太阳能支架這種太陽能纖維是由 三層非結晶

　　太阳能板发电原理问题_电子/电路_工程科技_专业资料。篇名： 太陽能板之應用 ?瑋航。市?瑞祥高級中學。高二 1 班 王騰寬。市?瑞祥高級中學。高二 1 班 太陽能板之應用 壹●前言 太陽是地球上一?資源的源頭，?是取之?盡?會被?斷的資源。近?

　　篇名： 太陽能板之應用 ?瑋航。市?瑞祥高級中學。高二 1 班 王騰寬。市?瑞祥高級中學。高二 1 班 太陽能板之應用 壹●前言 太陽是地球上一?資源的源頭，?是取之?盡?會被?斷的資源。近??隨著資 源的?斷消耗殆盡，新能源的發展再?受到重視，而〝太陽能〞即是其中之一。 太陽能的轉換、發電漸漸受到人們的重視。太陽能發電板也逐漸被應用在日常生 活中，雖?轉換效?並?高、製造昂貴繁複，但是否還有能夠?加進步的空間？ 這也是現在科學家努?的研究的方向。 貳●正文 一、太陽能發展史： 太陽的能?取之?盡用之?竭，太陽表面所放射出?的能?，換算成電?約 3.8x1023 kW；?太陽光經過一億五千萬公?的距?，太阳能支架穿過大氣層到達地球的表 面也約有 1.8x1014 kW。假?可以充分的?用這些能?，將解決地球的能源問題。 早在春秋戰國時代以前，人?就已經發現如何?用太陽能。史書中記載「司垣氏 掌水夫燧，取火於日」和「陽燧?日，則燃而為火」，據考證，在這當中的「夫 燧」和「陽燧」，就是?似凹面鏡的聚光集熱裝置。 １８３９? 法國科學家貝克?爾發現“光生伏打效應”，即〝光伏效應〞 接著，隨 。 著半導體以及加工技術的進步。 １８７６? 亞當斯等在?屬和硒片上發現固態光伏效應。 １８８３? 製成個“硒光電池＂，用作敏感器件。 １９３０? 肖特基提出Ｃｕ２Ｏ勢?的“光伏效應＂??。 同?，?格首次提出用“光伏效應＂製造“太陽電池＂，使太陽能變成電能。 １９３１? 布??將銅化合物和硒銀電極浸入電解液，在陽光下啓動?一個電 動機。 １９３２? 奧杜博特和斯托?制成塊〝?化鎘〞太陽電池。 １９４１? 奧爾在矽上發現光伏效應。 １９５４? 恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室，首次製成?實用的單晶太陽電 池，效?爲６％。 同?，韋克爾首次發現?砷化鎵有光伏效應，並在玻璃上?積?化鎘薄膜，製成 ?塊薄膜太陽電池。 １９５５? 吉尼和?非斯基進?材?的光電轉換效?優化設計。同?，個 光電航標燈問世。美國ＲＣＡ研究砷化鎵太陽電池。 １９５７? 矽太陽電池效?達８％。 １９５８? 太陽電池首次在空間應用，裝備美國先鋒１號衛星電源。 １９５９? 個多晶矽太陽電池問世，效?達５％。 １９６０? 矽太陽電池首次實現並網運?。 2 太陽能板之應用 １９６２? 砷化鎵太陽電池光電轉換效?達１３％。 １９６９? 薄膜?化鎘太陽電池，效?達８％。 １９７０?代初期，中東戰爭引發的能源危機開啟?太陽光發電系統地面應用。 １９７２? ?非斯基研製出紫光電池，效?達１６％。 同?，美國宇航背場電池問世。 １９７３? 砷化鎵太陽電池效?達１５％。 １９７４? ＣＯＭＳＡＴ研究所提出無反射絨面電池，矽太陽電池效?達１８ ％。 １９７５? 非晶矽太陽電池問世，同?，電池效?達６％。 １９７６? Carlson製作出個非晶薄膜太陽電池。 同?，多晶矽太陽電池效?達１０％。 １９７８? 美國建成１００ｋＷｐ太陽地面光伏電站。 １９８０? 消費性薄膜太陽電池的應用。 單晶矽太陽電池效?達２０％，砷化鎵電池達２２．５％，多晶矽電池達１４． ５％，?化鎘電池達９．１５％。 １９８３? 美國建成１ＭＷｐ光伏電站；冶?矽 （外延） 電池效?達１１．８％。 １９８６? 美國建成６．５ＭＷｐ光伏電站。 １９９０?以後「與市電併?型太陽電池發電系統」 （註一）(grid-connected photovoltaic system)開始推廣。德國提出“２０００個光伏屋頂計劃”，每個家庭的 屋頂裝３～５ｋＷｐ光伏電池。 １９９２?起 歐美、日各國推動PV補助獎?，?如：１９９４?日本實施補助 獎?辦法，推廣每戶３０００瓦特的 「市電併?型太陽光電能系統」 。在?， 政府補助４９％的經費，以後的補助再逐?遞減。 １９９５? 高效聚光砷化鎵太陽電池效?達３２％。 １９９７? 美國提出“克?頓總統百萬太陽能屋頂計劃＂，在２０１０?以前 爲１００萬戶，每戶安裝３～５ｋＷｐ光伏電池。有太陽時光伏屋頂向電網供 電，電錶反轉；無太陽時電網向家庭供電，電錶正轉。