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崑 山 科 技 大 學

電子工程系四技部

專 題 研 究 報 告

太陽能照明燈

指導老師：歐金池

專題組員： 洪正興 學號：4970K097

高敬倫 學號：4970K096

中華民國一○一年六月

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101

學士專題

製作報告

太陽能照明燈

電

子

工

程

系

崑山科技大學

高敬倫

撰

洪正興

撰

3

4

目 錄

摘要〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃07

第一章 緒論

1.1 研究動機〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃09

1.2 研究目的〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃09

第二章 太陽能介紹

2.1 太陽能板介紹〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃10

2.2 太陽能板發電原理〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃11

2.3 太陽能板種類介紹〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃12

2.3.1 單晶矽〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃14

2.3.1 多晶矽〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃15

2.3.1 非晶矽〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃16

2.4 太陽能的轉換功率〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃17

2.5 設置特色〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃21

2.6 太陽光電與建築結合應用〃〃〃〃〃〃〃〃〃22

2.7 國際主要國家發展策略〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃24

第三章 實作

3.1 實作架構〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃30

3.2 實做電路〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃31

5

3.3 實驗成品〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃35

第四章 結論〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃38

未來展望〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃39

參考文獻〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃42

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圖 目 錄

太陽版構造與發電原理圖〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃10

系統功能方塊圖〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃11

太陽能板種類圖〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃12

單晶矽原子排列方式〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃14

多晶矽原子排列方式〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃15

非晶矽原子排列方式〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃16

材料表〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃30

操作流程圖〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃30

充電電路圖〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃31

電路零件圖〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃32

BJT 光控開關電路圖〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃34

實驗圖(一)〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃35

實驗圖(二)〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃35

成品圖(一)〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃37

成品圖(二)〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃37

太陽能 LED路燈圖〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃40

