隨著地球暖化與石油能源逐漸枯竭等問題甚囂塵上，加上電子產品對電池電容量需求升高，理論上只要有光線就能提供永續電力的太陽能光電板，立即成為各國研究的焦點。
太陽能光電板，或稱太陽能電池(Photo Voltaics, PV)是利用光線照射半導體產生電氣能量。市面上已商品化的光電板，90%以上屬於單晶矽或是多晶矽材質。本文將介紹利用紫外光產生光激發電力(以下簡稱光激電力)的「透明光電板」發展動向以及製作技術。
太陽能光電板朝透明化發展
太陽光的輻射能量分布在非常廣泛的波長領域內，其中6%為紫外光，50%為可視光，44%為紅外光(圖1)。光電板的運作原理是利用半導體pn接合的激電力效應(圖2)，半導體根據載子(Carrier)的正負特性分為p型與n型兩種，p型與n型半導體一旦接合，負電子就會分開成為n型半導體，正電子則分開成為p型半導體。光線照射半導體時產生激發效應，具備負電荷的電子與具備正電荷的電子，則因半導體pn接合被分開，此時若將電極連續接在兩半導體，就能夠將電氣取至外部。
晴天時到達地表的光量平均大約是1,000W/m2左右，然而實際上pn接合半導體構成的光電板，只對特定波長的光線動作，換句話說要利用太陽光的全波長光線能量相當困難，因此光電板一般只能獲得低於20%的發電效率，以傳統能量轉換效率7%的矽半導體光電板為例，晴天時最多只能獲得70W/m2的電氣能量。
有關紅外光的應用，理論上只要附加可變反射率功能，就能夠製作對紫外光、可視光、紅外光獨立反應控制的半導體元件，若是製成平板玻璃形狀時，這意味著該元件可以輕易應用在一般住家的玻璃窗戶，達成大面積設置的目標。
圖3是光電板應用住家玻璃窗戶發電的構想，它可以確保照明上的可視光，夏天防止熱流入室內時反射紅外光，冬天則將紅外光(熱線)導入室內，減少其它能源的使用，達成所謂的太陽能薄片(Solar Sheet)目標。
透明光電板具大面積設置特性
以往光電板的開發重心大多擺在利用可視光發電，不過最近研究發現，寬能隙(Band Gap)的半導體也可以使紫外光轉換成電能，可視光則直接穿透光電板。半導體pn接合的光電板轉換效率，可以從日照能量波長分布與材質能隙(Eg)能量重疊關係概略計算，根據計算結果顯示可以獲得最高光電轉換效率，是具備Eg=1.5eV能隙的砷化鎵(GaAs)材料，此外能隙很大的氧化鋅(ZnO, Eg=3.4eV)等透明半導體的光電轉換效率大約3%，一般認為ZnO也非常適合應用在透明光電板。
如上所述，光電板必須形成半導體pn接合，目前矽(Si)與砷化鎵半導體pn接合技術相當成熟，然而寬能隙半導體的pn接合還有許多課題尚待克服。有關n型材料以ZnO與SnO2透明半導體最受矚目，遺憾的是到目前為止還沒有找到適合的p型材料。1997年東京工業大學川副教授與細野教授表示，利用與n型透明半導體的接合可以製作透明電子元件，這些具備3eV以上能隙的材料分別是銅鋁氧化物(CuAlO2)、CuGaO2、CuScO2、CuCrO2、CuInO2、CuYO2、AgInO2，理論上都可以製成透明半導體薄膜。
p型氧化物材料之中銅鋁氧化物具有很好的物性，因此研究人員嘗試利用ZnO與CuAlO2試作透明電子元件，順利在玻璃基板上製作面積為0.1cm2、光電轉換效率大約3%的可視光穿透型光激電力電池，也就是「透明太陽光電板」。
透明光電板取代一般玻璃窗戶時，具有容易作大面積設置的特點。由於透明光電板利用紫外光的能量發電，因此包含光電板本身都可以防止紫外光造成的各種劣化問題，還可以輕易附加紅外光反射功能，對室內隔熱效果有正面幫助，透明光電板同時兼具發電、隔熱、可視光玻璃窗戶等功能，一般認為，其未來可望成為省能源的革命性建築要素。
透明光電板製作剖析
製作氧化物透明半導體時大多使用耐高溫、高均質藍寶石等高單價、高品質結晶性基板，基於未來量產成本等考量，研究人員以500℃以下溫度在玻璃基板上，利用圖4雷射蒸鍍技術配合精密的氣體、基板溫度等製程控制，將氧化鋅半導體(n型)與銅鋁氧化物半導體(p型)形成透明半導體pn接合，進而製成圖5所示氧化鋅、鋁氧化物半導體、氧化銦錫(ITO)透明導電膜、透明玻璃基板構成的透明光電板。
上述半導體pn接合時的溫度比傳統製程溫度低200℃，而且材料為氧化物又是寬能隙，所以特性劣化比較少，此外它還可以利用化學氣相沈積系統(CVD)與溶膠凝膠法(Sol-Gel Method)等各種製程製作。
圖6是透明光電板的光激電壓特性與發光色的測試結果，由圖可知透明光電板被波長350奈米(紫外光)～450奈米(綠光)的光線照射時，光激電力在波長400奈米時呈現最大值，而且可視光的穿透率為50%，紅外光的穿透率高達70%，雖然目前透明光電板的光電轉換效率只有3%左右，不過隨著材料與製程改善，一般認為未來仍有發展空間。
整體而言，太陽光的輻射能量紫外光占6%，可視光占50%，紅外光占44%，實際上能夠應用在發電的能量並不多，依此計算包含利用紅外光的控制可以節約的能量在內，實際上透明光電板的光線利用效率已經超越傳統矽質光電板。
透明特性有助未來廣泛應用
以上介紹利用紫外光產生光激發電力的透明光電板特性與製作技術。目前歐美各國相繼加入太陽光電板的研究行列，希望有朝一日可以取代部分石化能源。
提高光電板的光電轉換效率的同時，具備透明不影響外觀，且可滿足對外觀要求相當嚴苛的可攜式電子需求的光電板，勢必成為另一個研究焦點，屆時透明光電板的特性可望獲得大幅提升。
(詳細圖表請見新電子242期5月號)
