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第第 五五 章章 太陽光電太陽光電5-1太陽能5-2太陽輻射5-3太陽電池5-4太陽電池材料5-5太陽光電系統1-太陽能太陽能優點:太陽可以作為永久性的能源。太陽能到處都有，不需要運輸，處於南北緯5060度以內的地區，都有豐富的太陽能可以利用。太陽能使用時不會帶來污染，是一種清潔的能源。太陽能的利用不會增加地球的熱負荷。缺點：能量密度低。太陽能是間歇性的能源。相較於化石燃料，現階段設置費用與成本仍較高。2-太陽輻射太陽輻射太陽光到達大氣層頂端的輻射強度，結果顯示當太陽光垂直照射所得的單位面積功率為：此數值即為太陽常數 3-太陽輻射太陽輻射4-太陽輻射太陽輻射反照率(albedo)的定義即為太陽輻射被一物體表面反射能量和入射能量比。5-當太陽光(其頻率需大於某一臨界值)照射某些金屬或負極板時，電子將會釋出並移向正極，電子所擁有的動能反比於光的波長，此即所謂的光電效應(photoelectric effect)，太陽電池即以上述光電效應為基礎製造而成。光電效應光電效應6-太陽電池與半導體同用矽為原料。在正常情況下，矽中並無自由電子，因此其為良好的絕緣體。若將少量的磷加至矽中，則矽晶體中將出現額外的電子，其稱為n 型半導體(ntype semiconductor)，取其“負”(negative)電荷之意。反之，若矽晶體中滲入少量的硼，則矽晶體中將出現若干電洞(hole)，該電洞猶如帶正電般，因而稱為p 型(ptype)半導體，取其“正”(positive)電荷之意。當上述兩種半導體連接一起時，其形成pn接面(pn junction)。p-n 接面接面7-當光線撞擊太陽電池時，光線效應將產生電子和電洞現象，進而於pn連結處形成電位障礙。此時若於太陽電池的n 型及p 型端以電路連接，則電子將由前者流向後者而形成電子流(電流的方向則相反)。太陽電池太陽電池8-太陽電池將光能變換為電能之轉換率高低決定於太陽電池之性能，目前最高的轉換效率可達30%以上，但一般介於1017%之間。想的太陽電池材應該具有下特性：能隙在1.11.7 eV之間，且以直接能隙(direct bandgap)半導體為佳；材料取得容易且製造成本低；組成的材質不具有毒性；可利用薄膜沉積技術製造，並可大面積製造；良好的光電轉換效率；具有長期的穩定性。太陽電池太陽電池材料材料特性特性9-太陽電池技術可粗分為晶片型(waferbased)與薄膜型太陽電池。最為普遍的晶片型太陽電池為單晶矽與多晶矽，及以三五族為基板材之太陽電池。薄膜型太陽電池是在基板上積一層厚小於 的薄膜，材料可為非晶矽或三五族材。太陽電池分類太陽電池分類10-太陽電池分類太陽電池分類11-矽原子均按照一定的規則，週期性地排。首先將二氧化矽提鍊與純化，而後把純矽 熔融於石英坩堝中，接著後把晶胚(seed)插入液面，以每分鐘220轉(rpm)的速旋轉，同時以每分鐘0.310 cm的速緩慢的往上引，如此即可形成一直徑48吋單晶矽碇(ingot)。單晶矽太陽電池的光電轉換效最高，效率一般介於1424%之間。單晶單晶矽矽12-又稱為鑄錠晶片，是由熔解之矽澆鑄在矩形鑄模所形成的矽錠切割而成。多晶矽的矽原子堆積方式由多種同排方向的單晶所組成。因多晶矽的製程較簡單，製作成本較低，但多晶矽太陽電池發電效率低，一般介於1220%之間。多晶多晶矽矽13-矽原子的排非常紊，沒有規則可循。此類電池之製造法一般是以電漿式化學氣相積法(plasmaassisted chemical vapor deposition)沈積一非晶矽薄層(約1 m)於一基座上。