LED 太陽能草坪燈〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃41

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太陽能照明燈

姓名：洪正興、高敬倫 指導老師：歐金池

崑山科技大學電子工程系

摘要

現在有許多太陽能的商品熱賣，例如：太陽能風扇、太陽能帽或者是

大型的太陽能車、太陽能船，就是因為目前推行節能減碳，讓許多研

發人員更專注於研究太陽能能源這方面的發展，雖然目前技術尚未成

熟，不過相信未來這種技術可以讓我們的地球可以更環保，所以我們

也想利用太陽能來製作實用的電路！如果探討到現在「節能減碳、實

用」的特性的話就是太陽能照明燈。

決定好方向後我們開始上網收集資料，發現太陽能的作品其實很多，

而且不複雜，重點在於作品延伸發展，從小型變成大型，這之間需要

更多的電路來結合，雖然我們的作品跟別人大同小異，不過我們把整

體做的更小型，有自動開關功能，方便攜帶又實用。

太陽能板我們選擇的是單晶矽太陽能板(後面有介紹)，因為我們考慮

到的是效率問題，如果效率不高的話，那會浪費掉很多能源，這樣往

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後開發更大型的作品會受到阻礙。

多晶矽太陽能板雖然低成本，不過效率比單晶矽太陽能板低。

非晶矽太陽能板雖然效率不差，價格最便宜，不過會有光劣化現象，

就是輸出功率會減少，是三種裡面效率最低的，所以我們不選擇。

單晶矽太陽能板是三種太陽能板裡面效率最高的，不過相對的價格也

是最貴。

電路方面我們使用了充電電路、BJT光控開關電路，充電僅是對一顆

鎳氫電池或鎳鎘電池進行電流的輸入即達到充電的效果，太陽能板供

應電壓電流和功率瓦數有限，所以簡單方便的電路就可以了。BJT光

控開關電路是因為我們想要夜晚自動開啟功能，通過電晶體的飽和區

以及截止區以達短路、開路的效果。

我們是將白天時太陽能所散發出的能量由太陽能板儲存到充電電池，

到晚上時再將能量釋放出來提供給照明燈使用，達到節能減碳、環保

的效果。

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第一章 緒論

1.1 研究動機

目前因為石油資源的不足而科學家研究許多替代能源，如可以藉由太

陽能發電、風力發電、水力發電，把所必頇要用石油的交通工具或機

器轉變成使用電力,而目前因為石油的飆漲而使物價持續飆升，所以

如果以後太陽能以及水力、風力發電的發展能越來越好對我們的生活

以及經濟還有環境將是一大幫助，本專題則是利用太陽能的發電來製

作。

1.2 研究目的

本專題是為了讓公園裡面的路燈、LED燈用這太陽能發電的裝置而能

節省電力的供應成本，可以早上儲存電能，晚上能發光，然後還有太

陽能版可以儲電，不怕因為陰天或下雨而當天沒有陽光，晚上的路燈

不能發光。而且因為在公園佔地廣，太陽能板與太陽光能接觸的面積

可以比較大，發電的效應更高。雖然成本較高，但是太陽能是非常乾

淨的資源，而且太陽能的發展以後是一種趨勢。

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第二章 太陽能介紹

2.1 太陽能板介紹

圖 2.1為太陽版構造與發電原理。[1]利用電位差發電。太陽板是以

半導體製程的製作方式做成的，其發電原理是將太陽光照射在太陽板

上，使太陽板吸收太陽光能透過圖中的 p-型半導體及 n-型半導體使

其產生電子(負極)及電洞(正極)，同時分離電子與電洞而形成電壓降，

再經由導線傳輸至負載。此外太陽能所產生的電力為直流電，若需使

用在家電等產品上，則需要另外加裝轉換器。

圖 2.1太陽版構造與發電原理圖

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2.2 太陽能板發電原理

太陽能板是將太陽能轉換成電能的裝置，且不需要透過電解質來傳遞

導電離子，而是改採半導體產生 PN 結來獲得電位。

當半導體受到太陽光的照射時，大量的自由電子伴隨而生，而此電子

的移動又產生了電流，也就是在 PN 結處產生電位差。因此，太陽能

板需要陽光才能運作，所以大多是將太陽能板與蓄電池串聯，將有陽

光時所產生的電能先行儲存，以供無陽光時放電使用。

圖 2.2系統功能方塊圖

如圖 2.2所示，先透過太陽能板吸收太陽能，轉換成電能經過充電電

路儲存至負載(我們是選用兩顆 1.5V的充電電池)，最後再驅動 LED。

開關驅動電路

太陽能板

充電電路

負載

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2.3 太陽能版種類介紹

圖 2.3太陽能板種類圖

矽是地球上含量第二多的元素，且矽的能隙最適合吸收太陽能光主要

的光譜分佈，早在西元 1954年, 美國貝爾實驗室(Bell Lab)發表第

一個應用 P/N接面照光產生電流的太陽能板開始，迄今矽晶太陽能板

一直是市場上的主流技術。商業化的矽晶太陽能板可分為單晶矽與多

晶矽兩種。藉由擴散製程在矽晶片上形成 P-N接面、再利用電漿化學

氣相法(PECVD)沉積抗反射層，輔以金屬化製程(Metallization)產生

導電電極後，即完成太陽能板的製程。照光即可產生太陽能流；目前

商業化的效率已可達 14%~22%。 目前矽晶太陽能板的技術乃朝向提

高轉換效率與降低晶片(wafer)厚度、節省材料成本為兩大發展方向；

太陽能板

能 矽

化合物

結晶矽

非晶矽

(SiGe,,SiC)

III-V 族半導體

(InP,GaAs…)

單晶

多晶

多晶薄模

II-VI 族半導體

(CdTe,CdS,CuInSe2…

)

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然而，所增加的製程與設備成本，以及薄化晶片後造成的破片問題亦

