報告人：童信源 博士 國立屏東高工電子科主任 太陽能能源教育 報告人：童信源 博士 國立屏東高工電子科主任

太陽能的重要

太陽能的重要

太陽能的重要 太陽一個小時內傳送到地球上的能量，足夠讓我們使用一整年。 十四天的能量加起來，等同全地球的煤礦、石油和天然氣總存量所提供的能量。 照射在地球的能量平均每平方公尺地面約有 180 瓦特之多。 熱帶海洋每年吸收5.6*1023 焦耳的太陽能，是全世界耗能的1600倍。 地球上的植物吸收了抵達地球太陽能的0.1%。 太陽能可以持續使用30億年且不會產生二氧化碳。 預測於2100年之後，太陽能光電發電將佔人類使用能源的60%。

太陽能應用技術 太陽能熱水系統 太陽能烹飪爐 太陽能爐 (圖片來源自由電子報)

太陽能應用技術 太陽能池塘 太陽能冷熱空調系統

太陽能電池 (矽晶型) 一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片 太陽電池是由P型與N型半導體接合組成 太陽能電池( 本圖來自維基共享資源) (本圖來自科學發展期刊第390期 )

太陽能電池 (矽晶型) 工作原理

太陽能電池的種類

太陽電池種類及特性 太陽電池種類 12~20% 10~18% 6~9% 18~30% 10~12% 1%以下 (資料來源太陽光電資訊網) 市場模組發電轉換效率 矽silicon 目前太陽光電系統中應用最為廣泛 單晶矽 多半截圓型、圓弧造型式 12~20% 多晶矽 可截為正方形 10~18% 非晶矽 (可撓式） 6~9% 多化合物 應用於太空及聚光型太陽光電系統 單晶 18~30% 多晶 10~12% 奈米及有機Nano & Organic應用於有機太陽電池 TiO2 1%以下 (資料來源太陽光電資訊網)

太陽電池及模板外觀 (圖片來源太陽光電資訊網)

晶矽型太陽能電池 單晶矽： 原子均按照一定的規則，週期性的排列組成。 光電轉換效率高且穩定。 多晶矽 是由二種以上不同排列方向的單晶所組成。 製程簡單，成本較低。 非晶矽 矽原子的排列方式沒有一定方向。 可採用便宜的玻璃當基板 可用於製作大面積的太陽電池。 (本圖來自太陽能電池元件導論)

非晶矽太陽能電池 & III-V族太陽能電池 基材主要是矽烷SiH4 電子與電洞的再復合速率較快，能量轉換效率較差 基本結構是由p-i-n或n-i-p三層式結構 其中p與n代表高濃度的p型半導體及n型半導體薄膜，i 代表不含雜質的本質半導體薄膜層 III-V族太陽能電池 優點是安定性高 溫度敏感性低 光吸收係數大 光電轉換效率高 量產化製造困難 材料成本高等。 多層接面堆疊方式製作而形成的，其轉換效率理論上可達33%左右

染料光敏化系太陽能電池 接受日照光譜範圍大 在高溫時仍具有較高電力輸出 低光量下仍有高轉換效率 可以大面積製造 可撓曲等優點 製作上不需使用矽晶，不需真空設備，成本低廉

太陽能電池的基本特性 光譜感度特性 照度特性 溫度特性 (圖片來源：太陽能電池元件導論)

太陽能電池發電應用系統

太陽能電池產業 太 陽 能 產 業 分 類 及 廠 商 現 況 上游產業 原料技術 中游產業 製程技術 下游產業 應用技術 多晶粒 台灣廠商 鑄錠 中美晶、綠能科 技、茂迪、利機 晶片 中游產業 製程技術 太陽能電池胞 (solar cell) 茂迪、益通、旺 能、昱晶光能、 新日光能、光華 開發、威士通 太陽能電池模組 (PV module) 興達科技、永炬 光電、中國電 器、日光能、知 光能源、大豐能 源 下游產業 應用技術 太陽能電池系統 茂迪、永炬、中 電、日光能、東 城科技、光華、 太陽動力、宇宙 光

太陽能應用相關專利 種類 年限 適合對象 法律依據 發明 20 方法、構造、裝置、材質 專利法第19條 新型 12 形狀、構造、裝置 專利法第97條 新式樣 10 外觀設計 專利法第106條 瞭解産業和技術發展方向 瞭解特定核心技術的關鍵點 尋找合作開發人員 從分析專利技術的種子技術開發新技術

