太陽電池

　　太陽電池自1954年由貝爾實驗室和RCA公司幾位傑出的科學家發明問世以來，終於在今天因為石油價格一再攀升與環保意識逐漸高漲而成為一個新興的光電產業。太陽電池無疑是再生能源中最佳的選擇，現今的產品規格與製造成本還有很大的空間可以推展，材料與元件技術的研發將會是太陽電池產業決勝的關鍵。現今在風起雲湧的建廠潮流中，需才孔急，產學研單位也多方進行量產和前瞻性的研究。

　　本書從基本原理到各種不同材料所製成的太陽電池均涵蓋在內。書中的章節由導論開始，先介紹太陽電池元件的運作原理與設計，再分別就結晶矽材料之製備、單晶矽與多晶矽太陽電池、非晶矽太陽電池、化合物半導體太陽電池(包括III-V、II-VI、I-III-VI等)、新型太陽電池(含染料敏化電池、有機材料、Hybrid、量子點結構)等分章介紹，期能藉由多面向的材料製程與元件設計理念，讓讀者了解太陽電池研發過程的全貌。

本書特色

作者是學術界及產業界名人
本書受各界關注許久

作者簡介

黃惠良

現職：國立清華大學電機工程學系暨電子工程研究所教授
學歷：美國布朗大學電機博士

蕭錫鍊

現職：東海大學物理系副教授
學歷：清華大學電機博士

周明奇

現職：中山大學材料與光電科學學系副教授
學歷：中佛羅里達大學電機博士

林堅楊

現職：雲林科技大學電子工程研究所教授
學歷：美國南加州大學電機博士

江雨龍

現職：國立中興大學電機工程學系副教授
學歷：國立清華大學電機博士

曾百亨

現職：中山大學材料與光電科學學系教授
學歷：美國伊利諾大學材料博士

李威儀

現職：國立交通大學電子物理系教授
學歷：美國威斯康辛大學電機博士

李世昌

現職：晶元光電股份有限公司 研發處 副處長
學歷：國立交通大學電子物理博士

林唯芳

現職：國立台灣大學材料科學與工程研究所教授
學歷：美國麻州大學高分子博士

第一章導論001
1.1太陽電池為什麼那麼重要？002
1.1.1市場前景002
1.1.2給小朋友的一段話005
1.2太陽電池發展的一些小（但很重要）的故事006
1.2.1太陽電池在美國的故事（也是J. J. Loferski的故事）006
1.2.2太陽電池在臺灣的故事007
1.3臺灣太陽電池產業之緣起與挑戰008
1.3.1臺灣太陽電池產業之發軔008
1.3. 2臺灣太陽電池產業的挑戰008
1.4太陽電池技術總論與評價009
1.5太陽電池產業未來致勝的策略013

第二章半導體太陽電池元件原理015
2.1前言016
2.2半導體物理基礎019
2.2.1晶體結構020
2.2.2電子能帶結構024
2.2.3能態密度及載子統計分布033
2.2.4施子（donor）與受子（acceptor）039
2.2.5光吸收046
2.2.6載子復合054
2.2.7傳導及擴散069
2.3太陽電池基本原理078
2.3.1p-n接面二極體080
2.3.2少數載子擴散方程式087
2.3.3太陽電池的邊界條件090
2.3.4載子產生率094
2.3.5電極端點特性098
2.4太陽電池特性與效率108
2.4.1電流－電壓特性108
2.4.2生命期與表面復合效應116
2.4.3效率與能隙關係120
2.4.4頻譜響應123
2.4.5寄生電阻125
2.4.6溫度效應133
2.5結語134
參考文獻135

第三章結晶矽材料之製備137
3.1前言138
3.2單晶矽的生長（Growth of Single Crystal Silicon）138
3.2.1柴式提拉法（Czochralski pulling technique, CZ）138
3.2.2浮區法（Floating zone technique, FZ）143
3.3多晶矽的生長（Growth of Polycrystalline Silicon）145
3.3.1坩鍋下降法（Bridgman-Stockbarger method）145
3.3.2澆鑄法（Casting method）148
3.3.3熱交換法（Heat Exchange Method, HEM）149
3.3.4限邊薄片狀晶體生長法（Edge-defined film fed growth, EFG）153
3.4結語160
參考文獻161

第四章單晶矽太陽電池163
4.1前言164
4.2電池結構設計考量166
4.2.1半導體材料的考量166
4.2.2光譜響應的考量166
4.2.3淺接面的考量167
4.2.4抗反射層（Antireflection Coating）的考量167
4.2.5表面鈍化（Surface Passivation）的考量168
4.2.6粗糙化（Texture）結構的考量169
4.3高效率單晶矽太陽電池常見種類170
4.4射極鈍化背面局部擴散（Passivated-Emitter and Rear-
Locally diffused, PERL）太陽電池170
4.5埋入式接點太陽電池（Buried-Contact Solar Cell, BCSC）172
4.6格柵（Grating）太陽電池174
4.7HIT（Heterojunction with Intrinsic Thin layer）太陽電池175
4.8背面接點（Back Contact）太陽電池176
4.9點接觸（Point-contact）太陽電池178
4.10OECO（Obliquely Evaporated Contact）太陽電池179
4.11金屬絕緣層半導體（Metal-Insulator-Semicon-ductor,MIS）太陽電池180
4.12網版印刷（Screen Printing）太陽電池182
4.13單晶矽太陽電池之應用183
4.14結語193
參考文獻194

