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化合物半導體太陽電池
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❐ 化合物半導體的製造技術
化合物半導體的製作比較困難，可以使用CZ法成長砷化鎵晶圓，也可以使用有機金屬化學氣相沉積(MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition)成長化合物半導體薄膜。有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)又稱為「有機金屬氣相磊晶(MOVPE：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)」，在成長薄膜的過程中有化學反應發生(有化學鍵的斷裂)，故屬於「化學氣相沉積(CVD)」，反應用的有機金屬氣體可以較大量且快速地在基板上沉積，成本較低，適合工廠大量生產。
MOCVD通常使用在發光二極體(LED)、雷射二極體(LD)或射頻積體電路(RF IC)等元件的製作，也可以製作化合物半導體太陽電池，目前國內使用這種生產技術的廠商有晶元光電、全新光電等公司。以成長砷化鎵磊晶為例，如＜圖一＞所示，其製作步驟如下：
1.將基板放在MOCVD機台的晶圓座上方，做為「基板(Substrate)」。
2.在高真空(HV)下，將有機金屬氣體「三氫化砷(AsH3)」與「三甲基鎵(Ga(CH3)3)」通入反應器內。
3.將基板加熱到高溫，使三氫化砷(AsH3)分解產生砷原子，三甲基鎵(Ga(CH3)3)分解產生鎵原子。
4.砷原子與鎵原子緩慢地在基板上堆積，而形成「砷化鎵薄膜」。
圖一 有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)系統示意圖。
如果我們使用玻璃做為基板，由於玻璃是非晶材料，原子排列很混亂，所以在上面成長的薄膜是「非晶砷化鎵」，能量轉換效率較低；如果我們使用砷化鎵晶圓做為基板，由於砷化鎵晶圓是單晶材料，原子排列很整齊(排頭)，所以在上面成長的薄膜是「單晶砷化鎵」，能量轉換效率較高。科學家們將單晶薄膜(原子排列很整齊的薄膜)稱為「磊晶(Epitaxy)」。
❐ 化合物半導體的種類
化合物半導體的種類很多，只要具有兩種以上的元素混合起來就可以形成化合物半導體，但是必須遵守「八隅規則」，也就是每一個原子的周圍必須都有八個電子，由＜圖二＞的元素週期表中可以看出，化合物半導體有下列幾種：
➤三五族「二元素」化合物半導體：元素週期表上3A族任選一個元素與5A族任選一個元素混合形成，例如：砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、磷化鎵(GaP)、氮化鎵(GaN)等。
➤三五族「多元素」化合物半導體：元素週期表上3A族任選二個以上的元素與5A族任選二個以上的元素混合形成，例如：砷化鋁鎵(AlGaAs)、磷砷化鎵(GaAsP)、磷化鋁鎵銦(AlGaInP)、砷化鋁銦鎵(AlInGaAs)等，只要固體中所含有的3A族原子總數與5A族原子總數相等即可。
➤二六族「二元素」化合物半導體：元素週期表上2A族任選一個元素與6A族任選一個元素混合形成，例如：碲化鎘(CdTe)、硒化鎘(CdSe)、硫化鎘(CdS)、硒化鋅(ZnSe)等。值得注意的是，元素週期表上2A族元素包括：鈹(Be)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、鋇(Ba)、鐳(Ra)，而上面所提到的鎘(Cd)、鋅(Zn)等元素其實是在元素週期表中央的B族元素(過渡金屬)，但是它們的性質仍然與2A族元素類似，因此我們仍然將它們「視為」2A族元素。
➤其他「多元素」化合物半導體：科學家發現，使用一些比較特別的元素形成的化合物半導體，也可以做為太陽電池，其中最有名的是銅銦硒(CIS：Copper Indium Selenide)三元素化合物半導體與銅銦鎵硒(CIGS：Copper Indium Gallium Selenide)四元素化合物半導體，能量轉換效率可以達到19%以上。
圖二 元素週期表。
❐ 化合物半導體的能量轉換效率
德國Fraunhofer太陽能系統研究所與俄羅斯聖彼德堡Ioffe研究所共同合作開發Flatcon模組太陽電池，使用砷化鎵(GaAs)單接面電池，能量轉換效率可達17~18%；後來改用有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)成長磷化銦鎵(GaInP)／砷化銦鎵(GaInAs)雙接面電池，能量轉換效率大於22%；美國Spectrolab公司利用有機金屬化學氣相沉積法(MOCVD)製作磷化銦鎵(GaInP)／砷化銦鎵(GaInAs)／鍺(Ge)三接面太陽電池，能量轉換效率接近30%；美國國家再生能源實驗室(NREL)也正著手開發下一代多接面太陽電池，包括四層結構，目標是將能量轉換效率提升到40%以上。雖然化合物半導體太陽電池的能量較換效率較高，而且愈多層接面的效率愈高，但是製作成本也愈高，所以目前只能使用在極少數特別的產品上，例如：衛星或太空站的太陽能板，如＜圖三(a)＞所示，美國國家航空暨太空總署(NASA)開發出空中飛行平台「太陽神號(Helios)」，如＜圖三(b)＞所示，可以用來設置第五代行動電話(5G)基地台，不過這種技術要應用在日常生活仍然有困難。知識力www.ansforce.com。
圖三 化合物半導體太陽電池的應用。
資料來源：經濟部能源局。
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