專利資訊檢索系統查詢

專利資訊檢索系統查詢

專利資訊檢索系統查詢

太陽能應用相關專利分析

專利分析 避免重覆研究。 了解那些方面之技術應用較為缺乏。 何種應用技術已經飽和。 藉由以往經驗，開發新產品。

新式樣專利分析 (圖片來源：經濟部智慧財產局網站) 專利編號 公告/公開日 專利名稱 特色描述 D124705 2008/09/11 肩包 SHOULDER BAG 利用可撓式太陽能板縫製於肩包，用來收集太陽能並造成視覺效果。 (圖片來源：經濟部智慧財產局網站)

新式樣專利分析 (圖片來源：經濟部智慧財產局網站) 專利編號 公告/公開日 專利名稱 特色描述 D124527 2008/09/01 行李箱SUITCASE 利用可撓式太陽能板置於行李箱， 用來收集太陽能，可為電子用品充 電並造成視覺效果。 (圖片來源：經濟部智慧財產局網站)

新式樣專利分析 前視圖 側視圖 (圖片來源：經濟部智慧財產局網站) 專利編號 公告/公開日 專利名稱 特色描述 D114095 2006/12/01 太陽能車 太陽能車體為長矩形狀，前端兩側 端角皆呈弧形，駕駛艙為蛋形，造 形圓滑流暢給予人一種新潮流線狀 之創新設計。 前視圖 側視圖 (圖片來源：經濟部智慧財產局網站)

新型專利分析 (圖片來源：經濟部智慧財產局網站) 專利編號 公告/公開日 專利名稱 特色描述 M340723 2008/09/21 多功能安全帽 將一太陽板置於安全帽上，可供給 電源給安全帽之藍芽、錄音、mp3 能及USB介面等使用。 (圖片來源：經濟部智慧財產局網站)

新型專利分析 (圖片來源：經濟部智慧財產局網站) 專利編號 公告/公開日 專利名稱 特色描述 M339906 2008/09/11 節能寵物屋 可以自動化清潔、散熱及屋外防盜 功能之狗屋，並使用太陽能板當此 狗屋之電力來源。 (圖片來源：經濟部智慧財產局網站)

自製太陽能爐 教學目標 教學時間 實驗材料 教學步驟 能了解太陽能熱能的使用 能了解太陽能於日常生活中的應用 90分鐘 鋁箔紙 紙箱 鋁箔紙 紙箱 剪刀 溫度計 鐵鍋(最好外表為黑色) 2 保鮮膜 溫度計 雙面膠 教學步驟 準備活動 1、讓學生發表自已曾看過之太陽能應用 2、介紹太陽能之特性 二、發展活動 1、將紙箱上方箱蓋張開，並用膠帶固定 2、將鋁箔紙覆蓋在紙箱內部 3、將水注入鐵鍋，並置放於紙箱內部中間 4、用溫度計量測鍋內水之溫度並記錄 5、將保鮮膜覆蓋於鐵鍋上，形成一封閉空間以防止熱對流散逸。 6、罝放太陽能鍋於太陽底下，每經過半小時測量鍋中水之溫度並記錄。 7、將所得到之數據以圖表表示。 8、為了比較太陽能鍋之效能，可以準備另一鐵鍋直接置於太陽下當作對照組，並量測其溫度變化作為對照。

自製太陽能爐

自製太陽能熱水器 教學目標 教學時間 實驗材料 教學步驟 能了解太陽能熱能的使用 能了解太陽能熱水器之工作原理 120分鐘 保特瓶1公升裝4個、保特瓶2公升裝2個 塑膠軟管一條 、止水帶一捲 大型長尾夾一個 、剪刀一把 熱融槍及熱融膠 、長尾夾一個 教學步驟 準備活動 1、讓學生發表自已曾看過之太陽能應用 2、介紹太陽能之特性 二、發展活動 1、將一公升裝保特瓶底部用剪刀鑽出一小洞(須注意勿割傷手指)，洞之大小略為比瓶口小，將另一只一公升裝保特瓶之瓶口部位纏上止水帶並將擠入已剪開一小泂之保特瓶之泂中。重覆直至疊至三個，此部份將當作是太陽能收集器，可在保特瓶下方貼上黑紙(或採用深色保特瓶)以增加吸熱能力，並將保特瓶傾斜一角度以獲得較大的陽光直射。 2、如下圖所示完成太陽能熱水器，必須注意用熱融膠膠合接觸面，以避免漏水的 產生 3、將冷水注入，並利用溫度計記錄儲水槽中之水溫。 4、若因施工不易，可將虛線部份省略，仍可以順利進行實驗。

