一、前言
在二十一世紀的現代，正逢人類護衛地球的環保意識來臨，綠能產業及太陽能、生質能、地熱能、海洋能、風力、水力發電等替代能源愈來愈受重視。在台灣，對太陽能電池技術也不斷進行研發，目前已經有新的第三代太陽能電池技術成功研發出來，可以不受日照角度限制，只要有光源，即使在室內也可發電，可以廣泛應用在3C消費產品，預估最快2014年可邁入量產，全球產值至少有60億新台幣。太陽能具有下列的優點：由太陽光轉變成電的行為安靜、沒有空氣污染或產生危險性物質；對高科技工業而言有經濟效益大、未來發展性高；對國家來說有免費的天然能源、無需購買燃料、大量而豐富、可達到國內自給自足。
二、 電池的緣起
1. 電的發現
在1786年11月6曰，意大利波隆那(Bologna)大學解剖學教授伽伐尼(Luigi Galvani) 偶然發現在起電機旁的一只已解剖的青蛙，當用外科手術刀觸及蛙腳上外露的神經時，蛙腳就劇烈地抽搐，經研究發現，將兩種不同的金屬接在一起會產生電的作用，1791年他發表了「電對肌肉運動的作用」論文。
2.銅鋅電池
意大利物理學教授伏打(Alessandro Volta)讀到了這篇論文，開始研究不同金屬接觸的作用，從而發現了如下起電順序：
鋅－鉛－錫－鐵－銅－銀－金－石墨
1880年因為他是位勤奮的電學實驗家(1775年曾發明起電盤)，因此把注意點主要集中在那一對金屬上。他把一根由兩種金屬接起來的彎桿，一端與眼睛接觸，另一端放在嘴裡，那麼在接觸的瞬間就有光亮的感覺；當舌頭同時舐著一個金幣和一個銀幣時，一旦用導線連接兩幣就會產生苦覺。伏打猜想，在所有這些實驗中本質的東西是。1794年他開始著手證明這個假說。實驗證明，只要在兩種金屬片中間隔以鹽水或鹼水浸過的吸墨紙、麻布，並用金屬線把它連接起來，不論有無青蛙肌肉，都會有電流通過，蛙腿神經只不過是一種非常靈敏的驗電器而已。為了證明自己的見解，伏打又對各種金屬進行了試驗，從而發現了如下起電順序：
鋅－鉛－錫－鐵－銅－銀－金－石墨
當以上任何兩種金屬相接觸，在順序中前面的一種帶正電，後面的一種帶負電。後來在杯子中貯以鹽水或稀酸，浸入銅、鋅片，並把每個杯中的鋅片與另一杯中的銅片用金屬線連接起來，這樣便得到了最早的銅鋅電池。
3. 碳鋅乾電池：
碳鋅電池是一種極普遍的乾電池，早在1900年以前，已經商品化。碳鋅電池的大小、形狀和使用壽命有好幾種。
碳鋅乾電池的構造：外殼以鋅作負極，內部正極是一支碳棒及外層包圍碳棒的二氧化錳(MnO2)和石墨粉的厚漿，兩電極之間填滿了電解質水溶液，以氯化銨和氯化鋅為主的飽和溶液和一些惰性漆料濕漿糊。當電極被連接時，負極的鋅即被氧化失去電子(e-)。失去的電子便經由電線跑到正極使氯化銨解離出的NH4+離子還原，同時也形成氫氣。釋出的氫再被氧化錳所氧化，而NH3則被利用形成錯合物。
乾電池長時間不使用時，需將電池取出，以防止漏液。用過的碳鋅電池不可充電。因為碳鋅電池為防止電解液外漏，通常完全密封，在充電過程中會產生氣體，有爆裂的危險。這種電池因為價格便宜、使用方便，所以現在市面的小型電器大多都使用這種電池。
優點：
（1）價格便宜
（2）小電流、短時間使用時效率高
缺點：
（1）電流較大及使用時間較長時效率低
（2）長時間不使用時會漏液
（3）會污染環境，須回收
4. 鹼性電池：
鹼性電池是乾電池的改良，在許多用途上已取代了乾電池，我們的隨身聽、GAMEBOY中經常使用這種電池。與乾電池相比，它在較大電流時仍可維持可用電壓，且低溫下可使用，壽命較長，可是其價格是一般二氧化錳乾電池的五倍左右。其標準電壓為1.54V，現在市面上的金頂、勁量鹼性電池就是屬於這一類的電池。
