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太阳每小时照射到地球上的光能量可供人类1年所需，如能充分利用，能源缺乏问题将可获得解决，因此太阳能发电系统成为替代传统化石能源的首选。
太阳能电池
近年来，科技发展迅速使得人类对能源的需求及依赖与日俱增，导致全世界石油储存快速消耗，价格也持续攀升。在数十年后，可能会出现全球性的能源危机，因此发展替代能源已刻不容缓。此外，石油、煤、天然气等化石燃料燃烧时会产生大量的二氧化碳，对环境造成污染与破坏，更导致温室效应，这是近年来地球气候产生巨大变异的元凶。因此全球对再生能源的重视日渐提高，使得太阳能、风力、水力、生质能等自然且低污染性的绿色能源，在未来更具竞争力。
太阳光能是取之不尽、用之不竭的天然能源，每小时照射到地球上的能量足够人类1年所需，如能充分利用，能源缺乏问题将可获得解决。此外，太阳能发电系统具有安全、无噪音、无污染、不耗费人力、可长期使用等优点，因而成为未来替代传统化石能源的首选。
世界各国，如日本、德国、美国、澳洲等，正积极发展太阳能应用科技，他们努力研发提高太阳能电池光电转编译换效率的技术，以期能提供足够的电能成为重要的供电系统。
太阳能发电系统包含：太阳能电池模板、电力调节器、充放电器与变压器、储能蓄电设备等。其原理是太阳光照射在太阳能电池模板上，电池吸收太阳光且把它转换成电能，因此电池的光电能量转换效率越高时，所获得的电能也就越多。
太阳能电池所产生的是直流电，须经由直流／交流转换器转换成交流电，以供家庭及工业使用。此外，白天电池所产生的电能，须藉由储能设备储存以提供夜间使用。因此高效能的太阳能电池与储能蓄电设备，是整个发电系统中很重要的组成。
太阳能电池类很多，依材料类别主要有三：硅太阳能电池、Ⅲ－Ⅴ族半导体太阳能电池及有机太阳能电池。
硅太阳能电池：硅太阳能电池已商业化量产，市场占有率达95％以上。这类电池又可细分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池与非晶硅薄膜太阳能电池。
硅太阳能电池由P型及N型的硅半导体所组成，在界面处有一内建电场。当太阳光照射时，因光子的能量够大，可使硅半导体内产生电子一电洞对，并受内建电场影响而分离，电子往负极移动，电洞往正极移动，经由导线连接就可获得通过负载的电流，这就是太阳能电池发电的原理。
单晶硅太阳能电池的材料是由规则排列且高纯度的单晶硅所组成，其纯度、良率及稳定性最高，使用寿命长，且光电转换效率约17％也是硅类太阳能电池中最高的。但原料价格昂贵，因此降低电池价格与提升转换效率仍是目前主要的研发方向。
多晶硅太阳能电池使用品质较低的硅晶原材料，其晶粒较大，含较多杂质，使得光电转换效率略低，约14％。但制程较简单且成本比单晶硅便宜20％，因而较易推广，主要使用在一些低功率发电系统中，如提供路标照明的发电等。然而近年来硅晶由于市场需求大增。导致原料供不应求，价格因而持续攀升，限制了硅晶太阳能电池产能的提升。
非晶硅太阳能电池也是以硅为原料，经镀膜制程而得，但硅原子排列不规则，制作时可选择玻璃、陶瓷、金属等为基板，不需使用昂贵的结晶硅基板，因而材料成本较低，且无原料缺货问题，再加上制程简易，可以大面积制作等优点，使其颇具竞争力。市场上已有很多厂商投入，但光电转换效率只有约9％，发电成本约为每千瓦小时1.5美元。若效率能提升至12％，成本将降为约1.0美元，接近市电价格。
Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池：Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池具有目前最高的光电转换效率，其材料由砷化镓、锗、磷化铟镓等Ⅲ-Ⅴ族半导体组成。其中单一接面型的量子井结构，如砷化镓／锗，光电转换效率可达18％以上，而多重接面的结构，如磷化铟镓／砷化镓／锗，效率甚至可达30％以上。但由于材料价格过于昂贵，目前仅局限在太空卫星动力系统的使用，尚无法普及至一般民用。
有机太阳能电池：由于硅晶太阳能电池原料供不应求，在普及化上遇到了瓶颈，因而加速了次世代太阳能电池的发展，有机太阳能电池就是近年来新兴的类型之一，也被视为第3代太阳能电池。这类的电池依材料可分为两类，一是由有机染料小分子构成，称为染料敏化太阳能电池(dvesensitizedsolarcelI,DSC)；另一种由有机高分子构成，称为高分子太阳能电池(poIymersoIarcelllPSC)。染料敏化太阳能电池于1991年在国际期刊中发表后，由于材料吸光特性佳、制程简易、材料便宜、量产容易等特性，近10年来发展非常迅速，世界各国都积极投入开发。
DSC的结构与硅晶太阳能电池很不一样，主要由导电玻璃基板、多孔洞二氧化钛颗粒、感光有机染料分子、参与氧化还原的液态碘离子电解液、碳或白金触媒层及封装胶材所组成。目前小面积(小于1cm2)的DSC光电转换效率可达10％以上，不过在制成大面积模块后，效率仅约6％左右。
现今光电转换效率最高的DSC材料，是含有稀有元素钌的有机金属错合物，价格虽比硅晶材料便宜，但仍属昂贵，且电池中液态电解质在长时间照光与操作下恐有漏液现象，因而局限了其商业化的可能。研发低成本的有机非金属染料分子、改良液态电解质和封装技术来提高电池稳定性，是现阶段最重要的目标。
高分子有机太阳能电池材料主要是类似塑胶特性的有机高分子，重量轻、耐摔、耐冲击、低成本，且具有极佳的可挠曲性，可经由旋转涂布、喷墨印剧等方式制作在玻璃、薄金属或软性塑料基板上，实现大量制造与大面积化的理想。
虽然目前PSC仍以实验室研究为主，尚未商业化，但上述各项优点使得PSC在未来深具发展潜力。PSC依高分子材料与组件制作方式不同而有不同的光电转换效率，最典型的材料是聚三己基噻吩高分子(poIV-3-hexyIthiophene，P3HT)。实验室PSC的组件制作方式，是把P3HT高分子混合修饰过的碳球材料涂布在玻璃基板上。接着以蒸镀方式沉积，金属电极再加以封装就制作完成。
PSC的发电原理是高分子吸收太阳光产生电荷，藉由修饰的碳球材料使不同的电荷分离并导入相对的电极中，其组件光电转换效率已高于5％，若搭配其它高分子材料与制程改良，光电转换效率可高于6％。但PSC最大的挑战是高分子材料本身的纯度不如硅晶材料，在长时间照光与使用下，稳定性不足，寿命短，因此目前仍着重于开发高吸光且高稳定性的高分子材料。
PSC由于质轻、可挠曲、材料无污染、可连续印刷、可大面积化、成本低廉，且易整合于不同电子产品上，兼具环保与经济两大优势，如能有效改善其缺点，必能成为太阳能电池产业的明日之星。
储能设备
储能设备的应用非常广泛，可提供如手机、笔记本型电脑、数码相机、游戏机、电动工具、机器人、再生能源储电系统、电动刮胡刀、UPS不断电系统、电动自行车、 电动机车、混成电动车与纯电动车等的动力，未来更可应用在IC卡、软性电子、生医等薄型可挠式产品上。
目前电子产品的外型要求趋向短小轻薄，因此重量轻、体积小、高储能容量、安全性佳、高功率且无环境污染的储电装置当然受到瞩目。上述的太阳能电池在白天吸收太阳光产生电能后，若能储存于储能装置中，使夜晚、阴天或下雨时也能够有电可用，才能发挥其最大效益。目前重要的储能装置包括锂离子二次电池、超级电容器、超导储能系统等。