家庭只需交“淨電費＂。 同?，歐洲?盟計劃到２０１０?生産３７億Ｗｐ光伏電池。單晶矽光伏電池效 ?達２５％。太阳能支架荷?政府提出“荷?百萬個太陽光伏屋頂計劃”，預計到２０２０? 完成。 ２０００? 建材一體型太陽電池應用(BIPV)。 ２００６? 波音子Spectrolab研發出轉換?４１％的砷化鎵太陽能 在臺灣方面，目前生產太陽能電池的主要廠商有光華、茂迪和士?電機等。 光華開發科技從１９８８?，就以生產非晶矽太陽能電池為主，主要應用在 消耗性電子產品上，像手表、計算機等。在１９９９?，茂迪開始在臺南科 學工業園區設廠，以生產單晶矽和多晶矽的太陽能電池為主。士?電機也曾經派 研發團隊到美國接受訓?，學習衛星所使用的太陽能電池板的製造和封裝技術， 3 太陽能板之應用 同時在１９９９?成功發射中華衛星一號後，?進一步投入民生用途的太陽能電 池研發。 此外，工業技術研究院材?所也成功地開發出太陽能電池的製造與封裝技術，並 把技術轉移給茂迪及士?電機，以推廣國內的太陽能發電事業。近? ?，國內廠商對太陽能電池事業的投資也逐漸感到興趣，主要原因除?國際市場 的供?應求外，另一因素則是政府從１９９９?起，開始大?推展太陽能電池發 電，並且著手推動各項獎?措施，因此投入這一個事業的業者也明顯增加。 目前，國內在推?太陽能發電的工作上還有一些難題，主要的原因是?比較一 般的市電和太陽能發電的申請手續，申請市電顯然方?很多，而且太陽能發電的 設置必須先投入一筆資?。基於經濟方面的考?，對一般民眾??確實比較難以 接受。 即使如此，換一個角??看，臺灣具有日照?充足、半導體和電?電子產業發展 健全和政府極?推廣等優厚條件，再加上可能的能源危機，以及環保意?普及 等，太陽能發電事業在臺灣確實具有非常大的發展空間。相信只要能夠大幅?低 製造成本，?可以迎頭趕上其他國家，並占有一席之地。 二、原? ０１．發電原? 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；在中國大? 稱為矽晶片；在物?學上稱為光生伏打（Photovoltaic） ，簡稱 PV （photo = light 光線，voltaics = electricity 電?）。太陽能電池是一種?用太陽光直接發電的光 電半導體薄片，其將高純?的半導體材?加入一些?純物使其呈現?同的性質。 太陽電池的發電原?，可以用一構造簡單的單晶矽太陽電池??明。首先由材 ?談起，矽是現在各種半導體產業中重要且使用廣泛的電子材?。它的?源 是矽砂（二氧化矽） ，原?取得很容?，成本也比較低。 在元素周期表?，矽的原子序是 14，晶體是鑽石結構，屬於第 IV 族元素。其 電子組態為1s2 2s2 2p6 3s2 3p2，其中內層的10個電子（1s2 2s2 2p6） ，被原子核 緊密的束縛著，而外層的4個電子(3s2 3p2 )受到原子核的束縛較小，如果得到足 夠的能?，則可使其脫?原子核的束縛而成為自由電子。而這４個電子又稱為價 電子。每個矽的４個外層電子，分別和４個鄰近矽原子中的一個外層電子??成 對，形成共價鍵。 4 太陽能板之應用 Ｎ型半導體：如果在純矽中摻入擁有５個價電子的原子，?如磷原子，這個雜質 原子會取代矽原子的位置。但是，當擁有５個價電子的磷原子和鄰近的矽原子形 成共價鍵的時候，會多出１個自由電子，這個自由電子是一個帶負電的載子。我 們把這個提供自由電子的雜質原子稱為施體，而摻雜施體的半導體就稱為Ｎ型半 導體。 Ｐ型半導體：同樣地，如果在純矽中摻入三價的原子，?如硼原子，這個三價的 雜質原子會取代矽原子的位置。但因為硼原子只可以提供 3 個價電子和鄰近的 矽原子形成共價鍵，因此會在硼原子的周圍產生 1 個空缺，這個空缺就被稱作 電?，這電?可以當成一個帶正電的載子。通常，我們把這一個提供電?的雜質 原子稱作受體，同時把摻雜受體的半導體稱為Ｐ型半導體。 自由電子 N型半導體 電? P型半導體 (圖片?源: 科學發展2005?6月，390期) 一般太陽電池是以摻雜少?硼原子的 p 型半導體當作基板(substrate)，然後再用高 溫熱擴散的方法，把濃??高於硼的磷摻入 p 型基板內，如此即可形成一 p-n 接 面，而 p-n 接面是由帶正電的施體?子與帶負電的受體?子所組成，在該正、負 ?子所在的區域內，存在著一個內建電位(built-in potential)，此內建的電位，太阳能支架可驅 趕在此區域中的可移動載子，故此區域稱之為空乏區(depletion region)。