自製太陽能熱水器

太陽能車製作 教學目標 能了解太陽能電池的使用及量測 能了解太陽能車之工作原理及機械結構 教學時間 150分鐘 實驗材料 教學步驟 太陽能板3片、 三用電錶一個 、烙鐵一把及銲錫一條 烙鐵架一個、保麗龍板一片、 保麗龍膠一支、 剪刀一把、 吸管一支、美工刀一把 、直流馬達一個、單心線 12、車軸及軸承、玩具車用輪胎4 、壓克力管2、皮帶輪2、橡皮筋1、按鈕開關1 教學步驟 準備活動 1、三用電錶之直流電壓檔量測介紹 2、介紹太陽能電池之正負極性之意義 3、介紹太陽能電池串聯(電壓增加)、並聯(電流增加)之意義。 二、發展活動 1、將太陽能板利用烙鐵及銲錫依序串聯焊接完成整個太陽能電池模組(須注意極性)如圖所示。 2、如圖完成太陽能車前車軸及後車軸之組裝。 3、如圖示將車軸及馬達等零件組裝於車身。 4、最後將太陽能板置於車身之上即完成太陽能車之製作。

太陽能車製作

太陽能車製作

太陽能車製作

太陽能專利分析 教學目標 教學時間 實驗材料 教學步驟 能了解專利的意義 能查詢太陽能相關專利 能分析各種太陽能專利的特色 120分鐘 鉛筆、橡皮擦 A4白紙若干 能連上網際網路之電腦 教學步驟 準備活動 1、介紹專利的意義 2、介紹專利說明書的格式 二、發展活動 1、進入經濟部智慧財產局網站。 2、進入中華民國專利檢索系統。 3、查詢太陽能發明專利、新型專利及新式樣專利各5種，檢視其公告說明。 4、依公告說明記錄其專利編號，公告日、並簡述創作特點，如表一所示。 5、就上述所查詢之專利、擇一討論是否可以將形狀、構造、裝置、外觀設計作一改變，並將專利構想以文字及草圖描述之(表二)。

太陽能專利分析 新型專利分析 專利編號 公告/公開日 專利名稱 特色描述 M340723 2008/09/21 多功能安全帽 將一太陽板置於安全帽上，可供給電源給安全帽之藍芽、錄音、mp3能及USB介面等使用。 M340985 具有太陽能GPS之救生艇結構 在一救生艇上置太陽能板及蓄電箱可供危難時救生艇上之GPS使用。 M341307 太陽能光電板發電組構造 在一U型槽中罝多片太陽能板，在槽口兩側置上反射鏡，使用太陽在日出及日落時仍能藉由反射鏡反射陽光至太陽能板繼續產生電力，達到追日的效果。 M339906 2008/09/11 節能寵物屋 可以自動化清潔、散熱及屋外防盜功能之狗屋，並使用太陽能板當此狗屋之電力來源。 M339657 2008/09/01 全玻璃真空管太陽能集熱器 改善全全玻璃真空管太陽能集熱器之缺點，以提高吸熱效率並簡化製作過程。特色是玻璃不再鍍上黑色膜，直接將集熱管插入玻璃管肉部，使太陽直接照射集熱管再作用於工作流體，以提高效率。

太陽能專利分析

染料敏化太陽能電池製作 教學目標 能了解染料敏化太陽能電池工作原理 利用簡易化學技術製作染料敏化太陽能電池

染料敏化太陽能電池製作 教學目標 教學時間 實驗材料 1、能了解染料敏化太陽能電池工作原理 2、利用簡易化學技術製作染料敏化太陽能電池 (此處資料由國立東華大學羅幼旭教授提供) 教學目標 1、能了解染料敏化太陽能電池工作原理 2、利用簡易化學技術製作染料敏化太陽能電池 教學時間 180分鐘 實驗材料 1、研缽 2、冰醋酸 3、去離子水 4、界面活性劑(Triton X-100) 5、三用電錶 6、導電玻璃 7、二氧化鈦(TiO2) 8、乙醇 9、吹風機(熱風槍) 10、酒精燈 11、長尾夾 12、地瓜葉 13、雙面膠 14、KI3電解液

