1、電 化 學 報 告 題 目 :太 陽 能 電 池 組 員 :黎 振 杰 4984037 蔡 東 益 49807 李 建 驊 435杜 東 育 49804 陳 履 汶 4太陽能晶片又稱太陽能電池或光電池，是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及電流。在物理學上稱為太陽能光伏（Photovoltaic ，photo 光線， voltaic 電力，縮寫為 PV） ，簡稱光伏。太陽能板之發電原理太陽能電池發電是根據愛因斯坦的光電效應。利用太陽輻射出不同波長（頻率）的電磁波， 如紅、紫外線、可見光等等。當這些射線照射在不同導體或半導體上，光子於導體或半導體中的自由電子
2、作用產生電流。射線的波長越短，頻率越高，所具有的能量就越高。例如紫外線所具有的能量要遠遠高於紅外線，但是並非所有波長的射線的能量都能轉化為電能，值得注意的是光電效應於射線的強度大小無關，只有頻率達到或超越可產生光電效應的數值時，電流才能產生。絕大部分的導體、半導體只能對頻率高於黃光的射線產生光電效應。太陽光以橙黃色為主，也因此太陽能電池的發電效率並不高。太陽電池發電是一種可再生的環保發電方式，發電過程中不會產生二氧化碳等溫室氣體、幾乎不會對環境造成污染。按照製作材料分為矽基半導體電池、染料敏電池、有機材料電池等。對於太陽電池來說最重要的參數是轉換效率，目前在實驗室所研發的矽基太陽能電池中，單晶
3、矽電池的最高轉換效率為29%、多晶矽電池為 24%、非晶矽為 17%，實際量產時的轉換效率會更低。太陽能電池製作如何提高太陽能電池的效率，須從太陽能電池的基本結構來討論。現有矽材料的太陽能電池可大致分為兩類：一是含單晶及多晶的結晶矽太陽能電池， 另一是非晶矽薄膜太陽能電池。結晶矽太陽能電池是使用一定摻質程度的型矽晶做為基材，在其表面製作出型區域層，完成 p-n 接合。由於平坦的矽晶表面會使部分太陽光反射而無法貢獻於發電，為了減少反射光的損失，一般都以氫氧化鉀的鹼性溶液把矽晶片表面蝕刻出金字塔結構的粗糙面，藉以把反射光的比率降到 10 以下。決定矽晶太陽能電池轉化效率的重要因素是載子復合的損失，
4、包含在矽晶內部因結晶本身的缺陷造成的、以及在矽晶表面與金屬電極的界面處存在的懸浮鍵結所造成的載子捕捉效應。這些都會使得電子、電洞在電池發電層內能夠移動的距離變短，就造成轉換效率下降。避免矽晶因缺陷造成的載子捕捉，可以使用雜質較少的高品質矽晶，但這會使矽晶取得的成本增加。一般國內的長晶廠，如中美矽晶、合晶等公司使用柴式 拉晶法製作出的單晶矽，其載子擴散長度可到 100 至 200 微米，多晶矽則會降到 100 微米以下。以現階段結晶矽太陽能電池的基材厚度約為 200 微米來說，最好使用載子擴散長度也約略在 200 微米的矽晶片。要注意的是，決定太陽能電池轉換效率的載子擴散長度，會因為電池製作過程
5、中的升溫或晶片清洗處理不當而造成特性急遽下降。對此，日本三洋電機 公司發展出低溫製程的異質接面單晶矽太陽能電池，簡稱 HIT，以低溫的電漿化學氣相沉積技術在攝氏 200 度進行摻質膜層的製作，並獲得轉化效率高達 20 的產品。然而這種單晶矽晶片做出來的太陽能板上下兩面都鍍有金屬電極，約占表面 20 30，這些電極會因遮光效應而導致發電的損失。因此，近年來把電極全部都做在同一面的背向電極形式的單晶太陽能電池十分受到重視。譬如美國的 SunPower 公司，是以這種概念讓太陽能板的受光面不受電極的遮蔽，量產製作出轉化率高達 22 的太陽能電池。當然這種單面受光的矽晶太陽能電池，因為要把所有受光面產
6、生的載子經由矽晶背面的 p-n 區域電極導出，可想像需要有載子擴散長度比晶片厚度長的高品質矽晶材料來搭配，才能有高轉化效率。太陽電池材料種類太陽電池的材料種類非常的多，可以有非晶矽、多晶矽、 CdTe、CuInxGa(1-x)Se2 等 半導體的、或三五族、二六族的元素鏈結的材料；透過不同的製程和方法，強化對光的反應和吸收，讓短波長或長波長都可以全盤吸收的革命性突破，來降低材料的成本。太陽電池型式上也分有，基板式或是薄膜式，基板在製程上可分拉單晶式的、或相溶後冷卻結成多晶的塊材，薄膜式是可和建築物有較佳結合，如有曲度或可撓式、折疊型，材料上較常用非晶矽。另外還有一種有機或奈米材料研發，仍屬於前