锂离子二次电池：二次电池可反复充电，包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等，目前广泛应用于可携式电子产品中。随着电池的效能、寿命及外型轻薄短小的提升，以及环保意识加强，铅酸、镍镉电池因使用铅镉等毒性重金属而逐渐被取代。镍氢电池虽无污染问题，但镍金属材料价格持续上涨，电池容量也不如锂离子电池。使得锂离子电池市场占有率逐渐提升且发展性颇被看好。
锂离子电池的正极材料一般是由锂镍钴锰氧化物所组成，负极材料是锂碳层间化合物，电解质是含锂离子盐类的液态电解质。近两年来厂商致力开发新型正负极材料，提高电池电容量与功率，使具有快速充放电、大电流放电、寿命长、安全性高、价格低等优点，除了已大量应用于可携式电子产品外，也可应用在更多的动力产品中，如电动工具、混成动力车、机器人、太阳能电池储能系统等。
由于锂离子电池的液态电解质在长期操作下，恐会挥发且有露液的问题。因此衍生出使液态电解质固体化的技术而发展出固态薄膜锂电池。以半导体真空制程把电池全固态化，除了可解决漏液及安全性的问题外，也可使电池轻薄化，且依然具备高容量、高功率、寿命长等优点，未来的应用潜力无穷，如IC卡、软性电子产品等。
超级电容器：传统电容器常设计在许多电子产品上，用以补偿及储存电荷，维持电子产品的使用效能及寿命。而超级电容器的电容量可以是传统电容器的200倍，虽仍略逊锂离子电池，却比锂离子电池有较高的充放电功率，可瞬间快速放电并可在短时间内完成充电，同时安全性更佳、循环寿命及保存期限长。因此超级电容器的应用面非常广泛，如电子产品、电动汽机车、太阳能系统、不断电系统、航空与国防器材等。
超级电容器的储能原理，是藉由电活。性或多孔性导电材料经电荷分离或氧化还原反应来储存电能，而电极材料主要是碳系材料、金属氧化物、导电高分子与液态电解质。电极材料是超级电容器的重要成分，影响其性能与生产成本，因此发展新型电极材料是重要课题。
科学家已发展出可在较低反应温度制备的二氧化锰海胆状奈米材料，具备价格低廉、制作简单、结晶性好、可大量生产等优点。随着产品需求与技术的迈进，也发展出导电高分子固态电容器，使用高导电性的有机半导体复合盐材料或导电高分子为固态电解质，进一步解决了液态电容器在高温下可能挥发或爆浆的疑虑，如由聚偏二氟乙烯与三氟氯乙烯结合的新型聚合物压电材料，使得电容器能在较小的电场下储存与释放更大能量。
此外。新发展的高密度层状奈米碳管薄膜电极材料也很受瞩目。它可改善旧有碳材的缺点，具备储存更多电荷、快速放电等优点，更可结合生物技术，如结合生物兼容性的纤维纸，发展出可携带式或植入式生医装置，使得超级电容器更具前瞻性。
超导储能系统：相信大家对时速能超过500公里的磁浮列车印象非常深刻，磁浮列车所用的原理就是应用超导体的超导现象——反磁性与零电阻特性。超导材料在低于其临界温度下，结构中电子与晶格相互作用没有能量的损失，完全不受晶格影响，因此电阻是零，且进入超导态后，会拒绝磁力线进入，因此具有反磁性。
早期超导材料的临界温度过低，约为绝对温度4度，因而限制了它的发展性。但随着科学家的努力，逐渐发现高温超导材料，如铜氧化物(绝对温度30～160度)、二硼化镁(绝对温度39度)、碳六十类(绝对温度117度)等，使得超导体应用更加广泛，磁浮列车因此得以实现。
除此之外，因为在超导体内电阻是零，传输电能时不会有电力损失，所以可做为发电厂与城市之间电力输送之用。另外，因电流在超导体内流动不会衰减，若把超导体线圈做得很大，便可储存大量的电流。当需要时，可以把超导线圈的控温区升至高于临界温度。这时电流会被迫向外流，超导线圈便成为强大的电能储存与供应器。显然，超导材料可以提供发电系统一个强大的储能装置。
新科技的发展会带给人类丰富且便利的生活，“能源”更是驱动社会进步的重要因子。节约能源固然重要，但开发新绿色能源更是刻不容缓。
