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太陽輻射的光譜主要是以可見光為中心，波長從 0.3
微米的紫外光到數微米的紅外光是主要的分布範圍。如果換算成光子的能量，則大約在
0.3 到 4
電子伏特之間，因此能隙大小在這個範圍內的材料，像矽材，會具有比較好的光電轉換效率。 矽系太陽能電池的材料，主要可以分為單晶矽、多晶矽和非晶矽 3 大類。在單晶矽的材料中，矽原子具有高度的周期性排列。目前，成長單晶矽最重要的技術是利用柴氏長晶法，把高純度的多晶矽熔融在坩鍋中，再把晶種插入矽熔融液，用適當的速率旋轉並緩慢地往上拉引做成矽晶柱，然後再把晶柱加以切割，就可以得到單晶矽晶圓。 至於多晶矽是指材料由許多不同的小單晶所構成，它的製作方法是把熔融的矽鑄造固化而形成。而非晶矽則是指整個材料中，只在幾個原子或分子的範圍內，原子的排列具有周期性，甚至在有些材料中，根本沒有周期性的原子排列結構。它的製作方法通常是用電漿式化學氣相沈積法，在基板上長成非晶矽的薄膜。由於材料的晶體結構不同，因此，用不同的材料設計出太陽能電池時，它們的光電特性也會有所不同。 一般來說，單晶矽太陽能電池的光電轉換效率最高，使用年限也比較長，比較適合於發電廠或交通照明號誌等場所的使用。世界上，生產太陽能電池的主要大廠，例如德國的西門子及日本的夏普公司，都以生產這類型的單晶矽太陽能電池為主。 至於多晶矽太陽能電池，因為它的多晶特性，在切割和再加工的手續上，比單晶和非晶矽更困難，效率方面也比單晶矽太陽能電池的低。不過，簡單的製程和低廉的成本是它的最重要特色。所以，在部分低功率的電力應用系統上，便採用這類型的太陽能電池。對於非晶矽的太陽能電池來說，由於價格最便宜，生產速度也最快，所以非晶矽太陽能電池也比較常應用在消費性電子產品上，而且新的應用也在不斷地研發中。 太陽能電池除了可以選用矽材料外，還可以採用其他的材料來製作，例如碲化鎘、砷化鎵銦、砷化鎵等化合物半導體的材料，也可以製作高效率的太陽能電池。但是，因為這些材料的成本比較高，製成的元件只適用在一些比較特殊的應用上。 |
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| 讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池，來說明太陽能電池的光起電力原理。首先由材料方面談起，矽是現在各種半導體產業中最重要，而且使用最廣泛的電子材料。它的來源是矽砂（二氧化矽），原料取得很容易，成本也比較低。 在元素周期表裡，矽的原子序是 14，晶體是鑽石結構，屬於第 IV 族元素。所謂的第 IV 族元素，是指在它的外層電子軌域上，有 4 個電子環繞原子核運行，而這 4 個電子又稱為價電子。每個矽的 4 個外層電子，分別和 4 個鄰近矽原子中的一個外層電子兩兩成對，形成共價鍵。 N 型半導體：如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子，例如磷原子，這個雜質原子會取代矽原子的位置。但是，當擁有 5 個價電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價鍵的時候，會多出 1 個自由電子，這個自由電子是一個帶負電的載子。我們把這個提供自由電子的雜質原子稱為施體，而摻雜施體的半導體就稱為 N 型半導體。 P 型半導體：同樣地，如果在純矽中摻入三價的原子，例如硼原子，這個三價的雜質原子會取代矽原子的位置。但因為硼原子只可以提供 3 個價電子和鄰近的矽原子形成共價鍵，因此會在硼原子的周圍產生 1 個空缺，這個空缺就被稱作電洞，這電洞可以當成一個帶正電的載子。通常，我們把這一個提供電洞的雜質原子稱作受體，同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體。 