鹼性電池當連接電極時，負極的鋅(Zn)與氫氧根離子作用，使鋅變成氧化鋅，且生成水並釋出電子，負極釋出的電子又與正極的二氧化錳作用，讓二氧化錳還原(獲得電子，價數由4+變為3+)，總反應為：Zn+2MnO2→ZnO+Mn2O3。
優點：
（1）電流較碳鋅電池大
（2）電壓較能維持不變，使用壽命較長
缺點：
（1）價格較昂貴
（2）會污染環境，須回收
5. 水銀電池
水銀電池是二次大戰期間所發展出來的一種電池。大多數電池的電位會隨電流放電而下降，尤其是達到壽命的末期時這個現象會特別明顯。而水銀電池則是在釋出電流之餘仍可保有穩定之電流。
水銀電池的負極材料是鋅汞齊。反應的固態HgO在正極被還原。其電解質是Zn(OH)2在KOH溶液內之漿糊，為強鹼性，內含有鋅酸根錯離子：Zn(OH)42-，而在正極的材料是氧化汞。此種電池也是鹼性電池的一種。
通電時，在負極的鋅汞齊，和氫氧化鋅中的氫氧根離子化合而成氧化鋅和水，同時釋放出電子，電子會沿著電線至正極，和正極的氧化汞與負極反應時產生的水一並反應成汞和氫氧根離子。而在電池淨反應內除了Zn和汞齊(Hg)外，反應式中的物質純綷為固体和液体。總反應為：HgO+Zn(汞齊)→ZnO+Hg。
優點：
（1）體積小
（2）使用寿命長
缺點：
（1）價格較貴
（2）會污染環境，須回收
6. 鉛蓄電池
鉛蓄電池多用於汽、機車等交通工具，其基本構造是以鉛板為負極，氧化鉛板為正極，正負極之間以稀硫酸溶液為電解質。當電池放電時，負極的鉛會和硫酸中的硫酸根離子化合成硫酸鉛，且附著在陽極上，同時也產生電子。電子通過電線至正極形成電流，和正極的氧化鉛與硫酸中的氫離子、硫酸根離子一同化合成硫酸鉛和水，總反應為：Pb+PbO2+2H2SO4→2PbSO4+2H2O
鉛蓄電池可以充電，充電時，將兩電極接上直流電源(正極接正極，負極接負極)，電池內部就會產生和放電時完全相反的反應，使內部的物質還原成還沒放電前的樣子。總反應為：2PbSO4+2H2O→ Pb+PbO2+2H2SO4
優點：
（1）可以重複充電使用
（2）使用壽命長
（3）需要較高的電壓時，可將數個電池串聯使用
缺點：
（1）必需定時補充蒸餾水，使電解液維持一定的密度
（2）有硫酸漏液或酸霧逸出的困擾
（3）相當笨重，使用上較不方便
7. 鋰電池
鋰電池可充電，為現代電子工業的重要器材，優點在於其重量小、電壓大、儲存電能大。普遍使用於電腦及手機中。
優點：
（1）可以重複充電使用
缺點：
（1）充電次數有限制
（2）價格高
8. 鎳鎘電池
鎳鎘電池是屬於蓄電池的一種，雖然價格較其他的的電池昂貴，可是使用壽命較長(現在市面上的鎳鎘電池大多都能充電1000次左右)，放電和充電速率高，其電壓不會隨著使用的時間而下降(約1.4V)，故有十分穩定的電壓，現廣泛的使用於無線電收發器、電牙刷、電鑽子、電動括鬍刀、電子閃光燈、電子計算機等各式各樣的小形電器用品上。
鎳鎘電池負極的鎘(Cd)和氫氧化鈉(NaOH)中的氫氧根離子(OH-)化合成氫氧化鎘，並附著在陽極的鎳上，同時也放出電子。電子沿著電線至陰極，和陰極的二氧化鎳與氫氧化鈉溶液中的水反應形成氫氧化鎳和氫氧根離子，氫氧化鎳會附著在陽極上，氫氧根離子則又回到氫氧化鈉溶液中，故氫氧化鈉溶液濃度不會隨著時間而下降，總反應為： Cd+NiO2+2H2O→Cd(OH)2+Ni(OH)2，充電時反應則相反。
優點：
（1）電壓穩定
（2）壽命長
缺點：
（1）鎘是有毒的金屬，有些國家已立法限制其使用
（2）會污染環境，須回收
9. 鎳氫電池
鎳氫電池（NiMH）是由鎳鎘電池（NiCd battery）改良而來的，其以能吸收氫的金屬代替鎘（Cd）。它以相同的價格提供比鎳鎘電池更高的電容量、比較不明顯的記憶效應、以及比較低的環境污染(不含有毒的鎘)。它被稱為是最環保的電池。但是與鋰離子電池比較時，卻有比較高的記憶效應，以及較高的自我放電反應。鎳氫電池比碳性或鹼性電池有更大的輸出電流，相對地更適合用於高耗電產品，某些型號甚至比鎳鎘電池有更大輸出電流。
