光波频谱转换型的太阳能电池.pptx

第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P1Chapter 3 太陽能電池的材料種類及其物性太陽能電池的材料種類及其物性3-1太陽能電池太陽能電池的材料種類的材料種類3-2 太陽能電池的元件種類太陽能電池的元件種類3-3 太陽能電池的基本物性太陽能電池的基本物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P2內容大綱內容大綱本本章節將討論以及探討的內容，主要章節將討論以及探討的內容，主要有有三大部分三大部分：太陽能電池的材料種類太陽能電池的材料種類太陽能電池的元件種類太陽能電池的元件種類太陽能電池的基本物性太陽能電池的基本物性52第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P33-13-1太陽能電池的材料種類太陽能電池的材料種類太陽能電池的材料種類太陽能電池的材料種類太陽能電池材料的種類，依其外觀形態區分，太陽能電池材料的種類，依其外觀形態區分，塊狀型塊狀型(Bulk)單晶矽半導體單晶矽半導體多晶矽半導體多晶矽半導體 薄膜型薄膜型(Thin Film)矽系列矽系列銅銦硒銅銦硒(CIS)系列系列染料光敏化系列染料光敏化系列有機半導體系列有機半導體系列52第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P4矽矽系系列列的的半半導導體體材材料料，是是目目前前太太陽陽能能光光電電發發電電系系統統中中，應應用用領領域域最最為為廣廣泛泛的的材材料料；而而化化合合物物半半導導體體材材料料，則則是是以以應應用用於於太太空空衛衛星星系系統統以以及及聚光型太陽能光電發電系統為主要的領域聚光型太陽能光電發電系統為主要的領域.圖3-1 代表性太陽能電池材料的種類以及分類 54第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P5太陽能電池用多晶矽原材料的主要生產廠商：太陽能電池用多晶矽原材料的主要生產廠商：德國德國Socmic公司公司挪威挪威REC公司公司美國美國Hemlock Semiconductor公司公司日本日本Tokuyama公司公司德國德國Wacker Chemie公司公司日本日本Mitsubishi Materials公司公司美國美國MEMC Electronic Materials公司公司美國美國ASiMi公司公司(Advanced Silicon Materials LLC)等。等。美國美國Hemlock公司，是由美國公司，是由美國Dow Corning公司、日本公司、日本Mitsubishi Materials公司、以及日本公司、以及日本Shi-Etsu Handotai公司所合資成立的公司。公司所合資成立的公司。53第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P6太陽能電池的元件種類，因其接面形態的不同：太陽能電池的元件種類，因其接面形態的不同：單接面型單接面型(Single-Junction)太陽能電池元件太陽能電池元件多重接面型多重接面型(Multiple-Junction)太陽能電池元件太陽能電池元件太陽能電池的元件種類，因其接面材質的不同：太陽能電池的元件種類，因其接面材質的不同：同質接面型同質接面型(Homo-Junction)太陽能電池元件太陽能電池元件異質接面型異質接面型(Hetero-Junction)太陽能電池元件太陽能電池元件543-23-2太陽能電池的元件種太陽能電池的元件種太陽能電池的元件種太陽能電池的元件種類類類類第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P7圖3-2代表性太陽能電池元件的分類 55第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P8第四世代太陽能電池的種類，依其元件結構體的設計分類：第四世代太陽能電池的種類，依其元件結構體的設計分類：堆疊型堆疊型(Tandem)光波頻譜轉換型光波頻譜轉換型(Spectral Conversion)中間能帶型中間能帶型(Intermediate Band)熱載子型熱載子型(Hot Carrier)此發此發展歷程，不外乎是著眼於降低成本以及提升效率等為展歷程，不外乎是著眼於降低成本以及提升效率等為重要研究項目重要研究項目.55第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P9單能隙及單接面型太陽能電池的能量損失，其主要的型態：單能隙及單接面型太陽能電池的能量損失，其主要的型態：輻射損失輻射損失(Radiative Losses)次能隙損失次能隙損失(Sub Bandgap Losses)熱游離損失熱游離損失(Thermionic Losses)圖3-3代表性太陽能電池元件的能量損失型態 57第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P10能量釋放方式的種類：能量釋放方式的種類：能帶內的能量釋放能帶內的能量釋放(Intra-Band Energy Relaxation)能帶間的能量釋放能帶間的能量釋放(Inter-Band Energy Relaxation)圖3-4代表性太陽能電池元件的能量釋放型態 57第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P11光波頻譜轉換型的太陽能電池光波頻譜轉換型的太陽能電池(Spectral Conversion Cell)是使用光波頻譜方式將太陽能轉換成電能的一種新型太陽是使用光波頻譜方式將太陽能轉換成電能的一種新型太陽能電池元件。能電池元件。