當太陽光 照射到一 p-n 結構的半導體時，光子所提供的能?可能會把半導體中的電子激發 出?，產生電子-電?對，電子與電?均會受到內建電位的影響，電?往電場的 方向移動，而電子則往相反的方向移動。如果我們用導線將此太陽電池與一負載 (load)?接起?，形成一個迴?(loop)，就會有電??過負載，這就是太陽電池發 電的原?。 5 太陽能板之應用 (圖片?源: 簡單的?，太陽光電的發電原?，是?用太陽電池吸收0.2μm～0.4μm波長的太 陽光，將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。 由於太陽電池產生的電是直?電，因此?需提供電?給家電用品或各式電器則需 加裝直/交?轉換器，將直?電轉換成交?電，才能供電至家庭用電或工業用電。 太陽能電池的一個單片為一個PN結。單片電池的開?電壓在0.45V～0.6V之間,一 般情況下電壓為0.5V,電池??的片?越多電壓越高;單片電池的電?取決於單個 PN結實際受光面積,其短?電?一般為15～30mA/平方厘米，面積越大或併?的片 ?越多則電?越大。 太陽能電池的功?Pmax=開?電壓×短?電?，這是它們的?想功?，而平 時大家衡?太陽能電池的是額定功?Pm。實際中額定功?是小於功?的， 主要是由於太陽能電池的輸出效?u只有 70%左右。在使用中由於受光強?的? 同，所以?同時刻的功?也是?同的，根據實驗?據它的實際平均功? P=0.7Pm。如果太陽能電池要直接帶動負載，並且要使負載長期穩定的工作，則 負載的額定功?為Pr=0.7Pm 如果按照負載的功?選擇太陽能電池的功?則電池 。 的功?為：Pm=1.43Pr。就是?太陽能電池的功?要是負載功?的 1.43 倍。在選 擇太陽能電池的功?時,應合?選擇負載的耗電功?,這樣才能使發電功?與耗電 功?處於一種平衡?態。當然太陽能電池的發電功?也會受到季節、氣候、地? 環境和光照時間等多方面因素的製約。 目前實驗室所發出?的效?，幾乎可達到??值的水準。唯因製造過程複雜 ?產??，因此價格普遍過高，?符合經濟效益。這也是目前太陽電池發展 的瓶頸。工業界一直在尋找?低成本的方法，目前所獲的的成果包括： 6 太陽能板之應用 1. 捨棄傳統的 CZ 與 FZ 長晶方式 改用鑄造矽晶錠(Silicon Ingot Casting)的方式。 ， 2. ?用?盤鋸?割晶錠，改用線鋸的方式?割，如此可節?約 30 %的材?成本。 3. ASE America 所研發出 Edge-defined Film-fed Growth(EFG)的?晶方法，此 方法可?出中空的八角形柱體，?用?射?割就可得到 10x10 ㎝ 2 的晶片， 可節?材?在?割上的損失。 4. 採用薄膜技術，此方法可大?節?製造所需的材?，被認為是有低成本 潛?的方式。 用薄膜技術製造的主要材?包括：非晶矽（a-Si），硒化銦銅（Copper Indium Diselenide,CISe2)，碲化鎘（CdTe)，雖然薄膜技術被認為是有潛?的方式， 但是目前還沒有任何一個?產的技術，能夠達到下?的要求： 1. 沉積薄膜的速?在每分鐘一微米以上。 2. 沉積的溫?在６００℃以下。 3. 薄膜的厚?在十微米以下。 4. 成長的晶?（Grain Size）大小在一微米以下。 5. 少?載子的擴散長?超過十微米。 ０２．集熱發電系統 由於太陽光?射的能?密?低，當我們要?用太陽能時，爲?爲?提高溫??獲 得足夠的能?，通常必須採用集熱器，?採集太陽能；聚光集熱器能將太陽光聚 焦在較小面積的吸熱面上，就好像我們小時後，使用放大鏡?聚焦太陽光，獲得 較高溫?，讓紙片著火！這種系統有一個必要條件，就是只能?用直射?射，所 以必需追蹤太陽！ A、塔式集熱系統（太陽能聚熱發電 CSP) 太陽能集中塔式集熱器，透過佈滿中央吸收塔的四周地面的?百片甚至?千片的 反射鏡子，自動直接追蹤太陽，將反射光精確投射中央高塔頂端的集熱裝置，將 光能轉變成熱能，加熱水、熔鹽或是其他介質產生蒸氣。目前，這樣的太陽集熱 技術, 已經可以產生攝氏６００~１２００?的高壓熱蒸氣, 用以推動蒸氣渦? 機發電系統，或者可以用?提供熱化學製氫系統?使用。 １９８０?代初，美國在南加州就已建成座太陽能集中塔式集熱裝置--Solar One！起初，Solar One 發電功?爲１０兆瓦；後?