日誌
太陽能電池的秘密
導讀：
太陽能電池是一種能量轉換的光電元件，經由太陽光照射後， 將光的能量轉換成電能，其電能轉換是應用半導體p-n接面之 光電效應（Photo-voltaic Effect），此種光電元件稱為太陽能 電池（Solar Cell）。
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構成太陽電池的半導體主要是 P型半導體與N 型半
導體 ，將PN 兩型半導體結合在一起，PN 兩型半
導體的接觸面會形成空乏區。當太陽射入到空乏
區時，擁有足夠能量的光子激發矽原子而產生自
由電子與電洞，因為空乏區內電場作用，帶負電
的電子會往N 型半導體移動，帶正電的電洞會往P
型半導體移動，此時兩型半導體存在電位差，以
導線連接時，電子會經由導線跑到P型半導體，因
而產生電流。
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在純淨晶體的半導體（本徵半導體，如矽晶體或鍺晶體）中，摻入少量的五價元素雜質（如磷、銻、砷），由於半導體原子（如矽原子）被雜質原子取代，五價元素的雜質（以磷為例）會和純半導體作用，磷原子的五個外層電子中的四個與周圍的半導體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束縛，較易成為自由電子。於是，n型半導體就成為了含自由電子濃度較高的半導體，其導電性主要是因為自由電子導電。
若在純矽中摻雜少許的受子（即三價原子，最外層有3個電子的原子）如硼、鋁、鎵、銦，就少了1個電子，而形成一個電洞（Hole，或稱電孔），如此形成p型半導體
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電洞又稱空穴、電子孔、正孔，在固體物理學中指共價鍵上流失一個電子，最後在共價鍵上留下空位的現象。 一個呈電中性的原子，其正電的質子和負電的電子的數量是相等的。現在由於少了一個負電的電子，所以那裡就會呈現出一個正電性的空位——電洞。當有外面一個電子進來掉進了電洞，就會發出電磁波——光子。
電洞不是正電子，電子與正電子相遇湮滅時，所發出來的光子是非常高能的。
那是兩粒子的質量所完全轉化出來的電磁波（通常會轉出一對光子）。而電子掉入電洞所發出來的光子，其能量通常只有幾個電子伏特。
半導體由於禁帶較窄，電子只需不多的能量就能從價帶激發到導帶，從而在價帶中留下電洞。周圍電子可以填補這個電洞，同時在原位置產生一個新的電洞，因此實際上的電子運動看起來就如同是電洞在移動。
在半導體的製備中，要在4價的本徵半導體（純矽、鍺等的晶體）的基礎上摻雜。若摻入3價元素雜質（如硼、鎵、銦、鋁等），則可產生大量電洞，獲得P型半導體，又稱電洞型半導體。電洞是P型半導體中的多數載子。
在接受太陽光照射時，鈣鈦礦層首先吸收光子產生電子-空穴對。由於鈣鈦礦材激子束縛能的差異，這些載流子或者成為自由載流子，或者形成激子。而且，因為這些鈣鈦礦材料往往具有較低的載流子複合幾率和較高的載流子遷移率，所以載流子的擴散距離和壽命較長。
然後，這些未複合的電子和空穴分別被電子傳輸層和空穴傳輸層收集，即電子從鈣鈦礦層傳輸到等電子傳輸層，最後被FTO收集；空穴從鈣鈦礦層傳輸到空穴傳輸層，最後被金屬電極收集，當然，這些過程中總不免伴隨著一些使載流子的損失，如電子傳輸層的電子與鈣鈦礦層空穴的可逆複合、電子傳輸層的電子與空穴傳輸層的空穴的複合（鈣鈦礦層不致密的情況）、鈣鈦礦層的電子與空穴傳輸層的空穴的複合。要提高電池的整體性能，這些載流子的損失應該降到最低。
美國科學家發現當石墨烯(graphene)照光時，不像傳統半導體般產生電子電洞對，而是產生能形成光電流的熱載子(hot carrier)。
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MIT-哈佛團隊的研究首次證實了熱電效應為石墨烯產生光電流的主要機制。
該團隊在自製的石墨烯PN接面奈米元件上進行一連串光電實驗，以波長850 nm的雷射照射石墨烯PN接面，並測量空間解析激發光譜(spatially resolved optical-excitation microscopy)及電子傳輸特性，結果發現在PN接面處會產生隨雷射功率增加的大電流，其最大值為低溫下測得的5 mA/W，是先前石墨烯光電元件的六倍。
該團隊認為如此大的電流值是光熱電效應(photothermoelectric electric)的結果─雷射光會使石墨烯內的電子會獲得熱能而產生電流 ，且由於這些熱電子與碳晶格的耦合相當微弱，熱能無法透過碳原子散逸，因此晶格不會被加熱。
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石墨烯中的量子霍爾效應與一般的量子霍爾行為大不相同，為量子反常霍爾效應(Quantum Anomalous Hall Effect)。
石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅硬的奈米材料[3]，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光[4]；導熱系數高達5,300 W/(m·K)，高於奈米碳管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15,000 cm2/(V·s)，又比奈米碳管或矽晶體（monocrystalline silicon）高，而電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料[5][1]。
