太陽能電池研發新進展

本文與 高柏科技 合作，泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達（NVIDIA）、Google、微軟，甚至是 Meta 的存在，究竟是什麼？答案或許並非更強大的 AI，也不是更高速的晶片，而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初，搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機，傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題，但這場「科技 vs. 熱」的對決，才剛剛開始。 

不僅僅是輝達，微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中，希望藉由洋流降溫；而更激進的做法，則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中，來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

但這些方法真的有效嗎？安全嗎？從大型數據中心到你手上的手機，散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技，一同看看如何用科學破解這場高溫危機！

運算=發熱？為何電腦必然會發熱？

這並非新問題，1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時，就提出了「蘭道爾原理」（Landauer Principle），他根據熱力學提出，當進行計算或訊息處理時，即便是理論上最有效率的電腦，還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失，系統的熵就會上升，而隨著熵的增加，也會產生熱能。

換句話說，當計算是不可逆的時候，就像產品無法回收再利用，而是進到垃圾場燒掉一樣，會產生許多廢熱。

要解決問題，得用科學方法。在一個系統中，我們通常以「熱設計功耗」（TDP，Thermal Design Power）來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說，TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量，通常以瓦特（W）為單位。也就是說，TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP，例如AMD的CPU 9950X，TDP是170W，GeForce RTX 5090則高達575W，伺服器用的晶片，則可能動輒千瓦以上。

散熱不僅是AI伺服器的問題，電動車、儲能設備、甚至低軌衛星，都需要高效散熱技術，這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料（TIM）」：提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡，散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料，而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中，晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合，表面多少會有細微間隙，而這些縫隙如果藏了空氣，就會變成「隔熱層」，阻礙熱傳導。

為了解決這個問題，需要一種關鍵材料，導熱介面材料（TIM，Thermal Interface Material）。它的任務就是填補這些縫隙，讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」，即使主線有再多車道，如果匝道堵住了，車流還是無法順利進入高速公路。同樣地，如果 TIM 的導熱效果不好，熱量就會卡在晶片與散熱片之間，導致散熱效率下降。

那麼，要怎麼提升 TIM 的效能呢？很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁，若要更高效的散熱材料，則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成：高導熱粉末（如金屬或陶瓷粉末）與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好，盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了，受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸，高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後，會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題，高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」，說是凝膠，但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄，比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK，到這裡，「匝道」的問題解決了，接下來的問題是：這條散熱高速公路該怎麼設計？你會選擇氣冷、水冷，還是更先進的浸沒式散熱呢？

液冷與 3D VC 散熱技術：未來高效散熱方案解析

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量，也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限，因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷，熱量在經過 TIM 後進入水冷頭，水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好，且增加的體積不大。唯一需要注意的是，萬一元件損壞，可能會因為漏液而損害其他元件，且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮，可以考慮另一種方案，「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義，就是把均溫板層層疊起來，變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板，原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」，直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中，會放入容易汽化的工作流體，當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化，當熱量被帶走，汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法，最大的特點是：導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻，不會有熱都聚集在入口（熱源處）的情況，能更有效降溫。

整個 3DVC 的設計，是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯，能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC，就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是，工作流體移動的過程經過設計，因此不用插電，成本僅有水冷的十分之一。但相對的，因為是被動式散熱，其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC，高柏科技一直致力於不斷創新，並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積，高柏科技開發了6項專利技術，涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後，均溫板不僅保有高導熱性，還增強了結構強度，顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步，有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術，將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中，許多冷卻液會選擇沸點較低的物質，因此就像均溫板一樣，可以透過汽化來吸收掉大量的熱，形成泡泡向上浮，達到快速散熱的效果。

然而，因為水會導電，因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些，但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時，很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS，這是一種永久污染物，會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液，例如礦物油、其他油品，又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

另外，把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等，都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證，相信很快就能推出更強大的散熱模組。

