太陽能電池為什麼能發電？光變成電的原理與效率極限

生活中的例子：從屋頂到計算機

排在住家屋頂或大片土地上的黑色、深藍色板子，就是太陽能板。1片太陽能板裡，排著數十片手掌大小的太陽能電池。它不需要燃料，也沒有會轉動的零件，只要照到光就會產生電。

計算機表面細長的小窗，以及人造衛星上像翅膀一樣的板子，也都是太陽能電池。大小雖然不同，但接收光、產生電的原理是一樣的。

原理①：光的粒子產生「電子與電洞的組合」

光的行為，就像一小團一小團能量的集合。這一小團稱為光子。這裡為了簡化，把光當成「粒子的流動」來說明。1個光子的能量由光的顏色決定：越偏藍的光越大，越偏紅的光越小。

矽裡面的電子，平常用來把原子彼此連結起來，不能移動。要能自由移動，必須越過一道固定大小的能量「高低差」。這道高低差稱為能隙，矽約為1.1 eV。eV（電子伏特）是表示極小能量的單位。

能量比高低差大的光子打進來，電子就能越過高低差，變成可以移動的狀態。電子離開後會留下一個空位。這個空位的行為就像帶正電的粒子，所以稱為電洞。也就是說，1個光子會產生1組電子與電洞。

不過，這樣還不能把電取出來。電子和電洞過一段時間會再次相遇、結合，把得到的能量以熱等形式放掉。只是讓光照在矽板上，矽板只會稍微變熱而已。要以電的形式取出，必須把電子和電洞往相反的方向拉開。

原理②：交界處的電力把電子和電洞分開

負責拉開它們的，是把p型矽和n型矽相接的構造。n型是加入雜質、讓電子變多的矽，p型是加入雜質、讓電洞變多的矽。兩者相接的交界，稱為PN接面。太陽能電池就是把整片面積都做成這種交界的大型PN接面。

在交界處，n型的電子和p型的電洞有一部分會跑到對面，相遇後消失。於是交界處形成一層幾乎沒有可移動電子或電洞的薄層。這一層稱為空乏區。失去電子的n型那一側帶正電，失去電洞的p型那一側帶負電。因此，這裡一直有把電子推向n型、把電洞推向p型的電力。

光產生的電子和電洞進入這一層，電子會被分到n型，電洞會被分到p型。其實，很多光是在離交界較遠的地方被吸收。在那裡產生的組合，只要四處移動、抵達交界，也會被分開（抵達前就相遇消失的部分，就是損失）。分開後的電子和電洞，會被交界的電力擋住，回不去。電子聚集在n型，電洞聚集在p型，兩側之間就產生了電壓。

光產生電壓的這個現象，稱為光伏效應。在n型和p型的表面裝上金屬電極，用外部電路連接，電子就會經過電路回到p型那一側。電子在那裡和電洞相遇、結合。只要光持續照射，這股流動就會持續。這就是太陽能電池的電流。

和影像感測器的差異

手機相機的影像感測器，也使用同樣的原理。像素裡的光二極體，也是在PN接面收集光產生之電子的元件。差別在於目的。影像感測器是為了測量光量，把電子存起來計數。太陽能電池是為了取得電力，讓電子持續流向外部電路（相機那一側的說明請看「影像感測器是什麼？」）。

原理③：從電池片到太陽能板，再排成陣列

太陽能電池的1片，稱為電池片（cell）。市售結晶矽電池片1片的電壓，在外部什麼都不接時約為0.7伏特。這只有1顆乾電池1.5伏特的一半左右。所以要把數十片電池片串聯，提高電壓。

把電池片排好，用玻璃和框架保護，做成1片板子，稱為模組。平常說的「太陽能板」，就是這種模組。

太陽能板的性能，是在國際標準規定的相同條件下測量、比較的。例如，光的強度是每平方公尺1,000瓦，電池片的溫度是25 °C。這些條件稱為標準測試條件（STC），型錄上的「400 W」等數字，就是在這個條件下的值。

為什麼只有一部分的光能變成電

太陽光裡混合了各種顏色的光，從紫外線、肉眼看得見的光，到紅外線都有。也就是說，能量大的光子和能量小的光子混在一起。矽的太陽能電池，沒辦法把它們全部同樣地利用。

首先，能量比高低差小的光子，無法讓電子變得能移動。在矽中，波長大約比1,100 nm長的紅外線就是這種光，大部分會直接穿過。nm（奈米）是1 mm的100萬分之1的長度。

其次，即使是能量比高低差大的光子，能變成電的最多也只有高低差那一份。因為變得能移動的電子，會馬上把多餘的能量放掉。放掉的部分會變成熱。例如藍光（波長約450 nm）的光子約為2.8 eV，所以一半以上會變成熱（本站計算）。

效率的上限：約34%的高牆

照到的光能量中，變成電的比例稱為轉換效率。前一節的2種損失，由材料高低差的大小決定。高低差小，能用的光子多，但每個光子能得到的電變少。高低差大，每個光子得到的電變多，但直接穿過的光子也變多。

美國的蕭克利（Shockley）與奎伊瑟（Queisser），在1961年的論文中計算了這個取捨。蕭克利是電晶體的發明者之一。他們證明，用1個PN接面做成的太陽能電池，效率有理論上的上限。這稱為蕭克利－奎伊瑟極限。

用現在標準的太陽光數據計算，高低差約1.34 eV時上限最高，約為33.7%。不過，這個數字會隨假設而改變。它的前提是理想的電池片、地面上標準的太陽光，以及不用透鏡聚光等。如果把光聚集起來，上限會提高。