是未來極需克服的難題。

矽原料太陽能板是目前市面上最為普及常見的一種，其中分為單晶矽、

多晶矽、非晶矽等三種不同的結晶方式，其效能特性都略為不同。

我們所使用的是單晶矽的太陽能板，成本雖高，可是相對的效率比較

高、更耐用。

優點 缺點

單晶矽 能量轉換效率高，耐用。 製作成本較高，製造時間長。

多晶矽 製程較簡單，成本較低。 效率較單晶矽低。

非晶矽 價格最便宜，生產最快。 戶外設置後輸出功率減少且有光劣

化現象。

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2.3.1單晶矽

圖 2.4是單晶矽原子排列方式，矽材整體的原子排列結構呈現規則性，

單晶矽太陽能板是目前效率最高的晶矽太陽能板(約 15-24%)，它與

多晶矽太陽能板都是以矽結晶半導體製成，所不同的是：多晶矽太陽

能板在提煉出高純度結晶矽後直接混合加壓，形成結晶塊後再切割成

晶元；而單晶矽太陽能板在製造過程中加入拉晶(長晶)程序，使結晶

程序往同一方向前進，因此光電轉換效率較高，也使得成本相對增

加。

圖 2.4單晶矽原子排列方式

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2.3.2多晶矽

圖 2.5是多晶矽原子排列方式，矽原子堆積方式不只一種，它是由多

種不同排列方向的單晶所組成，多晶矽太陽能板效率高，一般使用在

大面積電力轉換的發電系統或太空衛星電力上，但成本高是一般業界

較難接受的。而多晶矽太陽能板的光電轉換效率雖不如單晶矽高(一

般 10-17%)，但成本比單晶矽低許多，製程上也較簡單，其他原理與

單晶矽太陽能板大致相同。

圖 2.5多晶矽原子排列方式

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2.3.3非晶矽

圖 2.6是非晶矽原子排列方式，矽原子的排列非常紊亂，沒有規則可

循，非晶矽太陽能板也是 矽化合物(SiH4)所製成，其方式大都為：

用氣體激發解離成薄膜而成。一般效率都不高，約只有 8-13%，但近

年來研發技術朝向柔軟與耐用度發展，並與 建築材料相結合，可使

用在大樓外牆塗裝，或製成半透光玻璃材質，以增加建築建構的附加

價值。市售成品不多，大都屬於研發階段，相信日後若投入更多的人

力、 物力，要提昇效率、降低成本的機會很高。

圖 2.6非晶矽原子排列方式

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2.4太陽能的轉換效率

太陽能的轉換效率之概述

在太陽能產業中，追逐最佳轉換效率(h)的過程中，為了讓太陽能板

可以獲得最大輸出效能，也能夠讓太陽能板發揮最佳工作效率，選擇

最適宜工作點便成為最重要的關鍵。不過，因為地球上的太陽能日照

不平均，最有效的工作地點常常會隨著環境、時間而有所變化，以致

於無法持續產生最大的輸出功率，所以若要維持太陽能板長時間能保

持在最大功率下，就必頇隨時地調整其工作週期，以有效的利用太陽

能，製作低成本、大面積、高功率轉換率之太陽能板，這是近幾年來

太陽能產業長期所追求的目標與技術關鍵。

太陽能板轉換效率定義公式

在太陽能板光與電轉換過程中，並不是所有入射光源都能全部被太陽

板吸收，更無法完全轉換成可使用的電流。以 100％太陽入射光源為

例，其中有 50％左右光源因能量太低而小於半導體能隙，導致無法

進行太陽能板的光/電轉換，另外 50％光源雖能夠被太陽能板吸收，

但又扣除掉約 25％能量會以熱的形式給釋放掉，產生電子與電洞所

需的能量，最高效率剩下最後的 25％左右。太陽能板轉換效率定義

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公式(1)，Pin 為太陽光入射功率、Pm 為最大輸出功率、Im 與 Vm 則