太阳光正是宇宙赐给大家最好的礼物。而太阳能电池与储能设备等新能源技术的开发，将使人类在未来能享有更优良的生活环境。
太阳能电池
近年来，科技发展迅速使得人类对能源的需求及依赖与日俱增，导致全世界石油储存快速消耗，价格也持续攀升。在数十年后，可能会出现全球性的能源危机，因此发展替代能源已刻不容缓。此外，石油、煤、天然气等化石燃料燃烧时会产生大量的二氧化碳，对环境造成污染与破坏，更导致温室效应，这是近年来地球气候产生巨大变异的元凶。因此全球对再生能源的重视日渐提高，使得太阳能、风力、水力、生质能等自然且低污染性的绿色能源，在未来更具竞争力。
太阳光能是取之不尽、用之不竭的天然能源，每小时照射到地球上的能量足够人类1年所需，如能充分利用，能源缺乏问题将可获得解决。此外，太阳能发电系统具有安全、无噪音、无污染、不耗费人力、可长期使用等优点，因而成为未来替代传统化石能源的首选。
世界各国，如日本、德国、美国、澳洲等，正积极发展太阳能应用科技，他们努力研发提高太阳能电池光电转编译换效率的技术，以期能提供足够的电能成为重要的供电系统。
太阳能发电系统包含：太阳能电池模板、电力调节器、充放电器与变压器、储能蓄电设备等。其原理是太阳光照射在太阳能电池模板上，电池吸收太阳光且把它转换成电能，因此电池的光电能量转换效率越高时，所获得的电能也就越多。
太阳能电池所产生的是直流电，须经由直流／交流转换器转换成交流电，以供家庭及工业使用。此外，白天电池所产生的电能，须藉由储能设备储存以提供夜间使用。因此高效能的太阳能电池与储能蓄电设备，是整个发电系统中很重要的组成。
太阳能电池类很多，依材料类别主要有三：硅太阳能电池、Ⅲ－Ⅴ族半导体太阳能电池及有机太阳能电池。
硅太阳能电池：硅太阳能电池已商业化量产，市场占有率达95％以上。这类电池又可细分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池与非晶硅薄膜太阳能电池。
硅太阳能电池由P型及N型的硅半导体所组成，在界面处有一内建电场。当太阳光照射时，因光子的能量够大，可使硅半导体内产生电子一电洞对，并受内建电场影响而分离，电子往负极移动，电洞往正极移动，经由导线连接就可获得通过负载的电流，这就是太阳能电池发电的原理。
单晶硅太阳能电池的材料是由规则排列且高纯度的单晶硅所组成，其纯度、良率及稳定性最高，使用寿命长，且光电转换效率约17％也是硅类太阳能电池中最高的。但原料价格昂贵，因此降低电池价格与提升转换效率仍是目前主要的研发方向。
多晶硅太阳能电池使用品质较低的硅晶原材料，其晶粒较大，含较多杂质，使得光电转换效率略低，约14％。但制程较简单且成本比单晶硅便宜20％，因而较易推广，主要使用在一些低功率发电系统中，如提供路标照明的发电等。然而近年来硅晶由于市场需求大增。导致原料供不应求，价格因而持续攀升，限制了硅晶太阳能电池产能的提升。
非晶硅太阳能电池也是以硅为原料，经镀膜制程而得，但硅原子排列不规则，制作时可选择玻璃、陶瓷、金属等为基板，不需使用昂贵的结晶硅基板，因而材料成本较低，且无原料缺货问题，再加上制程简易，可以大面积制作等优点，使其颇具竞争力。市场上已有很多厂商投入，但光电转换效率只有约9％，发电成本约为每千瓦小时1.5美元。若效率能提升至12％，成本将降为约1.0美元，接近市电价格。
Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池：Ⅲ-Ⅴ族半导体太阳能电池具有目前最高的光电转换效率，其材料由砷化镓、锗、磷化铟镓等Ⅲ-Ⅴ族半导体组成。其中单一接面型的量子井结构，如砷化镓／锗，光电转换效率可达18％以上，而多重接面的结构，如磷化铟镓／砷化镓／锗，效率甚至可达30％以上。但由于材料价格过于昂贵，目前仅局限在太空卫星动力系统的使用，尚无法普及至一般民用。