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文／林承勳
• 責任編輯／簡克志
• 美術設計／蔡宛潔

有效利用太陽的光能和熱能

能源減碳已是國際趨勢，近年政府積極開發再生能源，逐年增加發電比例，而太陽能深具開發潛力。新興的鈣鈦礦太陽能電池是目前的研究熱點，不僅製造成本較低，單片發電效率已可達到 25%，逐漸趕上主流單晶矽太陽能電池的 26%。中央研究院「研之有物」採訪院內應用科學研究中心研究員朱治偉，他與研究團隊試圖開發一個小型的全光譜太陽能系統，讓光電轉換效率最好的波段被鈣鈦礦太陽能電池吸收，其他波段的光會穿過半透明的材料面板，抵達下層的集熱管，讓多餘太陽熱能可以回收再利用。

臺灣發展再生能源的關鍵：太陽能

太陽能是目前最為普遍的再生能源之一。近年來，臺灣的太陽能建設有逐步增加，且經濟部已訂下在西元 2025 年，國內再生能源發電量要佔總發電量 20% 的目標，其中太陽能發電量還要達到 20GW（1GW = 10 億瓦）的規模。

除了政府與業者的大型太陽能專案，太陽能發電對於公司行號或是一般社區大樓也有其誘因。樓頂架設太陽能裝置不但可以隔熱、防漏水，每年產生的電力也能由政府以較高的價格收購，創造額外利潤。然而太陽能發電在現階段還有許多缺點等待解決，像是發電裝置在購買設備時就必須先投入大量的建造成本，之後才逐年發電回收。

太陽能發電裝置體積龐大、極占空間，以目前市佔率最高的單晶矽太陽能電池來說，裝置架設完成後就沒有辦法再任意移動，如果遭逢颱風或地震等臺灣常見的天災，無法搬至安全處的太陽能板很有可能受到嚴重損傷。此外，機器也要定期保養維修，否則當灰塵逐漸堆積、器材日漸老舊，發電效率也會一點一點地下降。

好消息是，單晶矽太陽能電池笨重、易碎而無法隨意重組的缺點，在未來很有機會用新型「鈣鈦礦材料」來克服。鈣鈦礦材料可以做成薄膜，附著在可撓曲的軟性基材上。如此一來，鈣鈦礦太陽能電池可以收捲攜帶，便利性遠勝過單晶矽太陽能電池。

朱治偉舉高雄愛河上現有的電動船為例，船上架設的是單晶矽太陽能板，而光是一個面板就重達三十到四十公斤，二十片總共八百公斤。「船雖然能夠自主發電，但發電量還不夠驅動機台本身的重量。」朱治偉笑著說，如果用鈣鈦礦太陽能電池替代，不但能大幅減輕重量，在天氣不好時還能將發電裝置取下，騰出空間做其他用途。

發電效率大比拼：鈣鈦礦電池 vs. 單晶矽電池

除了裝置的便利性之外，太陽能光電轉換效率也是使用時需考量的一大要素。朱治偉指出，單晶矽太陽能電池單片面板在實驗室的發電效率可達 26%，但進到後段模組後，由於需要多片、大面積組裝，並經由導線串聯和並聯，過程中都會產生電阻導致電量損失。實際運作起來，效率只剩下 22%～23%。

鈣鈦礦材料的出現，讓單晶矽受到極大挑戰。以發電效率來說，鈣鈦礦太陽能電池在實驗室的效率可達 25.8%，幾乎跟單晶矽不相上下。雖然鈣鈦礦技術還在研發階段，尚未真正投入市場應用，但以小面積材料測試的實驗數據來說，學界與業界都對其發展潛力寄予厚望。

鈣鈦礦材料的另一項優勢在於，原料非常容易取得，且生產過程耗能與成本都相對低廉。「相較之下，目前發電效率稍微占優勢的單晶矽，是個高耗能、高污染的產業。」朱治偉指出，光是要提煉出矽元素，就得先用高溫把原料的砂熔化，接著在昂貴設備的高溫環境中緩慢結晶。

「而且單晶矽材料對於缺陷的容忍度很低。」朱治偉補充說道。所謂缺陷容忍度，就是材料在結晶時，有缺陷出現對於功能、效率的影響程度。

單晶矽在結晶過程中，原子排列越整齊、純度越高，缺陷就會越少，如此一來，電子在整齊的晶格裡可以很順暢地流動；一旦晶體排列不整齊、有缺陷產生，電子流動就會受到阻礙，讓材料發電效率變差。單晶矽對於缺陷的容忍度很低，缺陷會嚴重影響到單晶矽電池發電效率，因此結晶純度要求 99.9999% 以上。