到?１９９２?，Solar One 增 加?熔鹽接收器和儲熱系統；由於熔鹽在接收器內，可以由攝氏２８８?加熱到 ５６５?，比直接使用水當介質效能好；再加上儲熱系統的功能，順?的提高? Solar One 太陽塔的發電效能。 7 太陽能板之應用 B、改?式塔式集熱裝置 另外，以色? Weizmanm 科學研究所，透過改?太陽塔頂部的集熱裝置，改成抛 物鏡，再將陽光向下反射到位於它下面的複合抛物聚光器（CPC），後再由 CPC 將陽光聚集在其底部的接收器上 如此可以將通過接收器的氣體加熱到攝氏 ； １２００?！ C、拋物線槽式聚焦系統 至於已經在美國加州商業化應用的拋物線槽式聚焦系統，主要是?用拋物線彎曲 鏡面，能夠以大於８０倍的聚焦比?，將太陽?射聚焦到管?的接收器上，並將 管內傳熱油?介質（或是水)，加熱至攝氏４００?，然後在熱交換器內産生高 壓高溫蒸汽，推動蒸汽渦?機發電。 D、碟式系統 還有一種碟式系統，和太陽能集中塔式集熱器差?多，只是將地面平面反射鏡 子，改成抛物面反射鏡，然後將太陽光能接收器，放在抛物面的焦點上，如此可 將接收器內的傳熱介質，加熱到攝氏７５０?左右，驅動蒸汽渦?機發電。 (圖片?源: 三、製造材?： 太陽?射之光譜，主要是以可?光為中心，其分佈範圍從 0.3 微米 (μm)之紫外 光到?微米之紅外光為主 ?換算成光子的能? 則約在 0.4 eV(電子伏特)到 4eV ， ， 之間，當光子的能?小於半導體的能隙(energy bandgap)，則光子?被半導體吸 8 太陽能板之應用 收，此時半導體對光子而言是透明的。當光子的能?大於半導體的能隙，則相當 於半導體能隙的能?將被半導體吸收，產生電子-電?對，而其餘的能?則以熱 的形式消耗掉。因此製作太陽電池材?的能隙，必須要仔細地選擇，才能有效地 產生電子-電?對。一般??，?想的太陽電池材?必須具備有下?特性： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 能隙在 1.1eV 到 1.7eV 之間。 直接能隙半導體。 組成的材?無毒性。 可?用薄膜沉積的技術，並可大面積製造。 有?好的光電轉換效?。 具有長時期的穩定性。 我們知道矽的能隙為 1.12eV，且矽為間接能隙半導體，它對光的吸收性?好，所 以矽在這方面並非是?想的材?，但是在另方面，矽乃地球上蘊含?第二豐富 的元素，且矽本身無毒性，它的氧化物穩定又?具水溶性，因此矽在半導體工業 的發展，已具有深厚的基礎，目前太陽電池仍舊以矽為主要材?。 矽系太陽能電池的材?，主要可以分為單晶矽、多晶矽和非晶矽３大?。在單晶 矽的材?中，矽原子具有高?的周期性排?。 1. 單晶矽重要的技術是?用柴氏長晶法，把高純?的多晶矽熔融在坩鍋中， 再把晶種插入矽熔融液，用適當的速?旋轉並緩慢地往上?引做成矽晶柱， 然後再把晶柱加以?割，就可以得到單晶矽晶圓。 2. 多晶矽是指材?由許多?同的小單晶所構成，它的製作方法是把熔融的矽鑄 造固化而形成。 3. 非晶矽則是指整個材?中，只在幾個原子或分子的範圍內，原子的排?具有 周期性，甚至在有些材?中，根本沒有周期性的原子排?結構。它的製作方 法通常是用電漿式化學氣相?積法，在基板上長成非晶矽的薄膜。 由於材?的晶體結構?同，因此，用?同的材?設計出太陽能電池時，它們的光 電特性也會有所?同。 1. 單晶矽太陽能電池的光電轉換效?，使用?限也比較長。 2. 多晶矽太陽能電池，因為它的多晶特性，在?割和再加工的手續上，比單晶 和非晶矽?困難，效?方面也比單晶矽太陽能電池的低。?過，簡單的製程 和低?的成本是它的重要特色。 3. 矽對光的吸收性比矽強約５００倍，所以對非晶矽而言只需要薄薄的一層就 可以把光子的能?有效的吸收。而且?需要使用價格昂貴的結晶矽基板，改 採用價格較?宜的玻璃、陶瓷或是?屬等基板，如此?僅可以節?大?的材 9 太陽能板之應用 ?成本，也使得製作大面積的太陽電池成為可能（結晶矽太陽電池的面積受 限於矽晶圓的尺寸） 。 但是近幾?非晶矽太陽電池的生產比?有逐漸下?的趨勢，影響非晶矽太陽電池 發展的主要因素就是穩定?的問題。由於非晶矽材?在強?的光線照射下，將會 產生缺陷而導致電?下?（即所謂的 Staebler-Wronski 效應） ，發生供電?穩定的 問題。雖然目前有人採用雙重接面（a-Si/a-SiGe)電池?提升它的穩定?，但是， 仍有值得努?發展的空間。 太陽能電池除?可以選用矽材?