7、瞻研發。因此，也就是目前可聽到不同世代的太陽電池：第一代基板矽晶（Silicon Based） 、第二代為薄膜（Thin Film） 、第三代新觀念研發（New Concept） 、第四代複合薄膜材料。第一代太陽能電池發展最長久技術也最成熟。可分為，單晶矽（Monocrystalline silicon） 、多晶矽（Polycrystalline silicon） 、非晶矽（amorpphous silicon） 。以應用來說是以前兩者單晶矽與多晶矽為大宗。第二代薄膜太陽能電池以薄膜製程來製造電池。種類可分為多晶矽（Polycrystalline silicon） 、非晶矽（amorpphou
8、s silicon） 、碲化鎘（Cadmium Telluride CdTe） 、銅銦硒化物（Copper Indium Selenide CIS） 、銅銦鎵硒化物（Copper Indium Gallium Selenide CIGS ） 、砷化鎵（ Gallium arsenide GaAs） 。第三代電池與前代電池最大的不同是製程中導入有機物和奈米科技。種類有光化學太陽能電池、染料光敏化太陽能電池、高分子太陽能電池、奈米結晶太陽能電池。第四代則是針對電池吸收光的薄膜做出多層結構。某種電池製造技術。並非僅能製造一種類型的電池，例如在多晶矽製程，既可製造出矽晶版類型，也可以製造薄膜類型。太陽
9、光電池光電轉換原理在眾多太陽光電池中較普遍且較實用的有單晶矽太陽光電池、多晶矽太陽光電池及非晶矽太陽光電池等三種，太陽光電池主要功能在將光能轉換成電能，這個現象稱之為光伏效應陽光電池之所以能將光能轉換成電能主要有兩個因素：一是光導效應，二是內部電場，因此在選取太陽能電池的鰹 氶 A 必須要考慮到材料的光導效應及如何產生內部電場。光照射在物質上時，部份的光會被物質吸收，部份的光則經由反射或穿透等方式離開物質，選取太陽光電池材料的第一考量就是吸光效果要很好，如此才能使輸出功率增加。選取太陽光電池材料的第二考量是光導效果，欲選取光導效果佳的材料首先必須瞭解太陽光的成分及其能量分佈狀況，進而找出適當的
10、物質作為太陽光電池的材料。當電子從外界獲得能量時將會跳到較高的能階，獲得的能量越多跳的能階也越高，電子處在較高的能階時並不穩定，很快就會熏繸 o 的能量釋放回到原來的能階。如果電子獲得的能量夠高就擺脫原子核的束縛成為自由電子，電子空出來的位置則稱為電洞。自由電子可能會因為摩擦或碰撞等因素損失能量，最後受到電洞的吸引而復合。例如，矽的最外層電子要成為自由電子需要吸收 1.1ev 的能量，當矽最外層子吸收到的光能量超過 1.1ev 時將會產生自由電子及電洞，稱之為光生電子電洞對。電子電洞對的數目越多導電的效果也越好，因為光使得導電效果變好的現象稱之為光導效應。自由電子與電洞的多寡對電氣特性有很大的
11、影響，越多的自由電子與電洞可以使導電性增加，同時也可以使輸出電流增加，因此可以推測陽光越強時生成的自由電子與電洞越多，則輸出電流也越大。然而如果只是單純的產生自由電子與電洞，將會因為摩擦及碰撞等因素失去能量，最後自由電子會與電洞復合而無法利用。為更有效的利用由電子與電洞來產生電流，因此眸極入電場使自由電子與電洞分離進而產生電流。產生電場的方式很多如 PN 接面、金屬半導體接面等，其中最常用的方式為 PN 接面。太 陽 能 電 池 產 業 特 性 雖 與 光 電 顯 示 及 半 導 體 產 業 有 類 似 的 技 術 背 景 ， 但 由 於 屬 於 再 生 能 源 產 業 的 一 員 ，也 是
12、國 家 能 源 供 應 的 一 環 ， 對 國 家 經 濟 之 長 遠 發 展 具 重 大 影 響 ， 其 產 品 應 用 範 圍廣 泛 ， 市 場 成 長 空 間 大 ， 已 成 為 各 先 進 工 業 國 家 競 逐 的 目 標 由 於 太 陽 能 電 池 屬能 源 供 應 的 來 源 ， 故 系 統 的 穩 定 ， 壽 命 與 保 養 遠 比 半 導 體 產 品 更 為 嚴 苛 ， 尤 其 電池 模 組 與 光 電 系 統 驗 證 時 間 長 ， 甚 至 需 要 以 十 年 以 上 時 間 確 認 新 技 術 的 可 行 性 ，故 顧 極 須 不 同 的 環 境 資 源 與 政 策 配