當矽結晶完後接著要切成薄片，切片時會損耗材料並產生大量粉塵，切完還得進入複雜的半導體製程，不但需要高溫且耗水，還需使用到有毒溶劑。雖然科技廠會將高汙染的排放物先處理到合乎排放標準，但這些製程都需要投入大量的能源跟水。

鈣鈦礦材料：高缺陷容忍度、高發電效率、溶液式製程

鈣鈦礦材料的缺陷容忍度很高，即使結晶缺陷是單晶矽的幾百、幾萬倍，都還能有很高的發電效率。「而且鈣鈦礦電池在天氣不好、低照度或是室內時依然能夠持續發電。」朱治偉提到，單晶矽電池在陰天幾乎完全不發電，而鈣鈦礦電池受影響程度較低，仍可繼續發電。

另外，單晶矽電池基本上沒辦法在室內使用，因室內照明環境為低照度、光的波段很狹窄，整體能量會偏低。但是鈣鈦礦電池不但可以使用，其轉換效率可達 30% 以上，可以驅動電力需求低的元件，例如物聯網裝置等。

「更方便的是，鈣鈦礦材料可以溶解在有機溶劑裡。如果使用溶液製程，就能快速、大面積的製作。」朱治偉提到，等到未來技術成熟，就像是在印刷報紙一般，將含有鈣鈦礦材料的溶劑當作墨水，用印刷方式就能快速生產太陽能電池。

設備建造簡易、材料取得方式環保，如果還能大面積快速印刷來降低製作成本，鈣鈦礦太陽能電池可以說是集各種優點於一身。

不過，鈣鈦礦電池還是有些缺點亟待改善，像是本身材料的穩定性，導致電性上會出現遲滯現象，造成發電量有不穩定、時高時低的問題。此外，由於鈣鈦礦材料是離子材料，一碰到水就會解離，解離後會縮短使用壽命。

朱治偉指出，想要避免水分接觸到鈣鈦礦材料，能用封裝技術來解決。而穩定性問題則要在一開始長晶時著手。像是藉由添加其他離子促進長晶品質，讓結晶更加緊密結合。只要長晶時越整齊、缺陷越少，電子就能輕易地被導出，電流高、效率穩定，遲滯現象就能減少。「鈣鈦礦太陽能電池還有一個問題，就是裡面含有微量的鉛元素。」朱治偉說，雖然使用量非常少，但鉛終究是有毒的物質，若外洩還是有可能對接觸者造成傷害。目前同樣可以用封裝技術來避免鉛元素外漏，但期待未來有機會能找到其他安全的元素來替代鉛的角色。

小孩子才做選擇，我全都要！

太陽光的波長​分佈從 300 到 2700 奈米都有。一般單晶矽太陽能電池只能吸收 300 到 1100 奈米的光，1200 奈米以上的波段皆無法利用，有些被反射到環境當中，有些則是轉換成熱能。

熱能累積在矽晶板裡面，會影響發電效率。「矽晶板溫度每上升 1°C，效率就下降 0.3%。」朱治偉指出，大太陽底下矽晶板的溫度會達到約 80°C，比室溫高約 50°C 左右，這將導致發電效率降低 15%。

相較於不透光的矽晶板，鈣鈦礦太陽能電池能做成半透明的薄膜，將透過的陽光做其他運用。因此，中研院全光譜太陽綠能永續計畫採用的組合是：半透明鈣鈦礦太陽能電池搭配集熱管，以便充分利用太陽能。

「我們用新開發的分光鏡，從 800 奈米波長的地方將太陽光一分為二，800 奈米以下的光直接給鈣鈦礦太陽能電池發電，800 奈米以上的光讓集熱管吸收，產製出熱水。熱水經過吸附式致冷系統（absorption chiller system），透過巧妙的蒸發原理設計，將外部冷水致冷，產製出冰水供大樓使用，剩下的溫熱水則供日常盥洗使用。」朱治偉說道。

