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1、光電元件期末報告太陽能電池*1太陽能電池(一) 基本原理(二) 材料與種類(三) 優缺點及應用目錄:Date2(一) 基本原理太陽能光電池簡稱為太陽能電池或太陽電池，又稱為太 陽能晶片；在物理學上稱為光生伏打 ( Photovoltaic )， 簡稱 PV 。 太陽能電池係一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄 片，其將高純度的半導體材料加入一些不純物使其呈現不同 的性質，如加入硼可形成 P 型半導體，加入磷可形成 N 型 半導體，PN 兩型半導體相結合後，當太陽光入射時，產生 電子與電洞，有電流通過時，則產生電力，發電原理可參考 下圖。Date3太陽電池如圖 所示 ，若以矽為材質，則是將 兩片
2、純度極高的矽片重疊 起來，滲透雜質硼或磷形 成P-N 接面，另外於各半 導體上覆蓋能吸收光線物 質的膜，當日光照射於太 陽能電池表面時，當光子 有足夠的能量，將使P 型 半導體帶正電，而N 型半 導體帶負電，在P-N兩 端形成電位差，因此在兩 極間連結負載，就可以流 通電流，只要光線持續照 射，即可保持發電狀態。Date4單晶組態多晶組態非晶組態矽系太陽能電池的材料，主要可以分為單晶矽、多晶矽 和非晶矽3大類。在單晶矽的材料中，矽原子具有高度的周期 性排列。至於多晶矽是指材料由許多不同的小單晶所構成。 而非晶矽則是指整個材料中，只在幾個原子或分子的範圍內 ，原子的排列具有周期性，甚至在有些材料
3、中，根本沒有周 期性的原子排列結構。(二)太陽能電池材料結構Date5太陽能電池總類：Date6太陽能電池的發電能源來自太陽光，而太陽輻射的光 譜主要是以可見光為中心，波長從0.3微米的紫外光到數微 米的紅外光是主要的分布範圍。如果換算成光子的能量， 則大約在0.3到4 電子伏特之間，因此能隙大小在這個範圍 內的材料，像矽材，會具有比較好的光電轉換效率太陽能電池光譜轉換效率顯示UV光、可見光、紅外光的電磁頻譜 Date7各類太陽能電池發電的發電效率及製造方法各類太陽能電池發電的發電效率及製造方法發展世代種類效率%製造方法1單晶矽太陽電池24.0將高純度的半導體材料加入 一些不純物使其呈現不同的
4、 性質，加入硼可形成P型半 導體，加入磷可形成N型半 導體，PN兩型半導體相結合 ，當太陽光入射時，產生電 力與電洞，有電流通過時， 則產生電力。2多晶矽太陽電池18.6 以溶融矽鑄造固化切割成約 300 Method 厚的基板，並以 熱 擴散法或ion implant形成pn 接面。3非晶矽太陽電池13.6非晶矽電池為目前成本最低 的商業化太陽能電池，且無 需封裝, 生產也最快 ，產品 種類多，使用廣汎，多用於 消費性電子產品，且新的應 用產品不斷在開發中。其中 以砷化 鉀電池是最高效率的電池， 但成本也最高。Date84薄膜矽太陽電池14.9 以plasma CVD等方法在玻璃 等基板上成
5、長1M左右之a-Si 薄膜，並且添加雜質形成p-I- n等結構之方式製作。5 化合物太陽電池17.6用真空蒸鍍、sputtering、 screen印刷、燒結法、近接昇 華 法等薄膜形成技術製作。單結晶矽太陽電池 SINGLECRYSTAL 多結晶矽太陽電池 POLYCRYSTAL 非結晶矽太陽電池 AMORPHOUS Date9(1)太陽能是人類可以利用的最豐富的能源。據估計，在過去漫長的十一億年當 中，太陽只消耗了它本身能量的，今後數十億年太陽也不會發生明顯的變 化，所以太陽可以作為永久性的能源，取之不盡、用之不竭。它給地面照射 分鐘的能量，就足夠全世界使用一年。 (2)太陽能是到處都有的