分別為在最大輸出功率時的電流與電壓；要如何製造才能提昇太陽板

的轉換效率，一直是太陽能產業及學術界持續努力的目標。

以層積結構的高效率化為目標

層積結構微結晶矽太陽能板有兩個問題，是高效率化和高量產能力，

關於高效率化方面，目標是把現在的 10%的轉換效率，提高到多結晶

矽的 14%。關於高量產能力方面，則是開發出讓厚度是非晶質矽的 10

倍的微結晶矽。在高效率化的開發中，會在微結晶矽薄膜上摻入微量

的鍺，根據統計，這樣可以把太陽能板的轉換效率提高 1.15 倍以上，

這樣的做法也獲得一定程度的肯定。雖然，摻入鍺的元素成份，可以

因此提高轉換效率的效果，不過如果鍺的元素成份摻入量過多，配向

成分雖然會增加，但是結晶的缺陷也隨之增加，所以，轉換效率就反

而下降了，目前業界正在尋找出鍺元素的最適的摻入量。

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薄膜化合物半導體太陽能板

除了使用塑膠基板和層積結構微結晶矽以外，高轉換效率的薄膜化合

物半導體太陽能板的研發也持續的在進行，但是期望量產出高效率大

型基板的太陽能板卻是相當困難，到目前為止還是停留在少量生產的

階段。不過因為市場及趨勢的壓力下，使得擁有這項技術的業者，也

不得不積極進行開發，來達到12%轉換效率的市場技術目標。

矽薄膜太陽能板因只需的極少的矽原料，且具有輕薄、可大面積低成

本製作、與可撓曲等優點，被認為是相當具發展潛力的太陽能技術之

一。

利用化學氣相沉積法，可在玻璃等基板上形成僅有 0.3~2μｍ厚度的

矽薄膜。藉由薄膜沉積參數的調整或是摻雜不同元素，我們可以得到

不同能帶的矽薄膜材料，用以吸收不同波長的太陽光，進而達成高太

陽能轉換效率，目前元件初始效率已可達 15%。

因為有較優良的溫度效應(temperature coefficient)與弱光響應

(low irradiance response)，在同樣的太陽板系統建置容量下，使

用矽薄膜太陽板技術每年可以多產生 10~20%的發電量，而更具有經

濟效益。另一方面，相較於矽晶太陽板，在製作過程中所耗費的能源

20

相較於矽晶太陽板更是低許多，其能源回饋時間(Energy pay-back

time)只需約 1.5年，可說是真正符合環保的再生能源技術。

各晶矽轉換效率

單晶轉換效率大約都在 15%至 17%

多晶轉換效率大約都在 14%至 16%

非晶轉換效率大約都在 4%至 5%

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2.5 設置特色

1.具彈性設計空間：可因負載型式不同，作不同設計應用，具彈性設

計空間，不受地理地形的限制。應用廣泛(小至消費性產品--如計算

機，大至發電廠皆實用)。

2.環保、節能：無需燃料、無廢棄物與污染，具節能效益。若裝置在

建築物上，同時可避免太陽對建築物的直射，間接可降低建築物的熱

效應。

3.安靜沒有噪音：無轉動組件與噪音，安全性高、操作簡單。

4.系統設備使用年限久：太陽板壽命長久，可達二十年以上 。

5.電力輔助：發電量大小隨日光強度而變，可以輔助尖峰電力之不足

(併聯型)。

6.與建築物結合：設計為阻隔輻射熱或半透光型模板，將可與建築物

結合。

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2.6 太陽光電與建築結合應用

定義

太陽能板模組(module)或陣列(array)被整合、設計並裝置在建築物

上，且具有兩種以上之功應用。

優點

可有效利用建築物的外表大面積

可替代建築物的外表包覆材料

代替屋頂、牆面、窗戶之建材

可遮陽，降低建築物外表溫度

兼具建材及發電之功能

與生活、用電緊密結合

高可見度、高宣傳效果

降低整體建築成本

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縮短建築施工時間、避免二次施工

建築物美觀

空間充份利用

結構安全性

應用範圍

大樓帷幕牆或外牆

大樓、停車場遮陽棚

大樓天井

住家式斜瓦屋頂

大型建築物屋頂

隔音牆

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2.7國際間主要國家發展策略

根據太陽光電與綠色能源智庫，全球太陽光電產業鏈主要廠商分析資

料顯示，未來隨著原油可開採的年限逐漸下降，日後油價大幅上升將