用 800 奈米劃分，因為鈣鈦礦太陽能電池在 300 到 800 奈米這段波長時，約有 90% 的光電轉換效率。而 800 奈米以上的波段經集熱管轉成熱能，效率可達到 97%～99%；反之，800 奈米以下的光熱轉換效率則不佳。

將不同波長的光，導向適合的元件

上面提到的「分光鏡」，全名為平面光譜分光模組，這是中研院開發的實驗模組，使用具有光波長選擇的導光板，將不同波長的光導向適合的元件。

這種導光板的作用原理，是經由奈米結構設計來決定要將哪些波段的光引導到哪個方向。在全光譜太陽綠能永續計畫中，是以 800 奈米的波段來區分。

把導光板鋪在太陽能集熱管上，800 奈米以上的光就穿透導光板照到集熱管，800 奈米以下的光就回收，引導到側邊，照在鈣鈦礦光電轉換元件上。

「將鈣鈦礦太陽能電池做在可撓曲的面板上，搭配時就能增加很多使用彈性。」朱治偉提到，脆弱的單晶矽電池受到重壓或劇烈震動就會碎裂，但是鈣鈦礦電池的機械性質很好，結構不易被破壞。

即使大樓樓頂有障礙物，或是要根據導光板的設計在不同方位擺放太陽能電池，鈣鈦礦電池都可以彈性搭配，使用時攤開、不用時就收捲起來。而且鈣鈦礦電池還可以依物體的弧度來配合製造，很適合用在 3C 產品、汽車、電動車的充電上，未來發展具備各種可能性。

目前中研院已經於院內活動中心樓頂架設了集熱管跟致冷系統，而半透明的鈣鈦礦太陽能電池與導光板在實驗室環境中，也證明小面積發電確實可行。

不過，想要量產出大面積的鈣鈦礦太陽能電池，單靠學界的製造能量來說有些困難。國內雖然有廠商在研發鈣鈦礦電池，大多沒有真正投入量產。「歐洲跟美國的公司願意投入大量經費研發產製；臺灣普遍的氛圍是傾向等待有明確的研究成果出現，再加入量產行列。」朱治偉說。

科技帶來改變，前景令人期待

與世界各國相比，臺灣電價相對便宜，且用電量相當龐大。根據經濟部能源局的統計資料， 2021 年臺灣總用電量超過 2800 億度，而目前臺灣發電有將近八成是使用化石燃料的火力發電。低電價導致缺乏節電誘因，高用電需求又使火力發電持續高碳排。根據 Our World in Data 資料，2021 年臺灣平均每人排放的二氧化碳為 11.85 噸，為全世界人均排放量的 2.52 倍，名列第 22 名，人均排放量高於日本、德國、新加坡與法國。

以臺灣的國土面積與經濟規模來說，如此高碳排量代表臺灣的減碳之路還有很大的努力空間。朱治偉指出，目前國內能源有 97% 倚賴進口，若是不努力研發再生能源，對於經濟發展或是國防安全都不會是好現象。

以地熱來說，菲律賓地熱技術的起步比臺灣晚，發展卻非常成功。「臺灣跟菲律賓的地形很相似，發展地熱應該也非難事。」朱治偉表示，即使有學者認為臺灣難以發展再生能源，但在科技發展之下，很多事情都有可能發生。

朱治偉舉例，2014 年得到諾貝爾物理學獎的發光二極體（LED）技術，就是一個科技改變世界的範例，人類得以用新的方式產生高亮度白光。LED 的耗電量僅有白熾燈泡的十分之一，大大改變光照能源的運用。

朱治偉樂觀地指出，就算當前被評估不可行的地熱、風能或海洋能，只要科技持續進步都有機會逐漸實現，新興的鈣鈦礦太陽能電池也是科技進步的一個見證。

鈣鈦礦電池在 2009 年被日本科學家發現時，發電效率其實只有 3%；十年過後，鈣鈦礦電池卻即將追上單晶矽電池發展近百年才達到的效率規模。而且鈣鈦礦材料還可以添加其他離子元素，產生結構變化來影響電性或光性，這個特點讓鈣鈦礦電池未來的發展潛力無窮，也是單晶矽電池完全無法比擬的。