非晶矽對光的吸收性比矽強約500 倍，所以只需要薄薄的一層(300 nm)就可以把光子的能有效地吸收，且需要使用昂貴的結晶矽基板，而用較宜的玻璃、陶瓷或是屬等基板，因此可以節大的材成本。但缺點是發電效較差，約介於10%14%之間，且容造成材質劣化。非晶非晶矽矽14-原子排列結構原子排列結構15-薄膜太陽電池可以使用玻璃、塑膠、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當基板，製成僅需數m的薄膜，因此可大幅減少原料的用量。薄膜太陽電池的材料有非晶矽、碲化鎘、銅銦硒、銅銦鎵硒 及砷化鎵 等物質。碲化鎘具有合適的物理特性(頻階)，可作成效率超過20%的太陽電池。薄膜薄膜(Thin Film)16-薄膜薄膜 17-又稱為Graetzel cell。DSSC構造類似三明治夾層，最上層、最下層均為導電玻璃作為基板，基板上有一層透明且可導電的金屬氧化物做為導電電極。導電基板上沉積一層由奈米材料（通常是二氧化鈦或氧化鋅）組成的薄膜，染料則附著在奈米材料表面上吸收光線且激發電子電洞對，上層的電極除了也使用透明導電電極外，並鍍上一層鉑做為電解質反應的觸媒。兩層電極間注滿可導電且進行氧化還原反應的電解質溶液，通常是碘與碘化鉀的有機溶液。染料敏化太陽電池(Dye-Sensitized Solar Cells,DSSC)18-染料吸收光線後會激發產生電子電洞對，被激發的電子注入奈米材料的傳導帶，留下氧化的染料分子。電子經過奈米材料表面傳輸至透明導電層，通過外電路傳導至鍍有鉑的電極。藉由鉑的催化，電子和電解液進行 的還原反應。離子在電解液中傳輸至氧化的染料分子處，進行 的氧化反應，使氧化的染料分子還原，完成一個工作循環。染料敏化太陽電池(Dye-Sensitized Solar Cells,DSSC)19-單晶系太陽電池為第一代太陽電池。多晶、非晶及薄膜等太陽電池屬於第二代太陽電池。DSSC則為第三代太陽電池。一般就轉換效率而言，單晶矽往往大於多晶矽，而多晶矽又大於非晶矽，且隨面積愈大效率有愈低之傾向。太陽電池太陽電池20-薄帶式做法是從一純矽的融化池中緩慢的拉出一張細薄的矽紙或矽帶，在拉出成型當中控制緩慢的速度使矽剛好晶化。這樣的拉出成形做法可省去切鋸或鋸削(截口)的損失，而且可以直接作成方形或矩形電池而非圓形。薄帶式發電效率一般介於11%到15%之間。薄帶式薄帶式21-集光式是利用透鏡或反射器將陽光集中在小的太陽電池上，目前最常用的材料是單晶矽。集光集光式式22-高聚光太陽能發電示範場高聚光太陽能發電示範場行政院原子能委員會核能研究所斥資二億，在高雄縣路竹鄉竹滬村設立高聚光太陽能發電（）示範場，2009年12月22日竣工啟用。這座規模亞洲最大、全球僅次於西班牙的高聚光太陽能發電示範場啟用，象徵我國太陽能產業邁向新局。路竹示範場占地約二公頃，設置141座太陽能聚光板架，每一座均配置追日系統，可自動調整對準陽光的方向，在標準測試狀態下，總發電容量可達一百萬瓦。太陽能發電量須視陽光強度而定，保守估計整座示範場每年可發電110萬度，等於減少660至700噸碳排放量。23-高聚光太陽能發電示範場高聚光太陽能發電示範場24-太陽光電系統太陽光電系統太陽光電產業供應鏈包含有矽材(silicon material)、矽晶片(wafer)、太陽電池(solar cell)、太陽電池模組(module)及太陽光電系統(PVsystem)等。矽材與矽晶片乃屬於產業供應鏈的上游、太陽電池與太陽電池模組為中游產業，太陽光電系統則屬於供應鏈的下游。25-太陽光電系統的應用太陽光電系統的應用26-