太太 陽陽 能能 電電 池池 原原 理理

授課教師：吳知易 博士

太陽能電池教學影片

(1) 太陽能實驗

(2)http://www.youtube.com/watch?v=vJean2iGrfA

太陽光電魅力無法擋

http://www.youtube.com/watch?v=RSzA39c0_Js

「光電效應 (Opto-Electronic Effect)」即是光能轉換

成電能的現象.

電光效應 (Electro-Optical Effect)」是一種將電能轉

換成光能的物理現象.

太陽電池元件以及發光二極體元件，均是含有兩個電極的

二端子型元件

太陽電池元件是光電效應

發光二極體元件是電光效應

33

光電效應與電光效應

太陽能電池的基本結構

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(a) 矽晶型太陽能電池構造

n p

受光面電極背面電極

抗反射膜 p-n 接合

(b) 非晶矽型或疊積型 ( 堆疊型 ) 太陽能電池構造

n i p p

受光面電極背面電極

抗反射膜

n i

p-n接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成

歐姆接觸 (OhmicContact)，是一層金屬薄膜蒸鍍於半導體的表面，所形成的一種導電特性。

p-n接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成

(c) 可繞曲非晶矽型太陽能電池構造

a-p a-i a-n

保護膜

透明電極 金屬電極

集電極 塑膠膜基板

保護膜

光

(d) 附有本質膜異質接面 HIT 型太陽能電池構造

n-Si a-i a-pa-p a-i光 光

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p-n接面型太陽能電池元件的能帶示意圖

bi(qV )電位能障礙

導電帶

價電帶

接面區域

p 型半導體

電洞

能隙 (Eg)n 型半導體

電子

費米能階

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(a) 電流 - 電壓示意圖 (b) 元件參數示意圖

太陽能電池特性曲線

二極體特性曲線

電流 (I)電流 (I)

電壓 (V) 電壓 (V)00 opV ocV

opI

shI

maxI

shI

maxV ocV

op op

oc sh

V IV I：操作電壓 ：操作電流

：斷路電壓 ：短路電流

max

max

VI

：最大電壓值

：最大電流值

太陽能電池元件的電流電壓關係曲線 (a) 以及短路電流、斷路電壓、最大電流值、以及最大電壓值等參數 (b) 示意圖

太陽能電池發展史

•太陽能電池是一種經由太陽光照射後，將光的能量轉換成電能•光電元件，此種光電元件稱為太陽能電池（Solar Cell），又稱之為光伏電池（Photovoltaic，簡稱PV）。•太陽能電池主要功能是將光能轉換成電能，這種現象稱為光伏效應。

1.太陽光電池發電原理

太陽電池發電原理架構圖

1.太陽光電池發電原理(續)

e-

e-

11

一般固態半導體型之太陽電池的基本架構

12

工作原理示意圖

13

太陽電池發電原理太陽電池發電原理

1.太陽電池是一種能量轉換的光電元件，經太陽光照射後，將光轉換成電，其原理是應用PN接面之光電效應(Photovoltaic effect)

2.光伏特效應中，入射光子在空間電荷區被吸收產生電子和電洞，因內建電場的影響而產生N端向P端的漂移電流，就是所謂的光電流(Photocurrent)。而此光電流對PN二極體而言，是逆向偏壓的電流方向

太陽電池發電原理太陽電池發電原理

AlAl Ag/Al

P-type

N+

hυ

ASiNx

BSF

Ag

BSF

銀漿:☆高導電性☆銀擴散深度控制☆與SiNx反應性佳☆細線路

☆高導電性☆可銲性

☆背面電場效應☆高接著力☆低翹曲☆耐候性佳

銀鋁漿: 鋁漿:

太陽電池模板之構成太陽電池模板之構成

+

-

太陽電池模板外觀太陽電池模板接線

單元太陽電池 正面強化玻璃

EVA

TedlarTM (DuPont)EVA

0.125"

0.015"

0.015"0.0015"