太陽電池主要分為矽半導體與化合物半導體兩大類，其中矽半導體應用在民生或工業發電，又可以分為單晶矽晶圓、多晶矽薄片、非晶矽薄膜三種；砷化鎵半導體應用在國防或太空發電，又可以分為三五族化合物半導體、二六族化合物半導體、其他化合物半導體等，如＜圖一＞所示。
新型太陽能電池為反轉形變多接面（inverted metamorphic multi-junction，IMM）電池架構，內有三的太陽能電池接面，頂部是磷化鎵銦、中間是砷化鎵、底部則是砷化鎵銦，三種材料專門捕捉不同波長的光，讓太陽能電池可以發出更多的電力。
小結1：
以上用的太陽能電池材料(包含石墨烯)，應該跟電子遷移率有關；
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List of highest measured mobilities [cm2/ (V⋅s)]
AlGaAs/GaAs heterostructures 35,000,000[2]
Freestanding Graphene 200,000[4]
最高測量遷移率列表 [cm2/ (V⋅s)]
AlGaAs/GaAs 異質結構 35,000,000[2]
獨立式石墨烯 200,000[4]
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電子遷移率高應該又跟低游離能有關
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低游離能
Li 鋰 520.2
Na 鈉 495.8
Al 鋁 577.5
K 鉀 418.8
Ca 鈣 589.8
Ti 鈦 658.8
Ga 鎵 578.8
Rb 銣 403.0
Sr 鍶 549.5
In 銦 558.3
Cs 銫 375.7
Ba 鋇 502.9
La 鑭 538.1
Ce 鈰 534.4
Fr 鍅 380
Ra 鐳 509.3
上述太陽能電池材料符合的有鋁、鈣、鈦、鎵、銦
Concentrator photovoltaics (CPV) (also known as concentration photovoltaics) is a photovoltaic technology that generates electricity from sunlight. Unlike conventional photovoltaic systems, it uses lenses or curved mirrors to focus sunlight onto small, highly efficient, multi-junction (MJ) solar cells.
聚光光伏（CPV）（也稱為聚光光伏）是一種利用太陽光發電的光伏技術。與傳統的光伏系統不同，它使用透鏡或曲面鏡將陽光聚焦到小型、高效、多結 (MJ) 太陽能電池上。
Systems using high-concentration photovoltaics (HCPV) possess the highest efficiency of all existing PV technologies, achieving near 40% for production modules and 30% for systems.[3]: 5 They enable a smaller photovoltaic array that has the potential to reduce land use, waste heat and material, and balance of system costs.
使用高聚光光伏 (HCPV) 的系統擁有所有現有光伏技術的最高效率，生產模塊的效率接近 40%，系統的效率達到 30%。[3]： 5 它們可以實現更小的光伏陣列，從而有可能減少土地使用、廢熱和材料以及系統成本的平衡。
Modern CPV systems operate most efficiently in highly concentrated sunlight (i.e. concentration levels equivalent to hundreds of suns), as long as the solar cell is kept cool through the use of heat sinks.
只要太陽能電池通過使用散熱器保持涼爽，現代 CPV 系統在高度集中的陽光（即相當於數百個太陽的集中水平）下運行效率最高。
當太陽光照射到一般的半導體（例如矽）時，會產生電子與電洞對，但它們很快的便會結合，並且將能量轉換成光子或聲子（熱），光子和能量相關，聲子則和動量相關。因此電子與電洞的生命期甚短；在P型中，由於具有較高的電洞密度，光產生的電洞具有較長的生命期，同理，在N型半導體中，電子有較長的生命期。
在P-N半導體接合處，由於有效載子濃度不同而造成的擴散，將會產生一個由N指向P的內建電場，因此當光子被接合處的半導體吸收時，所產生的電子將會受電場作用而移動至N型半導體處，電洞則移動至P型半導體處，因此便能在兩側累積電荷，若以導線連接，則可產生電流，而太陽能電池的挑戰就在於如何將產生的電子電洞對在複合之前將其蒐集起來。
其設計上主要透過不同的製程和方法，測試對光的反應和吸收，做到能隙結合寬廣，讓短波長或長波長都可以全盤吸收的革命性突破，來降低材料的成本。
小結2：
如果結合【透鏡或曲面鏡將陽光聚焦到小型、高效、多結 (MJ) 太陽能電池上】+【電子遷移率高的太陽能電池材料】
不知是否能把太陽能發電推向接近核能發電的產電量
發電量100萬KWh的發電廠(相當於一座核能發電廠)