第五章多晶矽太陽電池197
5.1前言198
5.2多晶矽太陽電池的結構考量199
5.2.1光封存（Light Trapping）技術199
5.2.2堆疊結構（Tandem Structure）202
5.2.3多晶矽的氫鈍化（Hydrogen Passivation）203
5.2.4多晶矽的雜質吸附（Gettering）205
5.2.5多晶矽薄膜沉積技術206
5.3塊材多晶矽太陽電池208
5.3.1塊材多晶矽太陽電池的表面粗糙化208
5.3.2電池製程與特性215
5.4薄膜多晶矽太陽電池217
5.4.1表面粗糙/背反射面強化吸收（NSTAR）太陽電池217
5.4.2p-i-n堆疊式（p-i-n tandem）太陽電池222
5.5多晶矽太陽電池之應用226
5.6結語228
參考文獻229

第六章氫化非晶矽太陽電池235
6.1前言236
6.2氫化非晶矽薄膜的製作237
6.2.1a-Si:H薄膜沉積239
6.3氫化非晶矽薄膜的特性240
6.4氫化非晶矽太陽電池原理248
6.5氫化非晶矽太陽電池製作249
6.5.1氫化非晶矽太陽電池的優缺點255
6.6結語261
參考文獻262

第七章II-VI及I-III-VI族化合物半導體太陽電池267
7.1前言268
7.2II-VI和I-III-VI化合物半導體的材料特性269
7.2.1II-VI族化合物269
7.2.2I-III-VI2族化合物271
7.3II-VI族半導體太陽電池274
7.3.1CdTe薄膜製程275
7.3.2CdTe的電性與元件製程275
7.3.3CdTe薄膜太陽電池的未來發展280
7.4I-III-VI2族半導體太陽電池281
7.4.1CuInSe2之薄膜製程283
7.4.2CIGS高效率太陽電池的元件結構288
7.4.3CIGS太陽電池模組的量產製程291
7.4.4CIGS薄膜太陽電池的未來發展295
7.5結語300
參考文獻301

第八章III-V族半導體太陽電池303
8.1前言304
8.2III-V族太陽電池的應用306
8.2.1在衛星上或是太空中使用306
8.2.2地表發電307
8.3太陽電池相關之III-V族半導體材料與磊晶技術308
8.3.1III-V族半導體材料簡介308
8.3.2太陽電池相關之III-V族半導體材料310
8.3.3III-V半導體材料的磊晶方法介紹313
8.4單一接面III-V族半導體太陽電池321
8.4.1各種單一接面太陽電池所使用之材料321
8.4.2單一接面GaAs太陽電池323
8.4.3用於聚光模組的GaAs太陽電池329
8.5多接面疊合之III-V族半導體太陽電池331
8.5.1多接面太陽電池的理論331
8.5.2多接面太陽電池的分光方式與電能取出設計332
8.5.3雙接面太陽電池：理想的能帶隙的選擇與從實際半導體材料觀點考量335
8.5.4機械疊合雙接面太陽電池的例子：GaAs/GaSb雙接面太陽電池336
8.5.5串聯、兩電極端點的單石多接面太陽電池337
8.5.6GaInP2/GaAs/Ge三接面太陽電池341
8.6具潛力的III-V族半導體太陽電池新材料349
8.6.1利用InGaNAs材料製作GaInP/GaAs/InGaNAs/Ge四接面太陽電池350
8.6.2晶格不匹配的Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge三接面太陽電池351
8.6.3InGaN材料353
8.7結語354
參考文獻355

第九章太空用太陽電池357
9.1前言358
9.2電池結構設計考量364
9.3太空光譜考量365
9.4抗輻射強化考量367
9.5熱循環考量371
9.6高效率太空用太陽電池種類374
9.7單晶矽太陽電池375
9.8化合物太陽電池378
9.8.1砷化鎵太陽電池特性378
9.8.2單接面GaAs太陽電池381
9.8.3多接面GaAs太陽電池386
9.8.4InP太陽電池394
9.9太空用太陽電池能板398
9.9.1堅固平板型陣列398
9.9.2可撓式平板型陣列399
9.9.3可撓式薄膜型陣列399
9.9.4集中型陣列400
9.10結語400
參考文獻401

第十章新型太陽電池：染料敏化、有機、混成、量子點405
10.1前言406
10.2極高效能（>31%）新型太陽電池407
10.2.1疊層太陽電池（Tandam Cell）408
10.2.2多數電子—電洞對太陽電池（Multiple electron-hole pairs）409
10.2.3熱載子太陽電池（Hot Carrier Cells）410
10.2.4多能帶太陽電池（Multiband Cells）412
10.2.5熱光太陽電池及熱光元件413
10.3價廉大面積有機太陽電池414
10.3.1染料敏化太陽電池414
10.3.2全有機半導體太陽電池420
10.3.3高分子摻混碳六十及其衍生物之太陽電池423
10.3.4高分子摻混無機奈米粒子太陽電池426
10.3.5有機摻混材料太陽電池的效率430
10.3.6價格與成本討論432
10.3.7電池壽命討論433
10.4結語433
參考文獻434

第十一章太陽電池之經濟效益與未來展望439
11.1前言440
11.2太陽電池的經濟效益441
11.2.1現有PV系統之耗能評估442
11.2.2未來PV系統之耗能評估445
11.3太陽電池的未來展望446
11.3.1產品開發與應用446
11.3.2太陽電池的研發趨向447
參考文獻449