背面

太陽電池模板結構

強化玻璃

EVA

EVA

0.125"

0.015"Cells 0.014"

0.015"強化玻璃 0.125"

Cells 0.014"

太陽電池模板結構

一般型

半透光型

太陽電池效率的限制

單能隙(單接面)太陽電池的限制 (可達之one-sun最高效率約31%)。

多能隙(多接面)太陽電池的限制 (可達之one-sun最高效率約69%)。

熱力學的限制 (可達之one-sun最高效率約85%)。

優點(1)不受地點限制(2)無污染性(3)永久性缺點

(1)能量密度低(2)裝置成本過高(3)穩定性差(4)需大面積土地(5)氣候變化影響太陽光能量密度

2.太陽能電池之優、缺點

太 陽 電 池 的 效 率

要判別一個太陽電池性能的好壞，最重要的就是轉換效率(η)，轉換效率定義為

– 其中Pin 為太陽光入射功率，Pm為最大輸出功率， Im 與Vm 分別為在最大輸出功率時的電流與電壓。

何謂AM0、AM1、AM1.5？

Wavelength (μm)

Spec

tral I

rrad

ianc

e(W

m-2μm

-1) AM0

AM1.5

AM 即 Air Mass，(不同 Air Mass 代表不同太陽光光譜)• AM0 (Air Mass 0) ~ 1,400 W •m-2• AM1 (Air Mass 1) ~ 1,000 W •m-2• AM1.5 (Air Mass 1.5) ~ 844 W•m-2

AM1.5 1,000 W•m-2 (IEC 891、 IEC 904-1)

Earth

AM0

AM1

AM1.5

大氣層

45o

太 陽 電 池 的 效 率

目前各種太陽電池的最高效率單晶矽：24.7%多晶矽：19.8%非晶矽：14.5%GaAs：25.7%CIGS：18.8%多接面串疊型(InGaP/GaAs//InGaAs, multijunction tandem cell)：33.3%

太陽能電池

矽半導體

III-V族太陽電池

II-VI族太陽電池

非晶系太陽電池

結晶系太陽電池

單晶系太陽電池

多晶系太陽電池

化合物半導體

3.太陽能電池分類

太陽能電池分類

有機材料

不同材料之太陽能電池比較

3.太陽能電池分類(續)

單晶矽太陽電池

3.太陽能電池分類(續)

多晶矽太陽電池

3.太陽能電池分類(續)

非晶矽太陽電池

3.太陽能電池分類(續)

5.太陽能電池的製程

單晶矽太陽電池

的製程步驟

拉晶

修角

切片

蝕刻及拋光

清洗

擴散

網印或蒸鍍

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太陽能電池單晶矽太陽能電池生產流程方式

上游產業製程

•拉晶：主要的原料為二氧化矽，利用晶種在拉晶爐中成長出一單晶矽棒。•修角：一般微電子產業所用的晶圓，是直接把單晶矽棒切片而成，但對於太陽電池而言，通常必須把許多晶片串聯成一方形陣，為了陣列排列的更緊密，大部分都先將單晶矽棒修角成四方形。•切片：用切片機將單晶矽棒切成厚度約0.5毫米的晶圓。•蝕刻及拋光：蝕刻的目的是去除在切片過程中所造成的應力層。拋光的目的是要降低微粒附著在晶圓上的可能性。

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太陽能電池

單晶矽太陽能電池生產流程方式

中游產業製程

•清洗：用去離子水（DI water）把晶圓表面的雜質污染物去除。•擴散：一般太陽電池均採用p型的基板，利用高溫熱擴散的處理，使p型的基板上形成一層薄薄的n型半導體。•網印或蒸鍍：將製作完成的晶圓，用銀膠印刷或是用蒸鍍的方法，在晶圓的表面接出導電電極，如此即可完成一個簡單的太陽電池。

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太陽能電池

單晶矽太陽能電池生產流程方式

圖說：中游產業製程。(資料來源：DIGITIMES, 2007年 8月)

