染料敏化型太陽能電池專題系列(一) 015 太陽能電池原理與最早的太陽能電池

太陽能電池(solar cell)是一種能量轉換的光電元件，它在經由太陽光照射後，可以把光的能量轉換成電能，也就是利用光電效應，將太陽能轉換成電能的半導體元件。任何器件能經吸收太陽光直接產生輸出電功率(electric power)就是太陽能電池。光電效應中的photo就是光(light)，而voltaic就是電力(electricity)，意即「緊密接觸的兩種不同物質受到光或其他輻射能照射時起電池作用的過程」。簡單的說就是將太陽光能轉換為直流電能，所以太陽能電池也稱為photovoltaic cell(簡稱PV cell)。是一種可再生的綠色發電方式，發電過程中不會產生二氧化碳等有害氣體，不會對環境造成污染。
太陽能電池，在台灣的早期翻譯書籍上直接引用日文中的漢字太陽能電池，但其實不是battery而是cell，應稱為太陽能晶片。在中國大陸稱為矽晶片、光電電池等等，也因為光電轉換在物理學上稱為光生伏打(photovoltaic)，所以也有人稱其為光伏特電池。因為電功率是電壓和電流的乘積，太陽能電池吸收太陽光直接同時輸出電壓和電流，簡單的說，太陽能電池吸收太陽光就能產生一般電池的功能。這裡要強調的是直接。光伏特電池只是太陽能電池的一種。因為市售太陽能電池幾乎都是光伏特電池，因此除非特殊情況，太陽能電池和光伏特電池這兩個名詞通常是互用。
太陽能電池的原理，最早可以追朔到1839年，法國物理學家Alexandre Edmond Becquerel發現，塗布在金屬電極上的氧化銅(CuO)或鹵化銀(AgX)，經過光照射會產生電壓 。但最早實際發電的太陽能電池則是美國發明家Charles Fritts，在1884年利用具半導體性的硒(selenium)與非常薄的金膜接合，製作成光電電池(photovoltaic cells)，當時的光電轉換效率只有1%。在此發明之後，硒光電池在1960年代被廣泛的運用在測光器(light meter)上，但自從矽材料的出現後，市場馬上消失。
1954年美國M.B. Prince發表論文後，光電池就開始被稱為bell solar battery，當時的光變換效率是6% 。實際上當初bell solar battery的開發是為了人造衛星。最初蘇聯的人造衛星上使用的是一次電池 ，1958年美國的人造衛星先鋒一號開始使用太陽能電池提供動力 。
使用太陽能電池美國人造衛星號Sputnik 1 (左) 與使用一次電池的蘇聯人造衛星Vanguard 1號(中、右)
人造衛星Sputnik 1號與Vanguard 1號
全球第一座太陽能電池面板模組
雖然經過上百年的研究，太陽能電池的發展卻沒有帶來革命性的應用發展，人類仍十分依賴以石油為主的能源原料。但也不能說太陽能電池全無進展，技術經驗的累積，也讓太陽能電池在能源領域開拓出舉足輕重的地位。