有机太阳能电池：由于硅晶太阳能电池原料供不应求，在普及化上遇到了瓶颈，因而加速了次世代太阳能电池的发展，有机太阳能电池就是近年来新兴的类型之一，也被视为第3代太阳能电池。这类的电池依材料可分为两类，一是由有机染料小分子构成，称为染料敏化太阳能电池(dvesensitizedsolarcelI,DSC)；另一种由有机高分子构成，称为高分子太阳能电池(poIymersoIarcelllPSC)。染料敏化太阳能电池于1991年在国际期刊中发表后，由于材料吸光特性佳、制程简易、材料便宜、量产容易等特性，近10年来发展非常迅速，世界各国都积极投入开发。
DSC的结构与硅晶太阳能电池很不一样，主要由导电玻璃基板、多孔洞二氧化钛颗粒、感光有机染料分子、参与氧化还原的液态碘离子电解液、碳或白金触媒层及封装胶材所组成。目前小面积(小于1cm2)的DSC光电转换效率可达10％以上，不过在制成大面积模块后，效率仅约6％左右。
现今光电转换效率最高的DSC材料，是含有稀有元素钌的有机金属错合物，价格虽比硅晶材料便宜，但仍属昂贵，且电池中液态电解质在长时间照光与操作下恐有漏液现象，因而局限了其商业化的可能。研发低成本的有机非金属染料分子、改良液态电解质和封装技术来提高电池稳定性，是现阶段最重要的目标。
高分子有机太阳能电池材料主要是类似塑胶特性的有机高分子，重量轻、耐摔、耐冲击、低成本，且具有极佳的可挠曲性，可经由旋转涂布、喷墨印剧等方式制作在玻璃、薄金属或软性塑料基板上，实现大量制造与大面积化的理想。
虽然目前PSC仍以实验室研究为主，尚未商业化，但上述各项优点使得PSC在未来深具发展潜力。PSC依高分子材料与组件制作方式不同而有不同的光电转换效率，最典型的材料是聚三己基噻吩高分子(poIV-3-hexyIthiophene，P3HT)。实验室PSC的组件制作方式，是把P3HT高分子混合修饰过的碳球材料涂布在玻璃基板上。接着以蒸镀方式沉积，金属电极再加以封装就制作完成。
PSC的发电原理是高分子吸收太阳光产生电荷，藉由修饰的碳球材料使不同的电荷分离并导入相对的电极中，其组件光电转换效率已高于5％，若搭配其它高分子材料与制程改良，光电转换效率可高于6％。但PSC最大的挑战是高分子材料本身的纯度不如硅晶材料，在长时间照光与使用下，稳定性不足，寿命短，因此目前仍着重于开发高吸光且高稳定性的高分子材料。
PSC由于质轻、可挠曲、材料无污染、可连续印刷、可大面积化、成本低廉，且易整合于不同电子产品上，兼具环保与经济两大优势，如能有效改善其缺点，必能成为太阳能电池产业的明日之星。
储能设备
储能设备的应用非常广泛，可提供如手机、笔记本型电脑、数码相机、游戏机、电动工具、机器人、再生能源储电系统、电动刮胡刀、UPS不断电系统、电动自行车、 电动机车、混成电动车与纯电动车等的动力，未来更可应用在IC卡、软性电子、生医等薄型可挠式产品上。
目前电子产品的外型要求趋向短小轻薄，因此重量轻、体积小、高储能容量、安全性佳、高功率且无环境污染的储电装置当然受到瞩目。上述的太阳能电池在白天吸收太阳光产生电能后，若能储存于储能装置中，使夜晚、阴天或下雨时也能够有电可用，才能发挥其最大效益。目前重要的储能装置包括锂离子二次电池、超级电容器、超导储能系统等。
锂离子二次电池：二次电池可反复充电，包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等，目前广泛应用于可携式电子产品中。随着电池的效能、寿命及外型轻薄短小的提升，以及环保意识加强，铅酸、镍镉电池因使用铅镉等毒性重金属而逐渐被取代。镍氢电池虽无污染问题，但镍金属材料价格持续上涨，电池容量也不如锂离子电池。使得锂离子电池市场占有率逐渐提升且发展性颇被看好。