矽的高低差（約1.1 eV）比最有利的值稍小一些。再加上電子和電洞在矽裡面自然消失的損失，上限約為29.4%（2013年，德國弗勞恩霍夫研究所）。2026年9月，中國的隆基（LONGi）發表了研究用矽電池片28.29%的效率。這是經德國研究機構ISFH確認的值，約為這個上限的96%。

炎熱與天氣讓發電量改變的原因

太陽能電池的溫度一升高，發電量就會下降。溫度高時，即使沒有光，靠熱越過高低差的電子和電洞也會變多。於是，在交界分開的電子和電洞更容易往反方向漏回去，電壓就會下降。這裡把原因做了相當大的簡化。

下降程度的指標，稱為溫度係數。根據第三方測試機構PVEL在2024年的結果，主要3種方式的太陽能板平均為每1 °C約0.26～0.32%。若以每1 °C 0.3%計算，太陽能板比25 °C高35 °C時，輸出約下降10%（本站計算）。在同樣的亮度下，氣溫低的日子發電比較多。

陰天時，輸出會依照照到的光量下降。雲層厚的日子，會比晴天少很多。

從太陽能板到家裡的插座

太陽能電池產生的，是永遠往同一方向流的直流電。而家裡的插座和輸電線的電，是流動方向來回改變的交流電。所以需要把直流轉成交流的裝置。家用太陽能發電中的這個裝置，常稱為變流器。在日本稱為「功率調節器」（power conditioner）。

這個裝置的核心，是把直流轉成交流的逆變器。裡面有用電來切換的開關（功率半導體），1秒鐘開關數千次以上。詳細原理在「功率半導體是什麼？」中說明。轉換的損失很小，家用產品的轉換效率約為96～97%（以日本夏普的產品為例）。

不斷尋找能取出最多電力的點（MPPT）

能從太陽能電池取出的電力，會隨著讓它流多少電流而改變。讓電流流得多，電壓就會下降；想把電壓維持得高，電流就會變少。電力是電壓乘以電流，所以在兩者之間，有一個電力最大的「剛剛好的點」。

這個點的位置，會隨著光的強度和溫度改變而移動。所以變流器會一點一點改變電壓，確認電力有沒有增加，持續尋找山的頂點。這個功能稱為最大功率點追蹤（MPPT）。

各種材料：從矽到新材料

結晶矽：幾乎占了全部

現在生產的太陽能電池，幾乎都是結晶矽。根據同一家弗勞恩霍夫研究所的整理，結晶矽約占2024年產量的98%。它的優勢是能活用在晶片製造中發展起來的技術，而且原料矽很豐富。2024年新生產的矽太陽能板，效率平均約為22%（同一研究所）。

薄膜型：用薄膜吸收光

也有一種方式，不用矽板，而是在玻璃等基板上，把吸收光的材料做成薄膜。這稱為薄膜型。代表性的有碲化鎘（CdTe），以及銅、銦、鎵、硒的化合物（CIGS）。薄膜型約占產量其餘的2%左右。

鈣鈦礦：可以塗佈製作的新成員

這十幾年來突然受到注目的，是鈣鈦礦太陽能電池。鈣鈦礦是原子排列方式的一種類型名稱。具有這種排列、含鉛和碘等的化合物，可以做成液體，再塗佈或印刷成膜。2009年，日本桐蔭橫濱大學的宮坂力等人把它用在太陽能電池上並發表，當時的效率是3.8%。

之後，研究室小型電池片的效率快速提升。2026年1月，中國的一家企業也發表了面積不到0.1平方公分、效率27.87%的電池片。它能做成又薄又輕、可以彎曲的膜，因此被期待用在難以裝設沉重太陽能板的牆面和屋頂。以日本為例，經濟產業省在2024年11月的戰略中，提出在2040年導入約20 GW的目標。

課題是讓它更耐用。鈣鈦礦的材料容易受水氣和熱損傷，能否在戶外使用數十年，仍是要回答的問題。很多材料含有鉛，如何處理也是課題。

串疊型：把高低差不同的電池疊起來

也有把高低差不同的太陽能電池疊起來的方法。上層放高低差大的材料，負責能量大的藍光。穿過上層的紅光和紅外光，由下層高低差小的材料利用。這稱為串疊型（tandem），能減少每個光子的「找零」（變成熱的部分）。

2026年7月，隆基發表了上層鈣鈦礦、下層矽的電池片，效率35.5%。這是經歐盟執委會聯合研究中心（JRC）的測試設施確認的值。因為能大幅減少變成熱的部分，所以能超過1個接面的上限（約33.7%）。要做成產品，還在後頭。

起點是1954年

第一個實用的矽太陽能電池，是1954年在美國的貝爾實驗室發表的。由查賓（Chapin）、富勒（Fuller）、皮爾森（Pearson）3人製作，效率約6%。1958年，美國的人造衛星先鋒1號搭載太陽能電池發射升空。之後約70年，連量產的太陽能板效率也超過了20%。

常見的誤解

從數字來看

標準測試條件的光，是每平方公尺1,000瓦。效率22%的太陽能板，每平方公尺約為220瓦（本站計算）。紀錄是研究用電池片的值，市售的太陽能板會低幾個百分點。

進一步學習

• 用表格看差異：n型與p型半導體的差異、直接能隙與間接能隙半導體的差異、轉換器與逆變器的差異
• 用圖來看：在PN接面的圖解中，可以一邊操作一邊確認交界處的空乏區
• 下一步的名詞：內建電位（交界處電力的來源）、擴散長度（消失前能移動的距離）、量子效率（光子中變成電子的比例）
• 用數字試試看：能隙與波長換算工具（高低差與能利用的光的波長）、PN接面空乏層寬度計算器（交界那一層的厚度）
• 延伸閱讀：「半導體是什麼？」「影像感測器是什麼？」「功率半導體是什麼？」