外，還可以採用其他的材??製作，?如碲化 鎘、砷化鎵銦、砷化鎵等化合物半導體的材?，也可以製作高效?的太陽能電池。 但是 因為這些材?的成本比較高 製成的元件只適用在一些比較特殊的應用上 ， ， 。 單晶組態 多晶組態 非晶組態 (圖片?源: 科學發展2005?6月，390期) (圖片?源: 太陽能板之應用 四、光吸收材?： 所有的太陽電池需要一個光吸收材?包含在電池結構去吸收光子及經由光電效 應產生電壓電?。材?用於太陽電池有擁有優先去吸收接近地表的太陽光波長特 性；然而，有些太陽電池也是完全的去吸收大氣層那一端的光波。光吸收材?可 以常被用在多物?型態去獲得?同波長吸收及電荷分?技巧的優點。 A、塊材(bulk) 通稱為晶片基礎工業，而現今製程晶片厚?接近１８０~２４０um，這些製程方 式是以做太陽能模組為主，是一般商業化的材?。 a、矽(Silicon) 顯然的優勢的太陽能電池塊材為結晶?的矽小型族群 C-Si 也就是已知的太 陽能等級矽。塊材的矽是根據結晶的形?、晶?的大小及成型的外觀?分?。通 常使用查克?斯基製程?做單晶矽 （C-Si)，單晶矽因製程較?容?且因為由圓柱 ?的鑄錠?割下?失敗?也較高，而一片矽晶圓的四個角?較難再?的做出太陽 電池，所以就無法減少材?的?費，因此矽晶圓電池價格較貴。多晶或多方面結 晶矽，是以大?方型的裁?且大範圍的溶融、?卻讓矽成型。且這種方法製作出 ?的電池價格較?宜但是效?較差。 b、砷化鎵（GaAs) 高效?的太陽能電池已經被應用在?如：衛星外太空的勘查等需要高效能的地 方。這種由多接面組合而成的薄膜是以使用分子束?晶而產生的。三重接面的電 池，大都由 GaAs、Ge 和 GaInP2 這些?型的半導體皆有特有的能帶的特色，簡單 的?在可靠的可?光顏色範圍有很高的吸收光效?或者?適用在吸收電磁的? 射線高於光譜的部份。因此盡可能的從太陽能?產生電，GaAs 多接面的元件迄 成仍是較具效?的太陽能電池(效能到３９％)但也是較貴的電池。 11 太陽能板之應用 (圖片?源:、薄膜(Thin film) 薄膜製程技術可以減少塊材材?製照時的使用?（使用矽薄膜)但也?低?光電 轉換效?，但是多層薄膜的效?還是比Si晶圓塊材優? 此圖為薄膜多晶接面?質接面 的太陽電池的結構，頂底電極是 ?同?型的半導體材?，頂電極 層為 N 型半導體，而透光吸收曾 為 N 型半導體。而底部的歐姆接 觸都使用有?好電性傳輸的與 基板所結合。 (圖片?源:、碲化鎘（CdTe) 碲化鎘在薄膜太陽能電池中是一種高效?的吸光材?。與其他薄膜材?相比，碲 化鎘容?做大規模生產。儘管有很多碲化鎘的太陽能電池的毒性討?，這是 可以大規模生產的技術 （除?非晶矽外)，由First Solar and Antec Solar所展示。 有一個40MV太陽能裝置在俄亥俄州（美國)，並且一個10MV在德國。個以 12 太陽能板之應用 魚?式??排?方式達到１００MV電?的太陽能裝置在德國。 碲化鎘中的鎘元素是具有毒性。?過，對於有毒的元素，也可能化合成一種無害 的化合物。 (圖片?源:、銅錮鎵硒(CIGS) CIGS是多層薄膜組合而成的。這縮寫代表銅.銦.鎵.硒.?同於矽太陽電池，他的模 組有如單一的p-n接面(半導體底部)，這些電池藉?複雜?性介面模型敘述。 ２００５的１２月這CIGS太陽能電池薄膜的效能是１９.５％。效能 （約 ３０％）是藉使用光學集中入射光而得到。 ２００６得效能改變是polyimide上用１４.１％的鈦做成可繞式的CIGS電 池。Nanosolar提出工業上適合的電池的重大改變，做出可繞式CIGS電池。 使用銦對CIGS層可增加能隙，鎵是增加取代?多的銦的位置，可能由於鎵比銦 ?有可?用性。硒會穿遂此層，再結合位置??會減少其有益於?子效?及改變 效能。 c、矽(Silicon) 矽薄膜層主要是藉化學氣相沉積(簡稱 PE-CVD)是以 silanc 氣和氫氣 依靠沉積??,會有以下結果： 1. 非晶型矽(a-Si or a-Si:H) 2. 矽原始結構 3. 矽?米結晶(nc-Si or nc-Si:H) 13 太陽能板之應用 非晶矽的能隙(1.7 eV) 比單晶矽的能隙(c-Si) (1.1 eV)?高,因此非晶矽在吸收可? 光譜的部分是?有效?的，但是它吸收紅外光的部分?太?想。因為?米矽有幾 乎有跟單晶矽一樣能隙寬?，二種材?合成的薄膜，並設計多層電池稱為??電 池。頂層的多晶矽的電池吸收可?