染料敏化太陽能電池製作 步驟一：將奈米結晶TiO2 粉末置於研缽中，加入數滴稀醋酸溶液，進行研磨。反覆研磨並於過程中再加入數滴稀醋酸溶液，直到獲得得如牙膏狀之均勻膠體懸浮。(稀醋酸溶液製備法: 將0.1 mL 冰醋酸加入50 mL 去離子水中)。 步驟二：加入數滴界面活性劑Triton X-100 ，再持續研磨數分鐘。

染料敏化太陽能電池製作 步驟三：利用三用電錶測出導電玻璃之導電面。 步驟四：將玻璃導電面朝上，將其三個邊貼上魔術膠帶。用沾乙醇的紙巾輕輕擦去指紋或可能的油污。

染料敏化太陽能電池製作 步驟五：以滴管加入數滴TiO2 膏狀膠體懸浮液，並以玻棒如桿麵般將之平舖於ITO 玻璃上。魔術膠帶作用為控制塗膜厚度(~40-50 mm) 。 步驟六：完成後小心移除膠帶，避免刮傷破壞TiO2 塗膜。

染料敏化太陽能電池製作 步驟七：於通風中以吹風機將塗有TiO2 之導電玻璃加熱10-20 分鐘。加熱過程中會因有機溶劑與界面活性劑被燒掉而呈棕黑色，最後可得一白色~綠色之TiO2 膜。完成後置於室溫下冷卻。 步驟八：將此導電玻璃浸泡於染料溶液中~30分鐘。(葉綠素可由地瓜葉或菠菜等植物中以乙醇萃取) 白色TiO2 膜會因吸附染料而改變顏色。

染料敏化太陽能電池製作 步驟九：溫和地以水輕輕沖洗吸附上染料之TiO2 膜，再以乙醇溫和沖洗，除去TiO2 膜孔隙內之水。此即我們所要製備染料敏化太陽能電池之工作電極。 步驟十：取另一片等面積的導電玻璃，將導電面朝下，以鑷子夾住，於燃燒的蠟燭火焰中段位置快速來回穿梭數次，以鍍上一層黑碳灰。

染料敏化太陽能電池製作 步驟十一：用棉花棒輕輕將三個邊緣的碳膜擦掉。此即我們所要製備的染料敏化太陽能電池之對電極。 步驟十二：把兩電極有鍍膜之面朝面如三明治般組裝起來，將兩片交錯開，使分別未鍍上TiO2 及碳膜之邊可延伸出來注意: 一旦組裝後，不要再滑動摩擦兩片電極，以免破壞電極表面。以長尾夾夾住固定。

染料敏化太陽能電池製作 步驟十三：以微量滴管沿兩電極間之一邊緣加入少許triiodide 電解液，毛細作用會使電解液浸擴至兩電極間。(KI3 電解液組成為0.5 M KI and 0.05 M I2 in acetylnitrile) 步驟十四：以鱷魚夾將兩電極兩端接至三用電表，負極接TiO2 工作電極，正極接鍍碳之對電極。將電池置於日光或檯燈下照射，測量並記錄產生之電壓與電流。

教育問題與研究 1、地球上再生能源有那些、各有何優缺點？ 2、世界上主要能源有那些？其儲存量還有多少年？那 些能源的排放污染因子較小？ 3、何謂太陽能，其應用型態有那些，請舉例說明？ 4、太陽能電池有那些種類？其光電轉換效率如何？ 5、太陽能電池的特性有那些？其基本工作原理為何？ 6、太陽能電池產業如何分類？台灣目前的主要廠商有 那些？ 7、太陽能電池可以自製嗎？，其製作步驟為何？ 8、太陽能熱水器的原理為何？又太陽能冷氣空調的原 理為何？ 9、專利有那些分類？其特色又為何？ 10、太陽能電池的發展趨勢為何？