Chapter 3 太陽能電池的材料種類及其物性

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1 Chapter 3 太陽能電池的材料種類及其物性
3-1 太陽能電池的材料種類 3-2 太陽能電池的元件種類 3-3 太陽能電池的基本物性

2 內容大綱 本章節將討論以及探討的內容，主要有三大部分： 太陽能電池的材料種類 太陽能電池的元件種類 太陽能電池的基本物性 52
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 52 內容大綱 本章節將討論以及探討的內容，主要有三大部分： 太陽能電池的材料種類 太陽能電池的元件種類 太陽能電池的基本物性

3 太陽能電池材料的種類，依其外觀形態區分，
52 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 3-1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， 塊狀型 (Bulk) 單晶矽半導體 多晶矽半導體 薄膜型 (Thin Film) 矽系列 銅銦硒 (CIS) 系列 染料光敏化系列 有機半導體系列

4 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 54 矽系列的半導體材料，是目前太陽能光電發電系統中，應用領域最為廣泛的材料；而化合物半導體材料，則是以應用於太空衛星系統以及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

5 太陽能電池用多晶矽原材料的主要生產廠商： 德國Socmic公司 挪威REC公司 美國Hemlock Semiconductor公司
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 53 太陽能電池用多晶矽原材料的主要生產廠商： 德國Socmic公司 挪威REC公司 美國Hemlock Semiconductor公司 日本Tokuyama公司 德國Wacker Chemie公司 日本Mitsubishi Materials公司 美國MEMC Electronic Materials公司 美國ASiMi公司 (Advanced Silicon Materials LLC) 等。 美國Hemlock公司，是由美國Dow Corning公司、日本Mitsubishi Materials公司、以及日本Shi-Etsu Handotai公司所合資成立的公司。

6 3-2太陽能電池的元件種類 太陽能電池的元件種類，因其接面形態的不同： 單接面型 (Single-Junction) 太陽能電池元件
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 54 3-2太陽能電池的元件種類 太陽能電池的元件種類，因其接面形態的不同： 單接面型 (Single-Junction) 太陽能電池元件 多重接面型 (Multiple-Junction) 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： 同質接面型 (Homo-Junction) 太陽能電池元件 異質接面型 (Hetero-Junction) 太陽能電池元件

7 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 55 圖3-2　代表性太陽能 電池元件的分類

8 光波頻譜轉換型 (Spectral Conversion) 中間能帶型 (Intermediate Band)
55 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 (Tandem) 光波頻譜轉換型 (Spectral Conversion) 中間能帶型 (Intermediate Band) 熱載子型 (Hot Carrier) 此發展歷程，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.

9 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 (Radiative Losses)
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 57 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 (Radiative Losses) 次能隙損失 (Sub Bandgap Losses) 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

10 能帶內的能量釋放 (Intra-Band Energy Relaxation)
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 57 能量釋放方式的種類： 能帶內的能量釋放 (Intra-Band Energy Relaxation) 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

11 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 58 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，其主要的種類可分為: 光波頻譜上段轉換式 (Spectral Up-Conversion) 光波頻譜下段轉換式 (Spectral Down-Conversion) 光波頻譜聚集轉換式 (Spectral Concentration)

12 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 59 中間能帶型的太陽能電池 (Intermediate Band Cell)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。 熱載子型的太陽能電池 (Hot Carrier Cell)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許多，此時所衍生的載子即是熱載子。

13 光子的發射 (Light Emission) 聲子的發射 (Phonon Emission) 歐傑效應 (Auger Effect)
59 電子電洞對再復合的基本機制： 光子的發射 (Light Emission) 聲子的發射 (Phonon Emission) 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

14 3-3 太陽能電池的基本物性 3-3-1太陽能電池的材料物性
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 62 3-3 太陽能電池的基本物性 3-3-1太陽能電池的材料物性 一般太陽能電池的製作方式，是以摻雜微量的硼原子 (Boron, B)，以形成 p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子佈植的方式，將濃度高於硼的磷原子 (Phosphor, P) 摻雜於p型基板之內，以形成p-n的接面。 太陽能電池的基本材料是矽 (Silicon, Si)。

15 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 62 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

16 一個物質的結晶結構，可以使用米勒指數 (Miller Indices) 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　P 62 一個物質的結晶結構，可以使用米勒指數 (Miller Indices) 來表示其結晶方向、結晶面、以及結晶面族等. 圖3-7　代表性結晶方向 [100]、結晶方向族 <100>、結晶面 (100)、以及結晶面族 {100} 的示意圖

17 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 63 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

18 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 65 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

19 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 66 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