就光波頻譜轉換層的設計型態而言，其主要的種類可就光波頻譜轉換層的設計型態而言，其主要的種類可分為分為:光波頻譜上段轉換式光波頻譜上段轉換式(Spectral Up-Conversion)光波頻譜下段轉換式光波頻譜下段轉換式(Spectral Down-Conversion)光波頻譜聚集轉換式光波頻譜聚集轉換式(Spectral Concentration)58第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P12中間能帶型的太陽能電池中間能帶型的太陽能電池(Intermediate Band Cell)是利是利用元素摻雜技術，以使價電帶以及導電帶之間，置入中間用元素摻雜技術，以使價電帶以及導電帶之間，置入中間能帶，進而促使能量小於能隙的光子充份地吸收，以增加能帶，進而促使能量小於能隙的光子充份地吸收，以增加了其光電流。了其光電流。熱載子型的太陽能電池熱載子型的太陽能電池(Hot Carrier Cell)倘若載子或載體倘若載子或載體在能帶與能帶的遷移過程之中，能帶間由外部環境所獲得在能帶與能帶的遷移過程之中，能帶間由外部環境所獲得的能量速率，是遠大於能帶間所釋放出去的能量速率，則的能量速率，是遠大於能帶間所釋放出去的能量速率，則此些載子的平均能量將會增加，相對地載子的溫度也提升此些載子的平均能量將會增加，相對地載子的溫度也提升許多，此時所衍生的載子即是熱載子。許多，此時所衍生的載子即是熱載子。59第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P13電子電洞對再復合的基本機制：電子電洞對再復合的基本機制：光子的發射光子的發射(Light Emission)聲子的發射聲子的發射(Phonon Emission)歐傑效應歐傑效應(Auger Effect)圖3-5代表性太陽能電池元件的電子電洞對再復合機制 59第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P143-3-1太陽能電池的材料物性太陽能電池的材料物性 一般太陽能電池的製作方式，是以摻雜微量的硼一般太陽能電池的製作方式，是以摻雜微量的硼原子原子(Boron,B)，以形成，以形成 p型半導體，並用於作型半導體，並用於作為基板材料；然後，使用高溫熱擴散的或低溫離為基板材料；然後，使用高溫熱擴散的或低溫離子佈植的方式，將濃度高於硼的磷原子子佈植的方式，將濃度高於硼的磷原子(Phosphor,P)摻雜於摻雜於p型基板之內，以形成型基板之內，以形成p-n的的接面。接面。太陽能電池的基本材料是矽太陽能電池的基本材料是矽(Silicon,Si)。623-3 太陽能電池的基本物性太陽能電池的基本物性 第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P15圖3-6代表性鑽石立方晶格結構(a)以及閃鋅礦立方晶格結構(b)的示意圖 62第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P16圖3-7代表性結晶方向 100、結晶方向族、結晶面(100)、以及結晶面族 100 的示意圖 62一個物質的結晶結構，可以使用一個物質的結晶結構，可以使用米勒指數米勒指數(Miller Indices)來表示其結晶方向、結晶面、以及結晶面族等來表示其結晶方向、結晶面、以及結晶面族等.第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P17圖3-8代表性晶圓片的 111 n型矽半導體、100 n型矽半導體、111 p型矽半導體、以及 100 p型矽半導體等示意圖 63第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P18表3-1不同種類太陽能電池，其基本物性的優點、缺點、以及發展方向65第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P1966表3-1不同種類太陽能電池，其基本物性的優點、缺點、以及發展方向第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P20太陽能電池元件的基本特性：太陽能電池元件的基本特性：輸出特性輸出特性(Output Characteristics)光譜感度特性光譜感度特性(Spectral Characteristics)照度特性照度特性(Illumination Characteristics)溫度特性溫度特性(Temperature Characteristics)非相配特性非相配特性(Miss Match Characteristics)二極體特性二極體特性(Diode Characteristics)3-3-2太陽能電池的基本特性太陽能電池的基本特性64第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P21一、輸出特性一、輸出特性(Output Characteristics)圖3-9太陽電池元件的電流(i)-電壓(v)特性關係圖 67第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P2268第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P2368第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P24圖3-10 太陽能電池元件的等效電路示意圖 69第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P25在在最佳化動作點最佳化動作點(Just Fit Point)上，其所對應的電壓狀態上，其所對應的電壓狀態稱之為開路電壓，而所對應的電流狀態稱之為短路電流，稱之為開路電壓，而所對應的電流狀態稱之為短路電流，其所表示的式子，如下所列的。其所表示的式子，如下所列的。入射光所對應的單位面積單位時間的光子數入射光所對應的單位面積單位時間的光子數 外部收集效率外部收集效率 入射光波長入射光波長 70第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P26圖3-11 太陽能電池元件的電壓、電流、以及電功率的曲線關係示意圖70第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P27二、光譜感度特性二、光譜感度特性 圖3-12 太陽能電池元件的光譜感度特性 71第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P28空氣透過量空氣透過量(Air Mass,AM)，是大氣中的吸收、反射、散是大氣中的吸收、反射、散射等效應，對於入射光光譜影響的一項重要指標。