「雖然有些學者不看好，但我相信日新月異的科技在未來能夠改變現狀，讓環境問題慢慢得到改善。」朱治偉說。

聽說高溫會影響太陽能電池的效率？

太陽能電池效率會隨著溫度的上升而下降，下降程度與選用的材料有關。因此太陽能電池效率的標定均在攝氏 25°C。

一般來說，太陽能電池每升高 1°C，會降低整體效率的 0.4% 至 0.5%。溫度過高不僅會降低太陽能電池的效率，也會減低其使用壽命。為了降低溫度過高的影響，建議安裝太陽能板時盡量在底下預留足夠的通風空間，來提高散熱效率。

近期科學家開發出新穎的水凝膠材料，將其貼附於太陽能板背面，利用晚間從大氣吸收和儲存水分。當白天太陽能電池溫度升高時，儲存在水凝膠中的水分便會蒸發，從而降低太陽能板的溫度，如此就可以維持太陽能電池的發電量與延長其使用壽命。

目前的鈣鈦礦電池並不穩定，未來可以如何改善？

鈣鈦礦薄膜材料在形成的過程中，不可避免地會形成大量的淺層能階缺陷（如元素空缺、間隙缺陷和反位替代）與深層能階缺陷（如元素錯位、晶界和沉澱物）。鈣鈦礦薄膜材料雖然可以容忍比較多的缺陷，但是這些缺陷就是造成鈣鈦礦太陽能電池不穩定的最主要因素。

目前在改善鈣鈦礦材料穩定性的研究方向，大致分為兩類：第一類是改變薄膜製程方式來降低缺陷的形成，如兩步驟成膜方式（two-step method）和反溶劑（anti-solvent）製程。第二類是開發多功能分子，鈍化鈣鈦礦材料中不同類型的缺陷，例如以路易斯酸與路易斯鹼、烷基胺鹵鹽、兩性離子、無機鹽類和離子液體來鈍化缺陷。

延伸閱讀

• 政府研究資訊系統。〈全光譜太陽綠能永續系統〉。
• 簡克志（2022）。〈機器學習 x 鈣鈦礦材料：讓 AI 幫你最佳化太陽能電池材料的製程參數！〉，《研之有物》。
• 陳映璇（2022）。〈鈣鈦礦電池是什麼？全台最大鈣鈦礦電池量產，大搶淨零建築、農電共生商機〉，《數位時代》。
• 臺灣科技媒體中心（2022）。〈「高溫影響太陽能板效率？」專家意見〉。
• 臺灣科技媒體中心（2022）。〈「鈣鈦礦太陽能微結構影響降解」專家意見〉。
• Li, R., Shi, Y., Wu, M., Hong, S., & Wang, P. (2020). Photovoltaic panel cooling by atmospheric water sorption–evaporation cycle. Nature Sustainability, 3(8), 636–643. 
• Lin, Y. (2019). How Absorption Chillers Work. EnergyLink. 
• Hanmandlu, C., Chen, C.-Y., Boopathi, K. M., Lin, H.-W., Lai, C.-S., & Chu, C.-W. (2017). Bifacial Perovskite Solar Cells Featuring Semitransparent Electrodes. ACS Applied Materials & Interfaces, 9(38), 32635-32642. 
• Evans, P. (2017). Absorption Chiller, How it works. The Engineering Mindset. 
• Hosansky, D. (2014). Adsorption chiller. Encyclopedia Britannica.

