我國於2009年7月公布施行「再生能源發展條例」中設定於2025年再生能源發電占比將達20%的目標。又於2016年10月通過「綠能科技產業創新推動方案」，以致力推動此一目標。其中太陽光電目標裝置容量20GW，在所有再生能源中占最高且最顯著的比例。這樣的高標準確實是政府對推動太陽光電產業政策的重大承諾，不容懷疑。而在此同時，太陽能電池的發展正面臨一個革命性的突破，即是所謂的第三代太陽能電池已突破光電轉換效率20%的門檻的時刻。因此我們將藉此機會重新檢視太陽能電池的演進，以理解第三代太陽能電池的機會與挑戰。

第一代太陽能電池就是矽基太陽能電池，也仍是目前太陽能電池市場的主力產品。全世界的市場佔有率仍高於90%。其優點是矽(Si)的產量豐富，製程成熟，因此價格低廉，市場接受度高。其在正常日照下發電的光電轉換效率可達20%，是矽基太陽能電池經過半世紀以上的發展經驗累積後的成果，因此光電轉換效率20%也成為比較新世代的太陽能電池光電轉換效率的標準。

第二代太陽能電池稱為薄膜太陽能電池，原因是薄膜太陽能電池材料之吸收陽光的效率增加，因此可以用薄膜的形式、而不需以厚重的晶圓形式，來製成太陽能電池。究其原因是矽在太陽光的吸收行為上是所謂的間接能隙吸收，不像其它薄膜太陽能電池材料的直接能隙吸收來得有效率。因此薄膜太陽能電池只需要微米級的厚度即可達成對太陽光有效的吸收，而矽卻需要以百倍於此的晶圓厚度來吸收陽光以彌補其吸收效率的不足。常見的薄膜太陽能電池材料為多屬於化合物的直接能隙半導體，如砷化鎵(GaAs)、碲化鎘(CdTe)、銅銦鎵硒(CIGS)等材料，可以鍍膜的方式製備。由於材料的選擇可實現太陽能電池薄膜化，有減少材料使用、增加太陽能板可撓度、降低太陽能電池模組重量等優勢，因此極具競爭潛力。其光電轉換效率在2010年左右亦已達到20%的里程碑，因此薄膜太陽能電池一直被市場寄予厚望。然而這些直接能隙半導體各有其安全上、成本上、製程上的限制，因此至今尚未能發展出與矽基太陽能電池匹敵的市場規模。

第三代太陽能電池有著與前兩代太陽能電池完全不同的設計，由於導入有機物、奈米、分子等跨領域技術，因此很難用一個可涵括這一代太陽能電池特點的單一名詞去描述它。顯然第三代太陽能電池是由於面臨眾多新材料大發現的時代而造成的稱呼。在材料的使用上已突破結晶、非結晶，連續體、分散顆粒，有機、無機，單相、混相的傳統思想窠臼，朝向材料最佳化整合的方向前進。有趣的是第三代太陽能電池原先明明是許多使用不同材料的太陽能電池領域各自發展的結果、但卻因為互相的學習與借用，目前在能隙工程的面向設計上有逐漸合流的趨勢。這個趨勢指的是第三代太陽能電池縱使以不同的材料來製備，目前卻是皆以不同材料層介面間能帶的差異去導引光電子電洞的遷移來發電的機制，有別於前兩代太陽能電池著重以p-n接面(p-n junction)的內建電場(built-in potential) 導引光電子電洞的遷移來發電的機制。這個概念最好是用以下的能帶圖闡述會較清楚。

圖1 典型有機太陽能電池內部結構的能帶圖。

圖1是典型有機太陽能電池內部結構的能帶圖。顯示出此有機太陽能電池是由氧化銦錫(ITO)的透明導電薄膜、導電高分子材料poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) 、poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) 吸光層、[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester吸光層(PCBM)、與鋁(Al)金屬電極等五層材料所組成的。以P3HT聚合高分子化合物為例，其最低未占據分子軌域 (Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO)) 位於真空能階以下3.0 eV的位置，而其最高已占據分子軌域 (Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO)) 位於真空能階以下5.0 eV的位置。此化合物在高於LUMO的能量以及在低於HOMO的能量才有可供電子遷移的軌道，而在LUMO與HOMO之間是沒有可供電子遷移的軌道的。當太陽光照射在P3HT層時，由於太陽光富含能量高於P3HT的LUMO與HOMO能階差(2eV)的光子，因此這些光子能激發電子由HOMO躍遷至LUMO，而在LUMO上產生自由電子。同時因為電子由HOMO躍遷至LUMO之故，在LUMO上留下電子的空缺軌道，稱為自由電洞。這個電子的躍遷事件是由於P3HT對光子的吸收而將能量轉注於電子所造成的，因此所產生的電子與電洞稱為光電子與光電洞。