當 P 型及 N 型半導體互相接觸時，N 型半導體內的電子會湧入 P 型半導體中，以填補其內的電洞。在 P-N 接面附近，因電子－電洞的結合形成一個載子空乏區，而 P 型及 N 型半導體中也因而分別帶有負、正電荷，因此形成一個內建電場。當太陽光照射到這 P-N 結構時，P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電洞對。由於空乏區所提供的內建電場，可以讓半導體內所產生的電子在電池內流動，因此若經由電極把電流引出，就可以形成一個完整的太陽能電池。 |
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| 技術突破：提高光電轉換效率 不過近來在太陽能電池的效率方面有一些技術上的突破，可能為太陽能的利用開闢廣闊的前景。有專家認為，在不久的將來，高效、廉價的太陽能電池可能廣泛用於手機、電腦、車輛、住房和辦公室。 --塑料電池 塑料也能導電？不錯，加州大學聖巴巴拉分校的希格(Alan J. Heeger)不僅是導電塑料的發明者之一，還因此獲得了2000年的諾貝爾獎。希格現在再接再厲，開發了太陽能塑料電池。 希格表示，通過對鈦氧層的化學改進等方法，將來的太陽能塑料電池的效率可以達到15%。希格和他的同事們已經研製了效率為5%到6%的塑料電池，據信這在同類電池中已經是最高的了。 塑料電池的關鍵在於一種導電的聚合物，研究人員正在用它來開發廉價、高效、耐用的太陽能設備。改進後的塑料電池用途講十分廣泛。 --可作為玻璃塗層的薄膜電池 瑞士研究人員開發了一種超薄燃料敏感型太陽能電池，其能源實用效率創造了太陽能電池的新高。 太陽能電池的技術關鍵在於納米級的半導體晶體。在實驗條件下，這種超薄的二氧化鈦膜能量實用效率達到了11%，而一般的太陽能新電池的效率只有4%到5%。 這類薄膜光敏設備的用途很光。據瑞士聯邦技術學院的化學家格雷策爾(Michael Graetzel)介紹說，可以將電池做成可彎折的薄膜，作為窗戶玻璃的塗層，從而為家居何辦公提供電力。如果作為帳篷表面的塗層，就可以為野外作業的人或士兵提供能源。 可以預見，薄膜電池將廉價和方便性整合在一起，前景是廣闊的。研究人員估計，在兩到三年內，消費者就可以在市場上見到薄膜型太陽能電池。 --碳納米管電池 另一種可以提高太陽能電池效率的技術是碳納米管技術。據美國諾特丹姆(Notre Dame)大學的科學家報告說，他們用碳納米管制作成的半導體太陽能電池可將光能量轉換效率提高一倍，達到10%。 碳納米管半導體結構包括硫化鉻、氧化鋅和二氧化鈦等物質。據化學家卡馬特(Prashant Kamat)介紹說，碳納米管技術也可以添加在其他類型的太陽能電池中，例如染料敏電池或有機太陽能電池(它們的共同點在於利用導電聚合物)，從而提高效率。 --設計新思路：構造立體化 如何儘可能高效率的將光轉化成電能是太陽能電池技術發展的核心。一種新的思路尤然而生，這就是立體化的構造設計。 你見到過曼哈頓的摩天大樓嗎？立體化太陽能電池是由一排排「塔結構」碳納米管構成。這些碳納米管的橫截面為40微米見方，高100微米，間距10微米。傳統設計的太陽能電池會反射大量的陽光，這是光能轉換效力低下的主要原因之一。新的立體化設計可以將光線舒服在「塔結構」之間並提高對光能的吸收。美國佐治亞理工學院的工程師萊迪(Jud Ready)的話說，這種設計的目的就在於儘可能的吸收每一個光子。 另外，傳統的設計有很厚的塗層。立體化設計由於使光子吸收效率的增加，表面塗層的厚度就可以相應減少，從而使電子釋放的速度加快，進而光子轉換為電子的效率也同時增加。研究人員還介紹說，新的設計還能減少電池的大小、重量和機械複雜性。 |
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