顯而易見，傳統發電燃料的成本也將因此增加，因此主要國家正積極

尋找替代能源，而太陽光電再生能源發電方式，具有零排放之優點，

可望在全球分散式電力市場扮演更重要角色，而這些主要國家因受環

保、地緣政治、社會、政策、商業面等影響，在能源供需面壓力的逐

漸提升下，各國所使用的策略也有所不同。

歐洲聯盟：

歐盟對PV系統的裝置目標，計劃在2010年達到超過10GW的發電容量，

然而由於每個會員國的獎勵及補助政策不同，加上各國電力自由化的

程度不一，也會影響太陽光電的推展成效。以2001年至2004年為例，

歐盟十五國的PV系統裝置量大幅增長三倍，累計發電容量達到1GW，

其中逾八成的裝置量均出自德國的貢獻，其次為西班牙及奧地利，但

若以平均每人（per capita）使用的太陽光電系統裝置量來看，則以

盧森堡最高。

德國不但是歐盟區PV產業的龍頭，同時也已經取代日本，成為全球最

大的太陽光電產業消費國。2004年德國的新增太陽光電系統裝置容量

為363MW，較2003年大幅增長2.35倍，年增率不但遠超過全球PV市場

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的平均值（約59%），新增的PV系統發電容量也正式超越日本的272MW。

歐盟再生能源委員會，於再生能源白皮書訂定，2010年再生能源佔總

能源供應比例將由6%提升至12%。其中，太陽光電領域，2001-2010

年之平均年增率高達31.2%。於2010年政策目標量為3GWp。透過對使

用者提供稅賦優惠、設備補助及優惠收購電價等措施，2003年總計太

陽光電產業之員工數達1萬人，營業額為6.5億歐元，且新增裝置容量

較前年增加43.2%。有鑑於現階段太陽光電需求擴增快速，以致於原

料缺乏，故研發策略上，材料聚焦於應用及替代為主；而電池則著重

降低成本、提高轉換效率、壽命；整體部分，為能充分達到永續再生

利用，亦推展設備回收後重組。

日本：

就太陽光電發展歷程來看各國消長，1990年代中期開始，美國原於全

球生產影響力居四成，逐漸被日本擠壓，截至2004年日本於全球太陽

光電市場已佔有五成生產量，美國僅持有11.63%之市場佔有率，歐洲

地區則持續保持2-3成的市佔比例。

日本太陽能（PV Cells及模組）產量在2000年度再度創下歷史新高約

達115MW，產值達769.6億日圓；2001年度產值增長21.1%達932億日圓，

至2002年日本太陽能板產業將再以年增率26.4%攀升至1,178億日圓。

日本主要PV Cell生產廠商，包括Sharp（2000年全球市佔率17.5%）、

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京瓷（全球市佔率14.6%）、三洋電機（全球市佔率5.9%）、三菱電

機（全球市佔率4.2%）等；最近日本許多太陽能板廠商紛紛進行生產

工廠之擴建，例如Sharp計劃興建年產能20MW之生產工廠，以製造多

晶矽太陽能板為主；三菱重工亦擬投資50億日圓建造新工廠生產非晶

矽太陽能板，2002年開始推出新產品，另外，三陽電機計劃在5年將

年產能擴增至200MW，非晶矽為其重點之一。此外，三陽電機在2001

年10月推展了能量轉換效率高達21%的太陽能板。

日本在2004年會計年度中，針對六大主要PV光電支持計劃的預算金額

合計即高達2.4億美元，相對於臺灣2004年臺灣生產毛額（GDP）的

0.07%。2004年日本新增的太陽光電系統設備容量為272MW（百萬瓦），

是2001年的2.5倍，由1994年迄2004年的累積發電量已達1.1GW（兆瓦）。

2005年增七萬套PV系統，平均發電量為3.8至4峰瓩，新增的發電容量

將達330MW，較2004年增長21.3%。

日本經濟產業省，將2010年新能源發電量的使用目標設定為12.2TWh，

屆時將佔全國電力供應量比例1.35%。為了達成產業技術推動的目的，

Sunshine計劃之技術發展規劃如表3所示。1997年前，以結晶矽太陽

能板為主，2000年後至今，則著重於薄膜、高效率太陽能板，近年來

太陽能板部分，則朝向先進太陽能板技術之開發，而系統部分則大量

導入共通基礎技術之開發，朝向再生、再利用及評估技術發展。

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日本以技術與市場之平衡發展，成功提升其產業發展之國際競爭力，