優點：
（1）電壓穩定
（2）毒性低
（3）記憶效應高
（4）輸出電流大
缺點：
（1）充電次數有限制
（2）自我放電反應較高
（3）價格較鎳鎘電池貴
三、 進年來台灣之用電量及台電長期負載預測結果
由台電公司統計之近年來的供電量及預測未來供電量趨勢，大約以年平均2.7％的成長率增加，預計98至109年間將新增發電容量1,666.9萬瓩，包括再生能源中之慣常水力19.9萬瓩（1.2%）、其他再生能源85.6萬瓩（5.1%）；火力1,291.4萬瓩占77.5%，其中燃煤800.0萬瓩(48.0%)、燃油5.1萬瓩(0.3%)、燃氣486.3萬瓩(29.2%)；核能270.0萬瓩（16.2%）。而火力發電需耗費燃料成本，也會增加二氧化碳的排放量，若能提高再生能源發電機組（如太陽光電、風力、地熱、及生質能發電）的發電裝置輸出容量，則有助於延長地球的壽命。
 四、 廢乾電池全面回收
長期以來，廢電池內重金屬因掩埋可能造成污染的問題，一直是環保關心人士的注意焦點之一，其中的汞、鎘更是高毒性物質，分別能引起腎衰竭及痛病、癌症等；正因如此，環保署分別於1997及1998年公告回收含汞電池及鎳鎘電池。但由於一般民眾對應回收電池的辨識不易，無法充分配合回收要求，以致成效低落。此外，部分電池亦含有汞、鎘、鉛等重金屬物質，掩埋後可能造成重金屬污染，為此，環保署已於1999年11月1日起全面回收各類廢乾電池。在實施各類電池全面回收後，民眾回收廢電池時不再需要分類，不管是日常用圓筒狀電池、手錶電池、相機電池、大哥大電池或電腦用電池皆可送至超商、超市、量販店、藥妝店、社區、學校、清潔隊等電池回收管道；另外，環保署也已補助鐘錶工會於全國各鐘錶行設置1000個鈕釦型電池回收點。
環保署更推動通訊器材店、電器行、照相沖印店等業者設置電池回收點，希望能於89年底前達成6000個回收點。據了解，目前已配合的有全國電子、震旦通訊、和高電器、神腦國際、三商百貨等業者。另外，為鼓勵廠商製造或輸入有害重金屬含量較低的電池，未來電池中汞、鎘、鉛含量若超過基準值，回收費率將加倍。依據2009年8月環保署統計，目前台灣的廢乾電池回收率達到67.25%，超過歐盟會員國2016年回收率45%的目標水準，此外，為能讓使用者瞭解電池中所含有的重金屬種類，提醒消費者減少使用且務必回收高污染的乾電池，2010年4月1日起，含汞或鎘的電池應標示「含汞(或鎘)電池，減少使用，務必回收」之警語，裝有這二類電池的電器，也須在產品上及說明書中標示警語。
根據環保署的統計，2000年這一年中，台灣共用了10,823公噸的乾電池，換算成民眾常使用的三號電池，則數量高達五億四仟萬個，使用量相當多。廢乾電池內含有許多重金屬，包括鉛、鋅、鎳、鈷、鐵、鋰等具回收價值的金屬，以及對環境危害最大的汞及鎘等化學物質；廢電池如果不回收處理，會污染土壤及水源，人體透過食物鏈吸收重金屬，會危害身體健康，更會持續殘留到下一代。
五、太陽能電池的種類與研發
太陽能電池是藉由半導體材料吸收太陽輻射能後，價電帶的電子受到激發，躍遷至傳導帶後造成電位差，再經外部迴路形成電流。由於矽是地球上含量第２多的元素，且半導體產業的發展成熟，使得矽元素成為主要的太陽能電池材料，矽晶太陽能電池目前市場占有率達 86％。
然而晶體矽並非理想的太陽能電池材料，它對陽光的吸收率很低，為達到 90％ 的光吸收率，需厚度 100 微米以上的矽晶體，因而增加了矽晶太陽能電池的發電成本。以現今售價而言，矽晶太陽能電池每度電約新臺幣 15 ~ 20 元，是傳統發電成本的 10 倍。