6、，不需要運輸。一般認為，處於南北緯度以 內的地區，都有豐富的太陽能可以利用，只要最初花一定的代價，投一筆資金 ，造好太陽能利用裝置，能量就會源源不斷地自己送上門來，免費供應。 期間枝需要花很少一筆設備維修費。 (3)太陽能使用時不會帶來污染，不會排放出任何對環境不良影響的物質，是一 種清潔的能源。當然，大量使用太陽能之後，由於太陽能的充分利用，結果會 使環境的溫度稍微升高，但這種溫升，不致對環境造成不良影響。 (4)太陽能對於地球不增加熱載荷，這是太陽能特別重要的優點，所以利用太陽 能的系統又稱作無變量的能源系統。因為我們用太陽能作功，雖然最終是 變為熱，但是如果我們不用它做功的話，最終也是變
7、為熱。 (三)太陽能電池之優點Date10(1)雖然到達整個地面太陽能非常巨大，但這種能量非常分 散，作為能源，它的密度太低了。因此，太陽能的利用裝置必 須具有相當大的面積，才能收集到足夠的功率。但是，面積大 ，造價就會高。只有當採集能量裝置表面的單位造價相當便宜 時，才能經濟合算的使用這太陽能利用器。 (2)太陽能受氣候、晝夜的影響很大，到達極不穩定。因此必 須有貯存裝置，這不僅增加了技術上的困難，也使造價增加。 目前雖然已經製成多種貯存系統，但總是不夠理想，具體應用 也有一定困難。 太陽能電池之缺點Date11太陽能技術的應用以自 1950 年代的太空科技移轉至一般民生 商業用途，隨者成本
8、的降低與環保考量，太陽能電池的使用愈 來愈普遍，主要應用在下列範圍。 1.家用發電系統：從 20W 至 4kW，視需要量與經濟情況而定 2.農業：灌溉及抽水等動力系統 3.交通：電動車、充電系統、道路照明系統及交通號誌 4.電訊及通訊：無線電力、無線通訊 5.備載電力：災害補救 6.小功率商品電源 7.戶外定位監視系統:電子式公車站牌 8.大功率電子發電系統 太陽能電池之應用Date12夜間不能發電是太陽能電池的一大缺點，但是針對這一個缺點有兩 種方式可以克服。第一種方式是把白天的太陽光能轉成其他的能量形式加 以儲存，例如蓄電池、飛輪裝置、抽蓄發電廠等，到黑夜的時候再把儲存 的能量釋放出來。另
9、外一種方式是美國和日本兩國正在進行的衛星太陽能發電廠 計畫（Satellite Solar Power Station，SPSS），這一個計畫的工作項 目就是在太空中找到一個能夠不斷接受太陽光的地方，例如在赤道附近上 空，發射具有太陽能電池或熱能發電系統的衛星，利用人造衛星在太空中 吸收太陽能來發電。由於 免除了晝夜、溫差及氣候等因素影響，人造衛星可以連續不停且穩定地接 收太陽能，再把它轉換為電能，然後以微波的方式傳回地球，經過地球微 波接收站接收後，再轉換回來成為電能，輸送到各個地方。在目前，由於科學家們不斷的研究，再加上半導體產業技術的進步， 太陽能電池的效率也逐漸增加，而且發電系統的單位成本也正逐年下降。太陽能電池末來與展望Date13太陽能電池安全、方便、無污染、取之不盡，用之不 竭，但發展至今，仍僅處於起步階段，由於太陽能發電系 統生產成本高，如何提昇太陽能電池轉換效率，以降低成 本，並擴大太陽能電池的使用範圍，如可進行太陽光電系 統與屋瓦的一體化即太陽能屋瓦，使建築物在施工時即安 裝太陽能發電系統，擴大太陽能電池的應用範圍，使人類 能夠充分使用這種對環境較無傷害的能源。 結論Date14Date15