延續過去太陽光電之發展，為能將新能源導入獨立運作機制，日本未

來將聚焦於建立國際標準，不僅能積極維持技術領導地位，促進臺灣

經濟，更能藉由調整其能源結構，強化國家競爭力。

美國：

1954年，美國Bell Labs研發出以矽材質為主之太陽能板，當時的轉

換效率只有6%，主要應用於太空科技，提供人造衛星及太空船所需的

電力；1970年代後，太陽能板始廣泛地被應用在各種領域，如消費性

產品（手錶、計算機）、道路交通照明、通訊等各方面，以及電力公

司不易傳送到的偏遠地區，以蓄電池儲蓄電力作為獨立型發電系統；

1990年，與電力公司併聯之光電發電系統（grid-connected

photovoltaic system）之技術逐漸成熟，當太陽能板產生多餘電力

時可回送到電力公司，而發電不足時則由電力公司供應。現今美國已

研發一種可充式染料敏化太陽能板（DSSC或稱graetzel電池），成為

世界上製造成本最低、使用壽命長的光電系統，將於再生能源國家實

驗室進行大規模測試，並與其他業者合作以探討其應用商機。太陽能

板的生產由美國、歐洲、日本三分天下，日本號稱太陽能導入量世界

第一。但美國並沒有像日、德等國有任何具體的投資計劃或補助方案，

而多半是來自各州政府的支持；例如全球第一座PV電廠就座落在美國

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加州，在1983年興建，1986年完工，年發電量有6 MW。

對於美國未來PV產業的市場發展，歐洲太陽光電產業協會（EPIA）倒

是提供了兩個預估模型可作為參考；一是保守型，依目前微溫的市場，

假設政府沒有足夠的預算來支持PV產業，則預估至2020年，美國PV

系統裝置容量為843MW，發電量可達11TWh，減少約548萬噸的CO2排放

量，創造十億美元的市場規模，以及二萬六千多個工作機會。至於積

極行的預估，則假設美國要追趕上與歐洲、日本的腳步，就必頇趕上

這兩國的政府支持計劃，提撥預算或減稅，那麼到了2020年，美國的

PV系統裝置容量可達7,187MW，總發電量可達57TWh，減少3,300多萬

噸的CO2排放量，創造五十億美元的市場商機，以及超過二十二萬個

就業機會。

中國：

與國際上蓬勃發展的光電發電相比，中國落後於發達國家10－15年，

甚至明顯落後於印度。但是，中國光電產業正以每年30%的速度增長，

2005年底中國太陽能板生產能力已達200MW以上。在今後的十幾年中，

太陽能板的市場走向將發生很大的改變，到2010年以前中國太陽能板

多數是用於獨立光電發電系統，從2011年到2020年，中國光電發電的

市場主流將會由獨立發電系統轉向并網發電系統，包括沙漠電站和城

市屋頂發電系統。中國實驗室太陽能板的效率已達21%，可商業化的

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光電組件效率達14－15%，一般商業化電池效率10－13%。目前中國太

