淺談半導體製程技術與太陽能電池轉換效率改善趨勢
自從1958/1959年傑克柯比(Jack Kilby)與諾宜斯(Robert Noyce)相繼發明人類第一顆積體電路，將電子元件整合製作於同一基板上，開啟了半導體技術一甲子的蓬勃發展。1968年諾宜斯與高登摩爾(Gordon Moore)共同創建半導體晶片製造龍頭公司英代爾(Intel)公司，影響人類電子科技發展。著名的摩爾定律(Moore's Law)預測在半導體製程微小化過程中，晶片上電晶體數目每18個月將倍增為2倍，此預測主導數十年來半導體晶片製程發展趨勢，晶圓尺寸從4吋、6吋、8吋、擴大至12吋，電晶體特性尺寸從1982年3微米，1998年0.25微米與0.18微米，持續尺寸微小化至90nm與65nm，近年來40nm、28nm、20nm、18nm、10nm技術已可量產電子產品，最新研發並已接近完成可量產之7 nm製程，六十年來半導體技術發展軌跡，著實令人驚艷與讚賞。無論半導體製程如何改良，總有其物理實體上的極限，近年More-than-Moore (MtM) 思考下，企圖在技術極限下持續增加晶片功能，例如系統級封裝(SiP)或系統單晶片(SoC)功能，異質整合、多項功能整合、與增加計算能力或記憶功能，期在技術發生瓶頸時，仍能創造出晶片強大功能。
台灣憑藉半導體強大的製造能力，太陽能電池製造產業也表現亮眼。雖然光電產業目前所需製造技術水平不需像半導體產業那樣的嚴苛，但由於輸入是光源能源，需經由光電效應從光源轉換成電力，轉換過程仍需經過多道程序與效率挑戰。例如，光反射、光電材料能量間隙Eg、載子複合率(Recombination)過高、載子收集機率(CP)、量子效率(QE)、能量轉換損失、溫度影響與填充因子(FF)損失等等因素，太陽能電池轉換效率往往無法單純透過半導體製程的長足進步而同時大幅提升，轉換效率仍侷限在某一極限範圍。光電轉換固然有其理論極限，但全球各研究機構仍努力想藉由不同結構、不同材料、新製造程序、新設計技術，持續改善光電轉換效率。太陽能電池目前大概可分為多接面型(聚光、或非聚光)、薄膜型(CIGS、CdTe、amorphous Si、CZTSSe)、矽(Si)晶型、染料敏化(DSSC)、有機(Organic)材料、量子點(Quantum dot)、鈣鈦礦結構電池(Perovskite Solar Cell, PSC)等多種型式。種類型式雖多，但考量製造成本、電池特性穩定度、轉換效率、競爭性與量產等因素，目前仍以矽晶電池為主流，約佔整體太陽能市場90%。
2014年10月歐洲研究太陽能最大機構Fraunhofer ISE公司與Soitec公司共同研究利用508x倍聚光型四接面太陽能電池，轉換效率高達46% (材質可能為GaInP/GaAs/GaInAsP/GaInAs)，為目前世界最高紀錄，惟僅限實驗室研究成果尚未有實體商品上市。相對傳統單接面結構，多接面結構其製造成本相當昂貴，若以實務上推廣考量，是否值得投入製程相對複雜很多以求取大一點之轉換效率頗值得考量。
市場主流之矽晶型電池，單晶矽非聚光型單接面2016年轉換效率記錄約25%，多晶矽約21.3%。2017年二月 Fraunhofer ISE公司以N型多晶矽實現效率21.9%，刷新原世界紀錄21.3%，同年三月該公司再度以矽晶為基底材質，提出三接面GaInP/AlGaAs/Si單晶太陽能電池(晶片面積3.981 cm2、Voc 3.046V、Jsc 11.7 mA/cm2、 FF 87.5 %)轉換效率31.3 % 再度領先全球，這些成果均是全球專家數十年不斷努力累積各項研究成果下所獲得。上述談到之轉換效率，均以電池芯片(Solar Cell)為量測之Cell Efficiency，若考量電池芯片經串接組裝模組化後其轉換效率(Module Efficiency)會再酌降，再經電子系統將直流轉換成家用交流電源後，其系統轉換效率(System Efficiency)又會再降95%左右。
提到光電轉換效率近年成長最快的技術，不能忽略鈣鈦礦結構太陽能電池(Perovskite Solar Cells, PSCs)，其材質常混合有機物質與無機鉛或鈦鹵化物作材料，相較於其他材質太陽能電池發展，PSCs轉換效率成長速度最快，2009年3.8%至2016年已快速提升至22.1%，預期2017年將會有商用光電模組產生。PSCs具有高光吸收係數、高載子遷移率、較長載子生命期與較薄的光電吸收厚度(僅約500nm)等優點，製程相較傳統矽晶太陽能電池簡易，能達到高轉換效率與低製造成本，有很高的市場吸引力。但現有技術下穩定度不夠為其缺點，轉換效率易受到環境中的水分濕氣、氧氣、熱氣、紫外線輻射影響而造成不穩定，各研究機構仍持續再作改善。
參考資料
http://www.tsmc.com
https://www.nrel.gov/
https://en.wikipedia.org/wiki/
http://spectrum.ieee.org/green-tech/solar/what-makes-a-good-pv-technology
http://spectrum.ieee.org/static/interactive-record-breaking-pv-cells
https://www.ise.fraunhofer.de/en.html
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