光部分的光譜，另一部份紅外線光譜由底部的 ?米矽所吸收。 Ｃ、染?(Dyes) 通常使用釕有機材?作為染?（釕-為中心），作為光吸收的單層材?。這個染 ?敏化的太陽能電池取決於二氧化鈦的多孔層與?米微?，極其放大表面面積 (相較下２００－３００公尺２／公克 二氧化鈦 近乎１０公尺２／公克 平整 的單晶)由染?吸收的光子產生電子傳導給 n-type 二氧化鈦，而電?在染?的另 一邊被傳導給電解液。在電解液??斷的進?氧化還原結合反應，也可能是液體 或者固體中。 這?電池都做成可繞性材?，通常以印刷方式大?生產，此製程 方式可以?低太陽電池的成本。但是，在這些電池?的染?也在熱和紫外光下會 逐漸?化，在裝配過程中使用的溶劑隔絕電池罩並且密封也是困難的。 (圖片?源:Ｄ.有機/高分子(Organic/polymer) 有機半導體薄膜(厚?約１００nm)和像高分子及小分子化合物如:聚合酚乙烯 被製作出有機太陽能電池和高分子太陽能電池，迄今聚合物太陽電池的能?轉 換效只能達到４－５％效?。 14 太陽能板之應用 (圖片?源:伍、太陽能板製程 先由簡單的?程 即單晶矽太陽電池的製造技術談起 製程步驟則如以下所示 ， 。 ： 1. ?晶：主要的原?為二氧化矽，?用晶種在?晶?中成長出一單晶矽碇。 2. 修角：一般微電子產業所用的晶圓(wafer)，是直接把單晶矽碇?片而成，但 對於太陽電池而言，通常必須把許多晶片??成一方形陣，為?陣?排?的 ?緊密，大部分都先將單晶矽碇修角成四方形。 3. ?片：用?片機將單晶矽碇?成厚?約０.５毫米的晶圓。 4. 蝕刻及拋光：蝕刻的目的是去除在?片過程中所造成的應?層。拋光的目的 是要?低微?(particle)附著在晶圓上的可能性。 5. 清洗：用去?子水(DI water)把晶圓表面的雜質污染物去除。 6. 擴散：一般太陽電池均採用p型的基板，?用高溫熱擴散的處?，使Ｐ型的基 板上形成一層薄薄的n型半導體。 7. 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。 而要如何才能提昇太 陽電池的轉換效?，一直是學術界努?的目標。主要的做法可從下?幾個方向著 手： 15 太陽能板之應用 1. 將電極作成手指?(Finger)，以增加入射光的面積(圖一)。 2. 將表面製成?字塔型的組織(Pyramid Texture)結構，並加入抗反射層，以減 少光的反射?。 3. 將?屬電極埋入基板中，以減少??電阻。(圖二) 4. 因?屬與矽的接合處，有大?的缺陷，此?造成逆向飽和電??低效?， 因此製成 PERL(Passivated-Emitter ,Rear Locally-diffused) 減少實際電極與矽 ， 的接觸面積。(圖三) 5. 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?於焊線。 目前實驗室所製造出的太陽電池，其轉換效?幾乎可以達到的水準，只可惜 他們的製造過程多半過於複雜，?產??。 (圖片?源: 、太陽能板之應用 近?，太陽能的運用越?越頻繁，多半將其發展在民生、道?、交通、農?漁牧、 通訊、建築物、產業用、緊急防災等等。 16 太陽能板之應用 A、太陽能休閒傘 隨著ＬＥＤ燈泡的多寡決定燈泡維持燈泡發?的時間，久可以長達八小時， 早上充電晚上自動點?。 B、太陽能電池板 太陽能?斷的供應，而人?卻?能在２４小時?停的使用，因而我們通常使用蓄 電池當作電容，儲存太陽能版轉換之電能，等到需要使用時在拿出?使用。蓄電 池是一種儲存電能的容器，常被作為其它電?的“能源基地”。由於太陽能電池所 產生的電?有限，因此要盡可能的擴大“基地”的儲電容?，但也?能無限擴大， 因為太陽能電池只能在白天發電。 太陽能電池板的優點： 1. 運?成本低 2. 容?安裝 3. 可以在?同的環境下使用 4. 可以根據實際的負載要求進?設計 17 太陽能板之應用 5. 維護費用低 6. ?需要燃? 7. 操作時無噪音，沒有?磨損的?部件，無污染，非常環保，轉換成電能中? 產生其它物質 8. 能在長期無人值守的環境下正常運? C、太陽能?燈 此種乃新型的太陽能?燈，和一般太陽能?燈?同的是，這種?燈的太陽燈 板可隨著太陽?徑轉動，吸取熱能，?需管?，電池壽命維持十?，適合 人煙稀少地區使用。在開機時會自動尋找原點，再依設定時間自?轉動到設定的 位置，太陽能板可隨著太陽?徑轉動，完全由微電腦控制。