20 3-3-2太陽能電池的基本特性 太陽能電池元件的基本特性： 輸出特性 (Output Characteristics)
64 3-3-2太陽能電池的基本特性 太陽能電池元件的基本特性： 輸出特性 (Output Characteristics) 光譜感度特性 (Spectral Characteristics) 照度特性 (Illumination Characteristics) 溫度特性 (Temperature Characteristics) 非相配特性 (Miss Match Characteristics) 二極體特性 (Diode Characteristics)

21 一、輸出特性 (Output Characteristics)
67 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

22 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 68

23 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 68

24 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 69 圖3-10 太陽能電池元件的等效電路示意圖

25 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 70 在最佳化動作點(Just Fit Point)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，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 外部收集效率 入射光波長

26 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
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 70 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

27 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 71 二、光譜感度特性 圖3-12 太陽能電池元件的光譜感度特性

28 71 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。 第三章 太陽能電池的材料種類及其物性 P
空氣透過量 (Air Mass, AM)，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。空氣透過量 (AM) 的基本定義，是量測時的大氣壓 (b) 與標準大氣壓 (bo) (101.3 KPa) 的比值，再乘以太陽天頂角 (z) 的餘弦值。 在世界各國以及各地，空氣透過量大小，將因太陽的移動以及經緯度的不同，而有所不相同的。

29 三、照度特性 在照度特性方面，太陽光的照度大小，將影響太陽能電池元件的電流 - 電壓特性 72 圖3-13 太陽能電池元件的照度特性
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 72 三、照度特性 在照度特性方面，太陽光的照度大小，將影響太陽能電池元件的電流 - 電壓特性 圖3-13 太陽能電池元件的照度特性

30 四、溫度特性 在溫度特性方面，半導體元件的能隙大小，將因材料、元件、以及製程等因素，而有所差異性的，如圖3-14所示 73
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 73 四、溫度特性 在溫度特性方面，半導體元件的能隙大小，將因材料、元件、以及製程等因素，而有所差異性的，如圖3-14所示 圖3-14 太陽能電池元件的溫度特性

31 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 73 五、非相配特性或不整合率特性 由太陽能電池胞或太陽能電池模組，將因製造過程之中，所可能產生的因素，而影響此些元件特性的不均勻性。在太陽能電池胞的陣列配置組合時，將會有非相配性的不整合率特性產生。無論是串聯式或並聯式的太陽能電池胞或太陽能電池模組，在均勻的入射光照射、同一照度大小、或同一溫度等條件之下，進行量測太陽能電池元件及其模組的輸出特性，則將各個單元所量測的結果合計地以總合比率表示之。

32 太陽能電池胞是由兩種不同屬性的半導體所構成的二極體元件，而此一二極體元件特性即是太陽能電池的二極體特性，如圖3-15所示
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 74 六、二極體特性 太陽能電池胞是由兩種不同屬性的半導體所構成的二極體元件，而此一二極體元件特性即是太陽能電池的二極體特性，如圖3-15所示 圖3-15 太陽能電池元件 的二極體特

33 3-3-3 太陽能電池的特性量測 在太陽能電池胞及其模組的輸出量測方面，其輸出量測輸出量測是一種可變負載方式的，而其主要的量測方式：
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 76 太陽能電池的特性量測 在太陽能電池胞及其模組的輸出量測方面，其輸出量測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 (X-Y Record Measurement) 電容負載方式 (Capacitance Loading Measurement) 偏電壓電源方式 (Bias Voltage Source Measurement) 電子負載方式 (Electronic Loading Measurement)

34 一、X-Y記錄器方式 在X-Y記錄器方式量測上，有電阻負載兩端子型的 (a) 以及電源負載四端子型的 (b) 等兩種，如圖3-16所示
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 76 一、X-Y記錄器方式 在X-Y記錄器方式量測上，有電阻負載兩端子型的 (a) 以及電源負載四端子型的 (b) 等兩種，如圖3-16所示 X-Y記錄器量測方式 (X-Y Record Measurement)，是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

35 圖3-16 X-Y記錄器量測方式的基本原理示意圖
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 76 圖3-16 X-Y記錄器量測方式的基本原理示意圖

36 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 77 二、電容負載量測方式(Capacitance Loading Measurement)，是在可變負載的內部置入電容，而在進行充放電之際，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

37 第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 78 三、偏電壓電源量測方式(Bias Voltage Source Measurement) ,偏電壓電源方式，是施加階段式偏電壓電源，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

38 四、電子負載量測方式(Electronic Loading Measurement)
第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P 79 四、電子負載量測方式(Electronic Loading Measurement) 是將可變電阻器以及待測的太陽電池模組連接著，施加階段式偏電壓電源，而測量以及記錄電壓電流的曲線關係圖。 圖3-19 電子負載量測方式的基本原理示意圖