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太陽能電池

單晶矽太陽能電池生產流程方式

下游產業製程

單一太陽能電池之電壓約0.5V，可依所需要的電壓、電流設計，通常以金屬鉛串聯數個太陽能電池，再將之以前面玻璃、背面塑膠或玻璃基板，利用特用化學材料封裝，並加上鋁框保護後，成為太陽光電模組。2000年市售太陽光電板之最高功率約120W，目前主要產品功率已達150-190W。至於若干太陽光電模組，可裝配成更大功率的太陽光電陣列（PV array）等，合組成為太陽光電系統（PV system）。

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太陽能電池

非晶矽太陽能電池製造方式

[非晶型矽光電池]

製造方式是以電漿強化化學蒸鍍法（PECVD）製造矽薄膜。基材可以使用大面積具彈性而便宜材質，

比如不銹鋼、塑膠材料等。其製程採取roll-to-roll的方式，但因蒸鍍速度緩慢，以及高品質導電玻璃層

價格高，以至其總製造成本僅略低於晶型太陽能電

池。至於多層式堆疊型式，雖可提升電池效率，但同時也提高了電池成本。

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太陽能電池非晶矽太陽能電池特性

﹝非晶矽太陽能電池﹞

是發展最完整的薄膜式太陽能電池。其結構通常為p-i-n（或n-i-p），p層跟n層主要座為建立內部電場，I層則由非晶系矽構成。由於非晶系矽具有高的光吸收能力，因此I層厚度通常只有0.2 ~

0.5μm。其吸光頻率範圍約1.1 ~ 1.7eV，不同於晶圓矽的1.1eV，非晶性物質不同於結晶性物質，結構均一度低，因此電子與電洞在材料內部傳導，如距離過長，兩者重合機率極高，為必免此現象發生，I層不宜過厚，但如太薄，又易造成吸光不足。為克服此困境，此類型光電池長採多層結構堆疊方式設計，以兼顧吸光與光電效率。

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太陽能電池非晶矽太陽能電池優點

在1980年代，非晶矽是唯一商業化的薄膜型太陽能電池材料。非晶矽的優點在於對於可見光譜的吸光能力很強，而且利用濺鍍或是化學氣相沉積方式在玻璃或金屬基板上生成薄膜的生產方式成熟且成本低廉，材料成本相對於其他化合物半導體材料也便宜許多；不過缺點則有轉換效率低(約5~7%)，以及會產生嚴重的光劣化現象(就是在受到UV照射後會使得轉換效率大幅降低)的問題，因此無法打入太陽能發電市場，而多應用於小功率的消費性電子產品市場。

太陽能電池的材料與製造

最原始的材料乃為一種含二氧化矽(SiO2)純度相當高的石英岩 (quartzite) 砂。將它和一些含有碳，但碳的組成不同的材料放在爐子裡，其化學反應是經過數個步驟提煉出來的矽純度約為98%，稱為冶煉級(metallurgical grade) 的矽。

冶煉級的矽被搗碎成粉末，和hydrogen chloride (HCl) 氣體產生反應，形成trichlorosilane(SiHCl3) 。經過部分蒸餾法的處理，然後和氫氣反應產生所謂電子級(electronic grade 或EG) 的矽

但為了節省成本，太陽電池使用太陽級solar grade (SOG) 的矽，為一般製作晶圓片之後的廢料，其純度較電子級的矽為低

標準太陽電池製程步驟

提升太陽能轉換效率方法

1.電極作成手指狀(Finger)，以增加入射光的面積(圖一)。2.表面製成金字塔型的組織(Pyramid Texture)結構，並加入抗反射層，以減少光的反射量。將金屬電極埋入基板中，以減少串聯電阻(圖二) 。3.金屬與矽的接合處，有大量的缺陷，此易造成逆向飽和電流降低效率，因此製成(圖三) ，減少實際電極與矽的接觸面積。4. 點接觸式太陽電池(Point Contact Cells) (圖四)，此電池的特點為電極均做在同一面，如此可增加入射光的面積，且易於焊線。