備受關注的再生能源

近年來，以太陽能發電的再生能源備受關注。

太陽能電池是太陽能發電的關鍵裝置，這是用半導體將陽光的能量直接轉變成電能的裝置。雖然有「電池」這個名稱，但不像乾電池那樣可以儲存電能。所以「太陽能電池」這個稱呼其實並不洽當，應該稱其為「太陽光發電元件」才對。

太陽能電池會利用到第 1 章 1－2 節提到的半導體光電效應（將光轉變成電能的現象）。不過，僅僅只透過照光，並不能從半導體中抽取出電能。要將光能轉變成電能，必須使用 pn 接面二極體（參考第 1 章 1－8 節）才行。

圖 5－1(a) 為 pn 接面二極體，p 型半導體有許多電洞做為載子，n 型半導體內則有許多電子做為載子。這個 p 型與 n 型半導體接合後，接合面附近的電洞會往 n 型移動擴散，電子則會往 p 型移動擴散，如圖 5－1(b) 所示。

移動擴散之後，接面附近的電子與電洞會彼此結合，使載子消滅，這個過程稱為複合。結果會得到圖 5－1(c) 般，沒有任何載子存在的區域，這個區域就稱為空乏層。

接面附近的空乏層中，n 型半導體的帶負電電子不足，故會帶正電；另一方面，p 型半導體的帶正電電洞不足，故會帶負電（圖 5－1(d)）。

因此，n 型與 p 型半導體之間的空乏層會產生名為內建電位的電位差，在接面部分形成電場。這個電場可以阻擋從 n 型半導體流出的電子，與電子從 n 型流向 p 型的力達到平衡，故可保持穩定狀態。

這種狀態為熱平衡狀態，放著不管也不會發生任何事。也就是說，接面上有內建電位差之壁，不管是電子還是電洞，都無法穿過這道牆壁。

在這種狀態下，如果陽光照入空乏層，半導體就會在光能下產生新的電子與電洞，如圖 5－2 所示。此時，新的電子會因為內建電場所產生的力而往 n 型半導體移動，新的電洞則往 p 型半導體移動（圖 5－2(a)）。於是，電子便會在外部電路產生推動電流的力，稱為電動勢。

在光照射半導體的同時，電動勢會一直持續發生，愈來愈多電子被擠入外部電路，於外部電路供應電力。被擠出至外部電路的電子會再回到 p 型半導體，與電洞結合（圖 5－2(b)）。我們可以觀察到這個過程所產生的電流。

目前太陽能電池的大部分都是由 Si 半導體製成。以 Si 結晶製成的太陽能電池結構如圖 5－3 所示。

為方便理解，前面的示意圖中，都是以細長型的 pn 接面半導體為例。但實際上，太陽能電池所產生的電流大小，與 pn 接面二極體的接面面積成正比。所以 pn 接面的面積做得愈廣愈好，就像圖 5－3 那樣呈薄型平板狀。

前面的說明提到，陽光可產生新的載子，這裡讓我們再進一步說明其原理。

圖 5－4 為 Si 原子之電子組態的示意圖（亦可參考第 38 頁圖 1－11）。Si 原子最外層的軌道與相鄰 Si 原子以共價鍵結合，故 Si 結晶的軌道填滿了電子，沒有空位（圖 5－4(a)）。

若摻雜雜質磷（P）或砷（As）等 15 族（Ⅴ族）元素，形成 n 型半導體，便會多出 1 個電子。這個電子會填入最外層電子殼層的最外側軌道（圖 5－4(b)），與共價鍵無關，故能以自由電子的狀態在結晶內自由移動。

由於電子軌道離原子核愈遠，電子的能量愈高，所以位於最外側軌道的電子擁有最高的能量（參考第 57 頁，第 1 章的專欄）。最外側軌道與最外層電子殼層的能量差，稱為能隙。

另一方面，如果是摻雜鎵（Ga）或銦（In）等 13 族（Ⅲ族）元素的 p 型半導體，會少 1 個電子，形成電洞。這個電洞位於最外層電子殼層，能量比自由電子還要低（圖 5－4(c)）。

空乏層不存在自由電子或電洞等載子，此處原子的電子組態皆如圖 5－4(a) 所示。

陽光照進這個狀態下的空乏層區域時，原子的電子會獲得光能飛出，轉移到能量較高的外側軌道（圖 5－4(d)）。此時的重點在於，電子從光那裡獲得的能量必須大於能隙。如果光能比能隙小的話，電子就無法移動到外側軌道。