空氣透射等效應，對於入射光光譜影響的一項重要指標。空氣透過量過量(AM)的基本定義，是量測時的大氣壓的基本定義，是量測時的大氣壓(b)與標準大與標準大氣壓氣壓(bo)(101.3 KPa)的比值，再乘以太陽天頂角的比值，再乘以太陽天頂角(z)的的餘弦值。餘弦值。在世界各國以及各地，空氣透過量大小，將因太陽的移動在世界各國以及各地，空氣透過量大小，將因太陽的移動以及經緯度的不同，而有所不相同的。以及經緯度的不同，而有所不相同的。71第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P29三、照度特性三、照度特性 在照度特性方面，太陽光的照度大小，將影響太陽在照度特性方面，太陽光的照度大小，將影響太陽能電池元件的電流能電池元件的電流-電壓特性電壓特性圖3-13 太陽能電池元件的照度特性 72第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P30四、溫度特性四、溫度特性在在溫溫度度特特性性方方面面，半半導導體體元元件件的的能能隙隙大大小小，將將因因材材料料、元元件件、以以及及製製程程等等因因素素，而而有有所所差差異異性性的的，如如圖圖3-14所示所示 圖3-14 太陽能電池元件的溫度特性 73第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P31五、非相配特性或不整合率特性五、非相配特性或不整合率特性由由太太陽陽能能電電池池胞胞或或太太陽陽能能電電池池模模組組，將將因因製製造造過過程程之之中中，所所可可能能產產生生的的因因素素，而而影影響響此此些些元元件件特特性性的的不不均均勻勻性性。在在太太陽陽能能電電池池胞胞的的陣陣列列配配置置組組合合時時，將將會會有有非非相相配配性性的的不不整整合合率率特特性性產產生生。無無論論是是串串聯聯式式或或並並聯聯式式的的太太陽陽能能電電池池胞胞或或太太陽陽能能電電池池模模組組，在在均均勻勻的的入入射射光光照照射射、同同一一照照度度大大小小、或或同同一一溫溫度度等等條條件件之之下下，進進行行量量測測太太陽陽能能電電池池元元件件及及其其模模組組的的輸輸出出特特性性，則則將將各各個個單單元元所所量量測測的的結結果果合計地以總合比率表示之。合計地以總合比率表示之。73第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P32六、二極體特性六、二極體特性太太陽陽能能電電池池胞胞是是由由兩兩種種不不同同屬屬性性的的半半導導體體所所構構成成的的二二極極體體元元件件，而而此此一一二二極極體體元元件件特特性性即即是是太太陽陽能能電電池池的的二二極極體特性，如圖體特性，如圖3-15所示所示 圖3-15 太陽能電池元件的二極體特 74第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P33在在太太陽陽能能電電池池胞胞及及其其模模組組的的輸輸出出量量測測方方面面，其其輸輸出出量量測測輸出量測是一種可變負載方式的，而其主要的量測方式：輸出量測是一種可變負載方式的，而其主要的量測方式：X-Y記錄器方式記錄器方式(X-Y Record Measurement)電電 容容 負負 載載 方方 式式 (Capacitance Loading Measurement)偏電壓電源方式偏電壓電源方式(Bias Voltage Source Measurement)電子負載方式電子負載方式(Electronic Loading Measurement)763-3-33-3-3 太陽能電池的特性量測太陽能電池的特性量測太陽能電池的特性量測太陽能電池的特性量測 第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P34一、一、X-Y記錄器方式記錄器方式 在在X-Y記記錄錄器器方方式式量量測測上上，有有電電阻阻負負載載兩兩端端子子型型的的(a)以及電源負載四端子型的以及電源負載四端子型的(b)等兩種，如圖等兩種，如圖3-16所示所示 X-Y記錄器量測方式記錄器量測方式(X-Y Record Measurement)，是，是測量太陽電池元件輸出特性的最簡單的方法。在圖測量太陽電池元件輸出特性的最簡單的方法。在圖3-16(a)所示所示 76第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P35圖3-16 X-Y記錄器量測方式的基本原理示意圖 76第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P36二二、電電 容容 負負 載載 量量 測測 方方 式式(Capacitance Loading Measurement)，是是在在可可變變負負載載的的內內部部置置入入電電容容，而而在在進進行充放電之際，量測到所需的電流電壓的數據行充放電之際，量測到所需的電流電壓的數據.圖3-17 電容負載量測方式的基本原理示意圖 77第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P37三三、偏偏 電電 壓壓 電電 源源 量量 測測 方方 式式(Bias Voltage Source Measurement),偏偏電電壓壓電電源源方方式式，是是施施加加階階段段式式偏偏電電壓壓電電源，進而測量以及記錄電壓電流的曲線關係圖。源，進而測量以及記錄電壓電流的曲線關係圖。圖3-18 偏電壓電源量測方式的基本原理示意圖 78第三章太陽能電池的材料種類及其物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P38四、電子負載量測方式四、電子負載量測方式(Electronic Loading Measurement)是是將將可可變變電電阻阻器器以以及及待待測測的的太太陽陽電電池池模模組組連連接接著著，施施加加階階段式偏電壓電源，而測量以及記錄電壓電流的曲線關係圖。段式偏電壓電源，而測量以及記錄電壓電流的曲線關係圖。圖3-19 電子負載量測方式的基本原理示意圖 79