频谱与多接合结构的太阳能光电板材料扩大波长感度带宽构想图。太阳光频谱的波长0.3μm到2μm，GaAs单一接合cell只能利用0.4μm到0.85μm的波长，以3接合cell为例，如图九所示最上层InGaP的top cell可以涵盖0.3μm到0.65μm的波长，中间GaAs middle cell可以涵盖0.65μm到0.85μm的波长，最下层Ge的bottom cell可以涵盖0.85μm到1.8μm的波长，光电转换效率可望达到42％。

《图九 利用太阳光频谱与多接合结构的太阳能光电板材料，扩大波长感度带宽构想图》

有关多接合结构太阳能光电板的研究，NREL（National Renewable Energy Laboratory）利用高质量InGaP top cell材料取代AlGaAs，制成单片（monolithic）多接合cell；日本能源与住友电工、丰田工大共同开发的InGaP/GaAs/InGaAs 3接合cell太阳能光电板，光电转换效率更达到全球最高的33.3％，(图十)是上述3接合cell的构造与电流-电压特性。

多接合cell的top cell材料，InGaP与bottom cell材料InGaAsP的放射线劣化问题，

可利用太阳光照射与顺向偏压（bias）少数载子的注入获得复原。目前InGaP/GaAs/Ge 3接合cell宇宙航天用太阳能光电板已经进入商品应用，包含InGaP/GaAs/Ge 2接合与3接合cell的Ⅲ-Ⅴ族化合物，宇宙航天用太阳能光电板的年产量大约是1MW左右。

利用镜片与反射镜的光电板集光技术，除了可以提高光电板的光电转换效率，同时还可以大幅削减材料的使用量，加上它的低成本、省能源特性因此未来发展备受重视，尤其对高单价大面积Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体构成的超高效率光电板有很大的帮助。随着集光时的温升会造成效率降低硅cell大幅减少，因此1000倍左右的高集光动作备受期待，因为如此一来不但可以解决原料不易取得的困扰之外，对抑制成本也有正面效益。(图十一)是各种太阳能光电板的发电成本比较。

《图十一 各种太阳能光电板的发电成本比较》