光的能量由波長決定，波長愈短，光的能量愈高（參考第 217 頁，第 5 章專欄）。光能 E（單位為電子伏特eV）與波長 λ（單位為 nm）有以下關係。

E［eV］＝1240／λ［nm］

另一方面，抵達地表的陽光由許多種波長的光組成，各個波長的光強度如圖 5－5 所示。

由圖可以看出，可見光範圍內的陽光強度很強。陽光中約有52％的能量由可見光貢獻，紅外線約佔 42％，剩下的 5～6％ 則是紫外線。

若能吸收所有波長的光，將它們全部轉換成電能的話，轉換效率可達到最高。不過半導體可吸收的光波長是固定的，無法吸收所有波長的光。

Si結晶的能隙為 1.12eV，對應光波長約為 1100nm，位於紅外線區域。也就是說，用 Si 結晶製造的太陽能電池，只能吸收波長小於 1100nm 的光，並將其轉換成電能。

不過，就像我們在圖 5－5 中看到的，就算只吸收波長比 1100nm 還短的光，也能吸收到幾乎所有的陽光能量。

光是看以上說明，可能會讓人覺得，如果半導體的能隙較小，應該有利於吸收波長較長的光才對。不過，並不只有能隙會影響到發電效率，圖 5－6 提到的光的吸收係數也會大幅影響發電效率。光的吸收係數代表半導體能吸收多少光，可以產生多少載子。

有幾種材料的光吸收係數特別高，譬如 Ⅲ—Ⅴ 族的砷化鎵（GaAs）。GaAs 的能隙為 1.42eV，轉換成光波長後為 870nm，可吸收的光波長範圍比 Si 還要狹窄。但因為吸收係數較高，所以用砷化鎵製作的太陽能電池的效率也比較高。

總之，GaAs 是效率相當高的太陽能電池材料。然而成本較高是它的缺點，只能用於人造衛星等特殊用途上。即使如此，研究人員們仍在努力開發出成本更低、效率更好，以化合物半導體製成的太陽能電池。

——本文摘自《圖解半導體：從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》，2022 年 11 月，台灣東販出版，未經同意請勿轉載。

Original publish date:Feb 18, 2010

編輯 HCC 報導

加州理工學院將矽奈米線(silicon microwires)應用在太陽能電池上，發現可以吸收射入陽光85%的光譜，效率與傳統式矽晶圓相當，不過僅需前者1%的矽材料。論文發表於2月14日的Nature Materials。

加州理工學院研究生Michael Kelzenberg等研究人員將矽奈米線裝在聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)平板上，垂直的矽奈米線能有效率的吸收從任意角度射入的陽光，不過正午垂直入射的陽光無法照到夠大面積的矽奈米線，所以研究人員在矽奈米線表面加上氧化鋁奈米顆粒，反射與散射陽光。

Kelzenberg的實驗結果尚未進入太陽能電池的實際製造階段，參予研究的加州理工學院化學家Nate Lewis認為矽奈米線證明能吸收足夠的陽光，應能成為太陽能電池的候選材料。

IBM利用銅、鋅、錫、硒與硫等組合材料，製造了薄膜式太陽能電池，可以將9.6%的入射陽光轉為電力。IBM材料科學家David Mitzi 2月8日於Advanced Materials發表其研究成果，他們將CIGS(Cu(In,Ga)Se2)薄膜電池內的銦以鋅與錫取代，藉著硫與硒材料比例的變化，Mitzi團隊可以將kesterite(Cu2ZnSnS4)太陽能電池效率提升到40%，Mitzi認為增加硫成分確實可以增加電池的開路電壓(open-circuit voltage)。

IBM並無生產其所研發kesterite太陽能電池的計畫，興趣放在專利授權。Mitzi認為無論是矽奈米線與kesterite太陽能電池都應可以製成各式的彈性元件，包含可以編織成織物。目前Dow Chemical與Global Solar都利用CIGS薄膜電池製造太陽能屋瓦(solar roof shingle)以產生電力。

參考來源：

• Scientific American: Photovoltaic Breakthroughs Brighten Outlook for Cheap Solar

相關連結：

• High-Efficiency Solar Cell with Earth-Abundant Liquid-Processed Absorber
• Enhanced absorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaic applications