锂离子电池的正极材料一般是由锂镍钴锰氧化物所组成，负极材料是锂碳层间化合物，电解质是含锂离子盐类的液态电解质。近两年来厂商致力开发新型正负极材料，提高电池电容量与功率，使具有快速充放电、大电流放电、寿命长、安全性高、价格低等优点，除了已大量应用于可携式电子产品外，也可应用在更多的动力产品中，如电动工具、混成动力车、机器人、太阳能电池储能系统等。
由于锂离子电池的液态电解质在长期操作下，恐会挥发且有露液的问题。因此衍生出使液态电解质固体化的技术而发展出固态薄膜锂电池。以半导体真空制程把电池全固态化，除了可解决漏液及安全性的问题外，也可使电池轻薄化，且依然具备高容量、高功率、寿命长等优点，未来的应用潜力无穷，如IC卡、软性电子产品等。
超级电容器：传统电容器常设计在许多电子产品上，用以补偿及储存电荷，维持电子产品的使用效能及寿命。而超级电容器的电容量可以是传统电容器的200倍，虽仍略逊锂离子电池，却比锂离子电池有较高的充放电功率，可瞬间快速放电并可在短时间内完成充电，同时安全性更佳、循环寿命及保存期限长。因此超级电容器的应用面非常广泛，如电子产品、电动汽机车、太阳能系统、不断电系统、航空与国防器材等。
超级电容器的储能原理，是藉由电活。性或多孔性导电材料经电荷分离或氧化还原反应来储存电能，而电极材料主要是碳系材料、金属氧化物、导电高分子与液态电解质。电极材料是超级电容器的重要成分，影响其性能与生产成本，因此发展新型电极材料是重要课题。
科学家已发展出可在较低反应温度制备的二氧化锰海胆状奈米材料，具备价格低廉、制作简单、结晶性好、可大量生产等优点。随着产品需求与技术的迈进，也发展出导电高分子固态电容器，使用高导电性的有机半导体复合盐材料或导电高分子为固态电解质，进一步解决了液态电容器在高温下可能挥发或爆浆的疑虑，如由聚偏二氟乙烯与三氟氯乙烯结合的新型聚合物压电材料，使得电容器能在较小的电场下储存与释放更大能量。
此外。新发展的高密度层状奈米碳管薄膜电极材料也很受瞩目。它可改善旧有碳材的缺点，具备储存更多电荷、快速放电等优点，更可结合生物技术，如结合生物兼容性的纤维纸，发展出可携带式或植入式生医装置，使得超级电容器更具前瞻性。
超导储能系统：相信大家对时速能超过500公里的磁浮列车印象非常深刻，磁浮列车所用的原理就是应用超导体的超导现象——反磁性与零电阻特性。超导材料在低于其临界温度下，结构中电子与晶格相互作用没有能量的损失，完全不受晶格影响，因此电阻是零，且进入超导态后，会拒绝磁力线进入，因此具有反磁性。
早期超导材料的临界温度过低，约为绝对温度4度，因而限制了它的发展性。但随着科学家的努力，逐渐发现高温超导材料，如铜氧化物(绝对温度30～160度)、二硼化镁(绝对温度39度)、碳六十类(绝对温度117度)等，使得超导体应用更加广泛，磁浮列车因此得以实现。
除此之外，因为在超导体内电阻是零，传输电能时不会有电力损失，所以可做为发电厂与城市之间电力输送之用。另外，因电流在超导体内流动不会衰减，若把超导体线圈做得很大，便可储存大量的电流。当需要时，可以把超导线圈的控温区升至高于临界温度。这时电流会被迫向外流，超导线圈便成为强大的电能储存与供应器。显然，超导材料可以提供发电系统一个强大的储能装置。
新科技的发展会带给人类丰富且便利的生活，“能源”更是驱动社会进步的重要因子。节约能源固然重要，但开发新绿色能源更是刻不容缓。
太阳光正是宇宙赐给大家最好的礼物。而太阳能电池与储能设备等新能源技术的开发，将使人类在未来能享有更优良的生活环境。