光電轉換率僅3成 發展空間仍大

科學報導

中國時報 B4/科學周報 2008/12/14

【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 La bs)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1 4%,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。