太陽光電發電系統（PV system）主要是由太陽電池組列、電力調節器（Power Conditioner，即包括直/交流轉換器（Inverter）、系統控制器及併聯保護裝置等、配線箱、蓄電池等所構成。

太陽光電系統構件及特色

6. 太陽能光電發電系統

太陽光電發電系統型式

獨立型(Stand-Alone)太陽光電系統

市電併聯型(Grid- Connected)太陽光電系統

獨立型(Stand-Alone)太陽光電系統

適用對象：通訊、農林漁牧業用電、緊急防災用電、 離島、高山

6.太陽能光電發電系統(續)

太陽能模組

蓄電池

蓄電池控制器 電力調節器 負載

市電併聯型(Grid- Connected)太陽光電系統適用對象：一般家庭民生用電、工業用電

太陽能光電發電系統(續)

太陽能模組 電力調節器

負載

配電網

混合型太陽光電系統

(Backup P

V P

ower

System

)

7. 應用範圍

太陽能電池的使用愈來愈普遍

1.電訊及通訊：無線電力、無線通訊2.備載電力：災害補救3.戶外定位監視系統:電子式公車站牌4.農業：灌溉及抽水等動力系統5.交通：電動車、充電系統、道路照明系統及交通

號誌6.家用發電系統：從 20W 至 4kW，視需要量與經濟

情況而定

應用範圍(續)

發電量:3.6KW

資料來源:清雲科技大學2006綠色研討會

應用範圍(續)

發電量:100KW

資料來源:清雲科技大學2006綠色研討會

應用範圍(續)

發電量:150KW以上

資料來源:清雲科技大學2006綠色研討會

應用範圍(續)

8. 台灣太陽能電池產業鏈碩禾2007

DuPont供應、台塑發展中

DownDown--streamstream台達電等超過十五家以上之太陽能電池系統廠(System assembly)

UpUp--streamstream• 茂迪Motech, 昱晶GN,益通E-TON 新日光NSP,昇陽

Solartech, 旺能DelSolar.etc.(solar cells).

MidMid--streamstream頂晶科技,科風,興達科技,永炬光電,日光能,奈米龍中國電器 (Module assembly)

中美矽晶(單晶/多晶)綠能科技(多晶)

DuPont (銀漿/鋁漿/銀鋁漿)Ferro (銀漿/鋁漿/銀鋁漿)儒興 (鋁漿)

TedlarTedlar與與PolyesterPolyester

補足台灣完整太陽能電池之上下游產業鍊

台灣太陽能產業供應鏈

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特種電池-太陽能電池

特色:

1.太陽電池是一層薄矽晶片，以光照射發電而產生電能，不需消耗任何

化學物質。

2.太陽能電池的輸出功率與照光之亮度有關，且與矽晶片面積有關。

3.為提高電池輸出功率，常以無數個晶片組合成面積達數平方公尺之電

池。

4.太陽能電池可連續使用數年不需更換，又不消耗任何化學物質，因此

常用於許多傳統電池無法使用的場合，如人造衛星或太空船。

5.目前嘗試以太陽能電池作為民生用電的電力來源，其作法之一是利用

日間充沛的陽光，經太陽能電池對鉛蓄電池充電，再轉為夜間照明和其

他家用設施的電力來源。如此極可能取代火力發電，成為未來家用電池

的來源。

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太陽能計算機

太陽能安裝於衣物中有機太陽能電板 可捲式太陽能電池

太陽能汽車 太陽能飛機

特種電池-太陽能電池

太陽能產業未來展望

太陽能電力累積裝置，不足全球電力需求1%以下。各國政府對再生能源補助持續增加。

矽基原料持續降價帶動太陽電池之發電需求，目前發電成本與傳統電力相近。

原油持續上漲帶動再生能源強烈需求。

再生能源以太陽能為主，達8成以上。

THANK YOU !!