太阳电池的材料

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太阳辐射之光谱，主要是以可见光为中心，其分佈范围从0.3微米 (μm)之紫外光到数微米之红外光为主，若换算成光子的能量，则约在0.4 eV(电子伏特)到4eV之间，当光子的能量小於半导体的能隙(energy bandgap)，则光子不被半导体吸收，此时半导体对光子而言是透明的。当光子的能量大於半导体的能隙，则相当於半导体能隙的能量将被半导体吸收，產生电子-电洞对，而其餘的能量则以热的形式消耗掉。因此製作太阳电池材料的能隙，必须要仔细地选择，才能有效地產生电子-电洞对。一般来说，理想的太阳电池材料必须具备有下列特性： 1、能隙在1.1eV到1.7eV之间。
2 d1 U8 F& C9 j: F) ?/ b; U6 V9 O2、直接能隙半导体。
* |3 z- ]' K5 ~1 q: b3、组成的材料无毒性。
4、可利用薄膜沉积的技术，并可大面积製造。
5、有良好的光电转换效率。
6、具有长时期的稳定性。
    我们知道硅的能隙为1.12eV，且硅为间接能隙半导体，它对光的吸收性不好，所以硅在这方面并非是最理想的材料，但是在另方面，硅乃地球上蕴含量第二丰富的元素，且硅本身无毒性，它的氧化物稳定又不具水溶性，因此硅在半导体工业的发展，已具有深厚的基础，目前太阳电池仍旧以硅为主要材料。
    硅原子依据不同的结晶方式，可区分成单晶硅、多晶硅及非晶硅。单晶硅的组成原子均按照一定的规则，週期性的排列，它的製作方法是把硅金属(纯度为99.999999999%，11个9)熔融於石英坩堝中，然后把晶种(seed)插入液面，以每分鐘转2~20圈的速率旋转，同时以每分鐘0.3~10毫米(mm)的速度缓慢的往上拉引，如此即可形成一直径4~8吋单晶硅碇(ingot)，此製作方法称为柴氏长晶法(Czochralski Method)。用单晶硅製成的太阳电池，效率高且性能稳定，目前已广泛应用於太空及陆地上。
' F5 K" ?4 [: O8 F2 e    多晶硅的硅原子堆积方式不只一种，它是由多种不同排列方向的单晶所组成。多晶硅是以熔融的硅铸造固化製成，因其製程简单，所以成本较低。目前由多晶硅所製作出的太阳电池產量，已经逐渐超越单晶硅的太阳电池。
2 W$ X  x1 r' R7 c& D9 y0 X3 W    非晶硅乃是指硅原子的排列非常紊乱，没有规则可循。一般非晶硅是以电浆式化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，简称PECVD)，在玻璃等基板上成长厚度约1微米(μm)左右的非晶硅薄膜，因为非晶硅对光的吸收性比硅强约500倍，所以对非晶硅而言只需要薄薄的一层就可以把光子的能量有效的吸收。而且不需要使用价格昂贵的结晶硅基板，改採用价格较便宜的玻璃、陶瓷或是金属等基板，如此不仅可以节省大量的材料成本，也使得製作大面积的太阳电池成为可能(结晶硅太阳电池的面积受限於硅晶圆的尺寸)。当非晶硅太阳电池刚被发明时，由於具有低成本、製作简易且可大面积製造等优点，有学者预言将有可能取代结晶硅太阳电池，因此曾经引起厂商的兴趣投入生產，从1985年到1990年初期非晶硅太阳电池的比例曾经到达全世界太阳电池总量的三分之一。但是近几年非晶硅太阳电池的生產比例有逐渐下滑的趋势，影响非晶硅太阳电池发展的主要因素就是稳定度的问题。由於非晶硅材料在强烈的光线照射下，将会產生缺陷而导致电流下降(即所谓的Staebler-Wronski效应)，发生供电不稳定的问题。虽然目前有人採用双重接面(a-Si/a-SiGe)电池来提升它的稳定度，但是，对於消费者的接受度上，仍有值得努力发展的空间。
    除了上述以硅为主的太阳电池材料外，还有各种不同的化合物半导体材料陆续被研发出来。主要的材料有：GaAs、GaInP、InGaAs、CdTe、CuInSe２(CIS)、CuInGaSe２(CIGS)等。这些材料所製作出的太阳电池都有很高的效率，但是因为製程的成本较高，所以只有应用於少数特殊的用途。
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