陽能光電板生產成本已大幅下降，太陽能板的價格逐漸從2000年的40

元/瓦降到2003年的33元/瓦，2004年已經降到27元/瓦。這對中國太

陽能市場走向壯大與成熟起到了決定作用，對實現與國際光電市場接

軌具有重要意義。

因應目前的現況，為使能源重新調節且均衡，世界各國都想盡辦法研

發出徹底不同的技術及代替品，且可使該國民持續性依賴的能源，而

太陽能光電為其中一環，各國同樣都希望隨科技進步及學習曲線不斷

提升，而使PV發電成本降低至足以與傳統能源發電成本相抗衡，使國

民生活達到現有水平或更高水平。作為21世紀最有潛力的能源，太陽

能產業的發展潛力巨大。太陽能產業是新興的朝陽行業，再加上良好

的政策環境、行業本身的特性，使得太陽能板產業具有較高的投資價

值和發展潛力。

30

第三章 實作

3.1 實作架構

圖 3.1材料表

圖 3.2操作流程圖

太陽能充電器

光控電路開關設備

LED發光設備

31

3.2 實作電路

太陽能充電電路

圖 3.3是充電電路圖，電池或鎳鎘電池進行電流的輸入即達到充電的

效果。太陽能板供應電壓電流和功率瓦數有限，通常電子零件都是負

載零件，負載電子零件越多對太陽能板的供應效率越低，所以簡單方

便的電路就可以了。

圖 3.3充電電路圖

32

如圖 3.4 S1為太陽能板、E1、E2為充電電池、D1選擇使用鍺質二極

體而不使用矽二極體是為了避免障壁電壓過高(矽二極體障壁電壓≒

0.7V，鍺二極體障壁電壓≒0.3)，導致光伏打電池的進行的充電電壓

過低而無法達到充電效果。

電容 C1是電解質容，負責穩定電壓、蓄電作用。電容耐壓需大於供

應基本電壓 2V以上，不能低於基本輸出電壓。

我們將充電電池S1、S2並聯是由於要提高電流的輸出，選擇降低電壓

作為提高電流的代價。

圖 3.4電路零件圖

33

BJT光控開關電路

光敏電阻 CDS屬於半導電體。其阻值的大小是隨光照的變化而變化的。

當光照增強時電阻值降低，黑暗時電阻值會變爲無窮大。

光控電路中使用的電晶體主要是操作在電晶體的飽和區以及截止區

以達短路、開路的效果。

B-E接面 B-C接面 特性區 功能

逆向偏壓 逆向偏壓 截止區 開關 OFF

順向偏壓 順向偏壓 飽和區 開關 ON

順向偏壓 逆向偏壓 主動區 訊號放大器

逆向偏壓 順向偏壓 反主動區

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光控電路的部份我們採用的是電晶體之偏壓的方式以及 Cds光敏電

阻所組成的開關電路。當 Cds受光時電阻較低，電晶體開關開路，Led

不亮；當 Cds被遮住時不受光電阻極高，電晶體開關短路，Led發亮。

圖 3.5 BJT光控開關電路圖

如圖3.5將SR1改為固定電阻的目的，是為了讓使用者可以依自己的喜

好，來決定照明燈要在多暗或著多亮時進行發光。若將電阻值調小，

則會使電晶體更容易進入飽和區，即使在不是很昏暗的狀況下依然可

以使小夜燈發光，反之若將電阻值調大，就會使照明燈必頇在很暗的

狀況下才會發光。因此，調整SR1的電阻值，能改變太陽能照明燈對

光的靈敏度。

35

3.3 實驗成品

太陽能板充電實驗

如圖 3.6我們使用手機的手電筒功能對著太陽能板時，用三用電錶量

測，電壓從 0V升高到 1.1V，因為是一塊太陽能板的關係，所以收集

到的電壓沒有很高，如果將多塊太陽能板串聯後能得到更多的電壓

值。

圖 3.6實驗圖(一)

如圖 3.7拿掉手機後，電壓從 1.1V持續降低到 0V，在兩端接上充電

電池即可儲存電能，供應給光控電路。

圖 3.7實驗圖(二)

36

以下是我們在針對太陽能板在不同天氣之下所量測出的數值

開路電壓 短路電流

雨天(21°C) 1.2V 6.3mA

陰天(21°C) 1.5V 7mA

晴天(25C) 2.0V 10mA

手電筒 2.2V 10.5mA

由上面表格大略可以看出在晴天的時候電壓及電流稍稍高出一些，即

是太陽能板提供的能量與光的強度成正比的証明。

在太陽能板吸收太陽能光時，主要是因為內部所使用的材料會有一個

範圍波長的光吸收範圍，在可以吸收的範圍內，此裝置都是可以運作

的，但是效益各不同，取決於你的波長吸收特性與光的強度等。

於是假如沒有太陽光時，只要有太陽能板能吸收的波長範圍的光出現

就可以吸收。

37

成品

圖 3.8成品圖(一)

圖 3.9成品圖(二)