13、合 ， 方 能 扶 植 此 新 興 產 業 的 成 長 完 整 的 太 陽光 電 系 統 結 合 了 半 導 體 ， 材 料 ， 機 電 ， 化 學 以 及 奈 米 技 術 等 各 領 域 ， 上 下 游 所 需技 術 層 面 極 廣 ， 技 術 障 礙 頗 高 ， 而 從 成 本 競 爭 考 量 ， 產 能 規 劃 極 大 化 已 不 可 避 免 ，但 因 新 技 術 發 展 多 具 不 連 續 性 ， 新 進 業 者 仍 可 因 技 術 優 勢 在 市 場 存 活 ， 與 光 電 顯示 及 半 導 體 業 惟 大 者 才 能 生 存 之 特 性 不 同 再 加 上 自 94年 起 矽 原
14、料 短 缺 問 題 已持 續 三 年 ， 矽 原 料 短 缺 已 成 為 限 制 太 陽 能 電 池 產 業 成 長 的 最 大 瓶 頸 ， 但 對 新 進 業者 若 可 直 接 進 入 第 二 代 太 陽 能 電 池 之 研 發 製 造 ， 反 而 可 不 受 矽 原 料 短 缺 的 限 制 而趁 機 壯 大 。 太 陽 能 發 電 的 好 處 在 於 其 具 有 高 度 擴 充 彈 性 ， 高 度 可 運 輸 性 ， 高 架 設 速 度 與 低 廉的 建 設 費 用 ， 低 廉 的 運 作 費 用 ， 低 度 的 維 護 保 養 需 求 ， 無 污 染 噪 音 ， 低 度 或 無 廢料 處
15、 理 ， 低 廉 外 部 成 本 ， 但 其 相 對 壞 處 就 是 單 位 面 積 發 電 電 力 密 度 較 低 ， 初 期 裝設 成 本 高 ， 且 瞬 間 電 壓 不 高 ， 不 適 合 作 為 運 輸 動 力 。 太 陽 能 電 池 在 台 灣 一 景 開 始 普 及 了 ,我 家 附 近 一 間 還 滿 新 的 學 校 注 意 一 看 每 個 燈柱 上 都 有 一 小 片 的 太 陽 能 板 ,處 處 可 見 太 陽 能 板 已 是 台 灣 的 新 趨 勢 ! 薄 膜 太 陽 能 電 池 的 應 用 : 目 前 太 陽 能 主 流 ， 應 用 於 市 電 併 網 型 應 用 ， 而
16、 太 陽 光 電 的 主 流 技 術 為 矽晶 圓 式 ， 矽 晶 圓 式 太 陽 能 電 池 佔 了 所 有 太 陽 能 電 池 九 成 以 上 。 相 較 矽 晶圓 式 太 陽 能 電 池 ， 薄 膜 太 陽 能 電 池 雖 然 市 場 較 少 ， 但 具 備 以 下 特 點 ： 1. 重 量 : 重 量 輕 ， 使 用 在 建 築 物 上 ， 可 減 輕 建 築 物 負 擔 。 2.成 本 低 : 製 造 成 本 低 ， 對 消 費 者 在 安 裝 時 更 具 吸 引 力 ， 大 規 模 的 面 積 安 裝 時 更 具 優 勢 。 3.長 效 性 : 耐 溫 較 高 、 對 光 照 度
17、需 求 較 低 ， 累 積 發 電 量 較 高 ， 較 不 受 環 境 因 素 影 響 。 薄 膜 太 陽 能 電 池 在 應 用 範 圍 ， 比 起 矽 晶 圓 式 技 術 更 為 廣 泛 ， 在 應 用 上 ， 薄 膜 技 術也 可 結 合 其 他 產 品 開 發 出 更 多 高 附 加 價 值 的 產 品 或 是 發 展 更 多 新 的 用 途 ， 拓 展 整體 太 陽 能 光 電 的 應 用 和 普 及 。 資料出處/維基百科http:/zh.wikipedia.org/zh-tw/%E5%A4%AA%E9%98%B3%E8%83%BD%E7%94%B5%E6%B1%A0 陳履汶htt
18、p:/zh.wikipedia.org/zh-hant/File:SolarCell_StructuralDrawing.JPG 圖片http:/zh.wikipedia.org/zh-hant/File:Solar_cell_%E5%A4%AA%E9%99%BD%E8%83%BD%E6%9D%BF.jpg 圖片http:/zh.wikipedia.org/zh-hant/File:Solar_cell.png 圖片行政院國家科學委員會 作者：劉智生、洪儒生 臺灣科技大學化學工程系http:/web1.nsc.gov.tw/ct.aspx?xItem=10532&ctNode=40&mp=1 黎振杰http:/.tw/dyu/solar-transfer.htm 蔡東益參考資料：http:/college.itri.org.tw/TopicLearn.aspx?id=153 李建驊http:/college.itri.org.tw/TopicLearn.aspx?id=153 圖片雅虎知識http:/ 杜東育