通常太陽能?燈會與 交通號誌、紅?燈一起使用就是所謂的（共桿） ，有些太陽能?燈還會加上風? 發電使其擁有?大能源。 18 太陽能板之應用 D、太陽能建築 ?用屋頂上設置的太陽光電範本將太陽能轉成電能，這樣所產生的電?，沒有廢 氣的排放、也?會產生污染、?沒有噪音，方?又環保！轉換成電能後?用直、 交?電轉換器，再供給一般的電器?使用。?如：電視、電冰箱…等等。 太陽能建築，?依其是否須使用額外的動??操作太陽熱?運用的方法或裝置， 通常可以被區分為三種： 1. 自然方式驅動的(passive)太陽能建築 2. 機械方式驅動的(active)太陽能建築 3. 混合系統的(hybrid system)太陽能建築 自然方式驅動的(又稱為被動式或誘導式)太陽能建築?經過適當的設計就能有 效的?用建築物的自然熱動?學??低能源用?和燃?成本，同時也維持建築物 的美感。在建築物內自然熱動?學的操作是由三種基本的熱傳過程：傳導、對? 與?射?達成，也就是，如何在房屋的壁體或建築空間內導引自然的能??動。 但在某些情況，必須使用小型的風扇或泵浦?調整或增強設計效果。 19 太陽能板之應用 ?為太陽能空間暖房系統，??其熱?獲得為直接、間接或隔?的方式，空間配 置的設計原則可以歸?如下： 太陽 ? 室內空間 太陽 ? 蓄熱體 ? 室內空間 太陽 ? 集熱器 ? 儲熱器 ? 室內空間 通常是運用開口與玻璃形成溫室效應?捕獲熱?。蓄熱體的低溫再?射(紅外熱 ?射)能讓室內空間被持續加熱。當使用集熱器與儲熱器等強制性的機械組件愈 多時，就成為機械方式驅動的太陽能建築。 太陽能建築雖然是因應１９７０?代二次能源危機問題而出現的一種建築解決 方法。事實上，能源枯竭的問題並未解決；人?的現代文明對化石燃?(煤、石 油、天然氣等)的依賴，一直是揮之?去的夢饜，伴隨而?的資源?費與環境破 壞已形成全球性環境保護的議題。在永續建築的課題內，資源與能源的保育是基 本要項，隨之衍生對建築外部環境的生態保護以及對建築內部環境的人?健康與 福祉的維護。 E、太陽能汽? 內燃式引擎是?用汽油產生動?，驅動引擎運轉後帶動汽?能快速?駛；而太陽 能汽?則有很大的?同。太陽汽?是?用?頂上的太陽能板電池，吸收陽光照 射，驅動馬達帶動??前進。目前，太陽能汽?頂多只是３.５匹馬?，但在如 此有限的能?，卻能有像汽油引擎般的速?；以台大學生自製的FORMOSUN３ 號，時速約可達９３公?，以國外太陽能?為?，每小時?高達１２０公?，性 能相當優越。另外，它所消耗的能??多，僅僅是一般汽?的十分之一，非常節 ?能源，所採用的是先進太陽能電池技術，是一項沒有污染、符合環保概?的新 汽?能源，?僅增添太陽能在汽?使用的想像空間，但卻也是艱難的挑戰。 基本上，太陽能汽?在構造上與傳統汽?有很大的?同，太陽能汽?已經沒有發 動機、驅動、變速箱等機械構件。鄭榮和指出，太陽能?的主體構造是由電池板、 20 太陽能板之應用 儲電器和電機系統等三大結構所組成，並?用光電效應產生的電能及電子移動的 原?，以太陽光電板（光電半導體薄片）接受太陽光線，由上層N型半導體跟Ｐ 型半導體組合而成，當太陽光子打在光電板上，就會造成上層正電往下層移動， 下層的負電往上移動，而產生形成電?，只要控制?入電機的電?，?能產生動 能，驅動汽?前進。這當中涉及３個主要技術：一、如何有效地將太陽能轉換為 電能，吸收效能越高，轉換的電能相對提高；二、長時間儲存電能，避免在沒有 陽光照射時，無法驅動?輛；三、要能發揮電能效應，並將電能轉換為動能。 這幾項主要技術之外，又細分為外型、結構、懸吊、操控、蓄電池、電?系統等 等，??是哪個環節都必須要環環相扣，才能使太陽能?發揮的效果。 太陽能?的外形為何與一般的汽??同？但這可?是憑空想像或純粹美觀上的 設計。由於太陽能?在能源使用上必須錙銖必較，所以在外形設計的主要訴求就 是減少空氣阻?及增加太陽能板的分布面積；此外，頭艙罩設計、散熱設計、? 罩設計等，都需針對如何?低空氣阻?的訴求?克服考驗。鄭榮和?： 「?用太 陽所產生的能?相當有限（約２kW） ，?低空氣阻?是在?體外型設計時，要注 意的問題，考慮也需要較為周詳。」 所以在設計的前期，先以３D繪圖軟體 （CAD） 繪製外型及?體結構、懸吊、電器，甚至駕駛空間，以電腦模擬的環境需求下， 才能滿足基本空間需求，並將?輛移動時所產生的空氣阻??至。 太陽能?體結構的設計元件，如駕駛座、電池、?殼主體是太陽能汽?