38

第四章 結論

全世界對能源的需求量約 15至 20年增加一倍，能源消秏量增加速度

大大超過了地球人口的增加速度。其中石油和天然氣的秏量以前所未

有的速度增加著，可是全界的石油和天然氣的儲存量非常有限，考慮

到能秏量的增加，石油和天然氣將在 30年內枯楬。人類必頇尋找新

的能源，而就目前來說，太陽能是十分巨大的天然能源。如果合理的

提倡，太陽能將會成為佔有適當比例的能源。太陽能作為一種能源，

具有普通能源(主要是礦物能源石油和天然氣)不可比擬的一些優點。

自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得

以陽光曬乾物件，並作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在

化石燃料減少下，才有意把太陽能進一步發展。太陽能的利用有被動

式利用（光熱轉換）和光電轉換兩種方式。

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（拆解

運送），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。不過只要再研究一段時間，相信

能把缺點改善。

39

未來展望

在未來，自然無汙染的能源將是人類科技文明發展非常重要的一部分，

在我們的這個專題正是強調自然乾淨無汙染能源的儲存及應用，利用

太陽能以及風力來供應以及儲存整個公園的照明設備所需要的電力，

而以後的目標將是朝向如何以高效率以及低成本的方向來發展這套

發電系統，甚至在馬路以及高速公路上都能使用這套系統，真正落實

節能減碳以保護我們的環境生態，在公園裡甚至可以利用盪鞦韆或蹺

蹺板所產生的一些東能來當作是能源，相信這也是一個我們未來能夠

達成的一個里程碑。

我們先設計一個小型照明燈，藉由這個實驗表示我們的電路是可行的，

我們希望往後能開發出大型的照明燈，如太陽能 LED路燈、LED太陽

能草坪燈，因為所需要的伏特數大，故需要用到升壓 IC來提升伏特

數，使 LED發亮。

40

圖 1太陽能 LED路燈

如圖 1 所示是一個太陽能路燈，上面有一塊太陽能板，有一顆 LED，最上

面還有一個風向指針這個路燈不用電纜、施工簡易、應用網域廣泛、造型

優美，是實用與藝術的有機結合體。而且可以在原有路燈的基礎上進行改

造。風光互補路燈不需要輸電線路，不消耗電能，是取之不竭，用之不盡，

大自然恩賜的無價能源。

1.消除電源供應線路，節省電力

普通高壓納燈路燈必頇用埋地電纜電源供應，當離電源點超過三公里時，

路燈的電源供應線路的建設成本會隨着公裡的延伸，還需要設升壓系統。

不但電源供應線路成本高，而且線路上電能損耗也很多，再加上路燈點亮

所需的電能將會消耗更多。相比對而言，風光互補路燈不需要輸電線路，

不消耗電能，有明顯的經濟效益。

2.普及新能源知識，倡導環保生活

大量節省了電能從另一方面來說也減少了發電廠的污物排放。太陽能和風

能是最清潔、最長久的自然能源，不污染環境，應用於路燈照明方面有着

很好的前景。目前，非常需要對民眾進行環保和新能源知識的普及教育，

風光互補路燈最直接的向人們展示環保與生活的應用前景。

41

圖 2 LED太陽能草坪燈

如圖 2所示是一個太陽能草坪燈，主要利用太陽能板的能源來進行工作，

當白天太陽光照射在太陽能板上，把光能轉變成電能存貯在蓄電池中，再

由蓄電池在晚間為草坪燈的 LED（發光二極體）提供電源。其優點主要為

安全、節能、方便、環保等。適用於住宅社區綠草地美化照明點綴，公園

草坪美化點綴。

LED太陽能草坪燈的系統組成：

太陽能草坪燈升壓 IC,能自動對充電和放電行為進行切換,當白天太陽能

充電板感應到陽光時,自動切換到關閉燈光進入充電狀態,當夜色降臨太

陽能充電板感應不到陽光時,自動切換到進入電池放電狀態開啟燈光。太

陽能草坪燈升壓 IC,能把 1.5 伏特的充電電池的輸出電壓提升到 3.6伏

特。

太陽能草坪燈光源及電源系統設計方法由於太陽能草坪燈獨特的優點，近

年來得到迅速發展。草坪燈功率小，主要以裝飾為目的，對可移動性要求

高，電路鋪設困難，防水要求高的場地適用。這些使得由太陽能板供電的

草坪燈顯示出許多前所未有的優勢。

42

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