為降低太陽能電池的發電成本，因而發展出各種材料的太陽能電池，如非晶矽太陽能電池、化合物半導體太陽能電池。這類型的太陽能電池可藉由較薄的材料，達到相同的光吸收率，因此可大幅降低製造成本。
非晶矽太陽能電池多半利用電漿化學氣相沉積法製作，利用 SiH4 氣體通入製造腔體，在基板上生成一層散亂排列的矽原子薄膜。由於這種薄膜含有大量的氫鍵，通常稱作 a-Si:H。這方法製得的矽薄膜相較於矽晶太陽能電池，可省去長晶、切晶、退火等加工程序，且可成長於軟性基板或玻璃上，以應用在建築物或戶外可攜式器具上。但由於矽原子的散亂排列，使整體系統處於不穩定狀態，會有光致劣化的問題，使它的實際發電效率降至 8％。
化合物半導體包含鎘碲半導體太陽能電池和 I-III-VA 族半導體太陽能電池，前者以鎘碲半導體為代表，後者以銅銦硒和銅銦鎵硒半導體為主。鎘碲半導體有很高的光吸收率，以 1 微米厚的鎘碲半導體為例，它的光吸收率可達 99％ 以上，因此很適合做為太陽能電池，目前它的光電轉換效率可達 15.8％。然而鎘碲半導體太陽能電池中含有大量的鎘元素，可能會對環境造成汙染，因而限制了它的發展。
銅銦硒半導體太陽能電池是 70 年代由美國貝爾實驗室發展出來的，後來發現在銅銦硒半導體中添加鎵元素，可進一步調整這種半導體材料的能隙大小。銅銦硒半導體或銅銦鎵硒半導體太陽能電池具有高光吸收率和長時間使用穩定性，目前銅銦鎵硒半導體太陽能電池的光電轉換效率達 19％。此外，它也可製作於軟性基板上，大幅增加了應用性。然而這類半導體中含有鎵、銦、硒等稀有元素，大大地限制了它的普及性。
另外一種太陽能電池是色素增感太陽能電池，結構是透明導電玻璃／二氧化鈦層／染料光敏化劑（色素）／電解液／金屬的層狀堆積結構。它的原理是太陽能電池中的染料，即光敏化劑（色素），吸收陽光的輻射能後，會激發染料中的電子，使它往二氧化鈦和導電玻璃方向移動，最後經外部迴路形成電流。這類型太陽能電池的生產成本低，且不需大型昂貴設備便可製得，目前小面積元件的效率已達 11％。
第三代新式太陽能電池技術已在台灣成功研發出來。具有不受日照角度限制，只要有光源，即使在室內也可發電，可以廣泛應用在3C消費產品，國內已有能源業者展現高度興趣，願意合作量產，預估最快2014年可邁入量產，全球產值至少有60億新台幣。可以預見，台灣太陽能電池產業，將在全球扮演舉足輕重的角色。包括搖頭娃娃擺飾，手持電筒，到會自動發電的整棟大樓，都可以是太陽能電池的應用範圍。
六、結論
太陽能的優點在民生用途上有：由太陽光轉變成電的行為安靜、沒有空氣污染或產生危險性物質。對高科技工業而言有：經濟效益大、未來發展性高。對國家來說有：免費的天然能源、無需購買燃料、大量而豐富、可達到國內自給自足。對地球來說有：沒有噪音、沒有空氣污染、沒有二氧化碳的排放。
人類護衛地球的環保意識高漲，替代能源愈來愈受重視，在台灣有新的第三代太陽能電池技術研發出來，加上石油價格上漲的趨勢當道，太陽能電池已成為全球替代能源新寵。太陽能電池在100 多年前就已經被研究且發明出來了，但到了這個以科技驕傲的21 世紀，卻因為技術與成本的關係而無法有效被利用，至今我們仍在燃燒能源，浪費能源，製造二氧化碳，危害這顆美麗的星球。現在我們在面臨著能源枯竭，原油漲價，世界政府都積極的投入研究綠色能源，太陽能電池，氫氧電池…等等，想像在未來當我們的地球不在有工廠的濃煙，汽機車的廢煙，一切的能源皆是從大自然中無汙染地取用，不再製造廢棄，不再浪費地球千萬年積存下來的能源，我們的地球將變的多美好。期望在未來，地球將是個真正的綠色地球。
藉此分享研發新式太陽能電池的成果，願大家共同護衛地球，以實際行動為人類的永續生存而努力。
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