重要的重 心配置。為?減少能?的耗損，太陽能?的?體結構務必要輕?化，與一般汽? １０００、２０００公斤有很大的?同。太陽能?基於?學、設計、減重、相關 元件之間的?結與支撐，並提供相關元件所需的空間，採用ABAQUS進?有限元 素分析與模擬，並考慮多種可能的受?情形與?體結構之衝撞分析，而設計出的 ?體空間結構。鄭榮和以FORMOSUN３號為?，為?減輕?體結構的重?，主要 關鍵是採用碳纖維三明治設計結構，使這部FORMOSUN 總重?也?過才９００ 公斤。?過，雖然要減輕?體總重?，但也必須要考慮?體本身的受?條件，畢 竟是在高速?進的物體，安全是一定要考慮進去，這過程就必須要經由大?實驗 後，並取得材?係?，並進?一系?的分析運算後，才能設計出適宜的?體結 構強?大小。 ?體上的太陽能模組，是由一片片的太陽能板組合而成，在經由焊接封裝貼在? 體的表面，並?接其馬達、控制器、溫?電壓電?等感測器，使其發揮作用；另 外，安裝在中央控制電腦，要能與駕駛操縱開關?接，使駕駛能夠在駕駛太陽能 ?時獲取相關資訊及控制電?系統。 但是汽?是一項交通工具 ，方?性是主要需求，?以台灣的?子而言，一?365 天幾乎有一半的時間都在下雨，太陽能?也就英雄氣短?。因此以商品化的眼光 21 太陽能板之應用 ?看，就算太陽能??污染、能源?會短缺等優點，但?平心而?它還?具有實 現商品化的本錢；目前看?，太陽能?只能停?在學術競賽的圈子中。 近德國的科學家?雅恩與?恩?研製出一種太陽能纖維，這種太陽能纖維是由 三層非結晶矽與?層導電電極所組成。當太陽光照射時，可使上層的電極產生自 由電子，這些自由電子經由內建電場的作用，穿過中間的非結晶矽層而抵達下層 的電極，即形成一個基本的電池結構。據稱這種太陽能纖維製成的衣服還可以放 入洗衣機內洗滌！未?只要人們穿上這種太陽能衣，就?用再擔心自己隨身攜帶 的電子產品，面?沒電而一?停擺的命運?。 七、未?應用改造 目前普遍致?於?用太陽能取代那些電器用品需要的電能，所以，幾乎所有的電 器產品都可在前面加上太陽能三字，如：太陽能計算器、太陽能紅?燈甚至是太 陽能?氣機，都是現在或以後有可能會運用的。然而，現在一般太陽能的發電效 ?約在７～８％，則可到２０％，因為發電效??高，則轉為擴大太陽能板 面積，增加其吸收效?，如日本的部分商業大?將建築物外層改為太陽能版。但 的方法還是藉由科技的進步，增加太陽能轉換的效?，可?的方法也許是依 然以矽為主要材?改?其轉換程序，或者尋找比矽轉換效??高、價錢??宜的 材? 預計在?久的將? ?可以將太陽能轉換效?提升到３０％或甚至５０％ 。 ， 。 真正的取代石油成為能源的新霸主！ ?●結? 太陽能無限的供應，但人?卻只能有限的?用，這真的是一大損失。只能使用石 油或天然氣、媒等原?製造能源，?僅對地球造成莫大的傷害，也自食其果。科 技進步，核能的使用固然能製造龐大的能?，但其廢??射物對地球污染?是恐 怖，環境成本?是?敢估計，比較下?，太陽能沒有污染，取之?盡，實為一大 好資源！ 近?，半導體產業成長，台灣亦為半導體產業國，照這光電效應研究範疇的趨勢， 太陽能必取代群雄成為２１世紀的新能源！只期待能夠在?久的將?，找到?好 的材?，將太陽能轉換效?，大幅提高，?低其成本，提高普遍性，養成國民使 用太陽能的好習慣！ 22 太陽能板之應用 肆●引註資? 註一：把太陽電池與建築物的設計整合在一起，並與傳統的電?系統相?結，如 此我們就可以從這?種方式取得電?，除?可以減少尖峰用電的負荷外，剩餘的 電?還可儲存或是回售給電?。此一發電系統的建?可以舒緩籌建大型發電 廠的壓?，避免土地徵收的困難與環境的破壞。近??，太陽電池?斷有新的結 構與製造技術被研發出?，其目的?外乎是希望能?低成本，並提高效?。如此 太陽電池才可能全面普及化，成為電?系統的主要?源。 首重以獨?發電型態 於偏遠地區的應用，直至２０００?後，德國及日本以固定優惠收購電價，及透 過對使用者有限期的提供設備補助與低價貸款等方式，促使市場需求大幅攀升。 資??源 太陽光電資訊網。檢?日期2007/10/21) E-TON SOLAR。檢?日期2007/10/24) 國?虎尾科技大學。檢?日期 2007/10/12) 科普知?。 檢 ?日期2007/10/23) ?多日誌。檢?日期 2007/10/30) 23
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