在此有機太陽能電池的結構中，太陽光可由ITO側射入，不會被ITO及PEDOT:PSS吸收，因其能隙與太陽光子的能量不匹配。而P3HT與PCBM兩層則是刻意設計來吸收可見光的吸收層。P3HT因吸收太陽光而在其LUMO上產生電子時，電子會因為相接壤的PEDOT:PSS不具該能量的軌道而無法穿越，因此電子只能朝PCBM的方向傳輸。其原因是因為電子是傾向朝可能降低能量的方向演進的。因此我們把PEDOT:PSS稱為電子阻障層(electron blocking layer (EBL))，而把PCBM稱為電子傳輸層(electron transport layer (ETL)。同樣的當PCBM吸收太陽光而產生電子時會因為軌道能障的原因只能往鋁電極層傳輸，而無法朝相反的方向傳輸。

另一方面當P3HT因吸收太陽光而在其LUMO上產生電子時，也會同時在HOMO上產生電洞。電洞也是傾向朝能量降低的方向演進的，只不過電洞朝能量降低的方向演進的趨勢表現在電子能量座標上是朝電子能量數字越大的方向進行的。因此在P3HT上所產生的電洞無法越過相接壤的PCBM層，只好朝PEDOT:PSS 層傳輸。PEDOT:PSS 層雖具有少許對從P3HT傳輸而來的電洞傳輸能障，但相對於PCBM對電洞傳輸能障而言較易克服。當太陽光持續照射、所產生的光電洞不斷累積時，P3HT上電洞的能量將淹漫過PEDOT:PSS 層的電洞傳輸能障而溢出以達到朝PEDOT:PSS 層傳輸的結果。因此我們把PEDOT:PSS稱為電洞傳輸層( hole transport layer (HTL))，而把PCBM稱為電洞阻障層(hole blocking layer (ETL)。電子電洞往不同的方向傳輸的結果造成正極與負極電位的差異而產生發電的效果。

這種以層間介面的能帶不連續來引導電子電洞流動方向的技術，是目前第三代太陽能電池發展具有的共同特徵。有別於前兩代太陽能電池以電場來引導電子遷移的技術。以PCBM吸收層為例，他扮演著阻障由P3HT層產生的電洞的角色，也同時扮演傳輸由P3HT層產生的電子的角色。有點類似籃球擋切戰術(pick and roll)中掩護者的角色。在這種能帶結構設計下，近年來居然發現有些特殊的材料可以更薄(次微米)的方式在此設計下展現驚人的電子電洞分離的效果而發電。比如當P3HT被換成所謂的有機-無機複合型三碘合鉛酸甲基銨(MAPbI₃)的鈣鈦礦時，如圖2，效率有明顯的提升。在2015年左右效率居然可提升至20%以上。距離以此太陽能電池材料組合首次提出的2013年也不過只有兩三年。可謂進步神速，明顯超越矽基太陽能電池半世紀以來的發展進度。顯然有機-無機複合型鹵素鈣鈦礦及其相關衍生材料有其特殊性質，值得投入研究。

圖2 典型鹵素鈣鈦礦太陽能電池內部結構的能帶圖。

這種有機-無機複合型鹵素鈣鈦礦太陽能電池，其超薄的主動層不但具有薄膜型太陽能電池的優勢，其製程不需依賴真空，有潛力大幅降低製程的成本。其擋切引導電子電洞流動的技術避免了p-n接面的製程，有利於疊層(tandem)結構的實現，以突破Shockley-Queisser效率的限制。以上特性在在展現出其有別於前兩代太陽能電池的優勢。唯其優勢的實現有賴於大面積奈米級均勻鍍膜技術的精進，因此鍍膜技術成為第三代太陽能電池所面對的挑戰。在台灣以晶圓代工聞名的工藝環境下，這項挑戰應不致構成威脅，甚至是我們可以有所發揮的項目。