太陽能電池元件導論 Introduction to Solar Cell Devices

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1 太陽能電池元件導論 Introduction to Solar Cell Devices
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2 第一章 前 言 1-1 太陽能電池的發展演進 1-2 太陽能電池的種類 1-3 太陽能電池的基本物性 1-4 太陽能電池的應用領域

3 前言 在光電發電科技領域之中，最受人們注目的光電轉換元件是太陽能電池元件 (Solar Cell or Photovoltaic Cell)，此一元件及其模組是太陽光電發電系統 (Solar Photovoltaic Generation System) 的重要組件之一。 太陽能電池元件是一種光電半導體元件，可以將太陽光或太陽能 (Solar Light or Solar Energy) 的能量直接地轉換成電能量的重要功能性元件；它的基本原理是將光能轉換成電能的一種光電效應。 第一章　前言　P 2

4 內容大綱 本章節主要地是簡述以及討論太陽能電池的發展演進、太陽能電池的種類、太陽能電池的基本物性、以及太陽能電池的應用領域等。 2
第一章　前言　P 2

5 1-1太陽能電池的發展演進 太陽能電池元件，乃是一種利用光伏特效應的電池，因而又稱之為光伏特電池元件 (Photovoltaic Cell) 。它是一種固態半導體元件，而且是屬於一種物理式電池，可以將太陽輻射能量轉換成電能或熱能。 一般電池的種類，可以分為兩種，如圖1-1 - 化學式電池 - 物理式電池 第一章　前言　P 2

6 1-1太陽能電池的發展演進 圖1-1　一般電池的種類以及其分類 第一章　前言　P 3

7 1-1太陽能電池的發展演進 「光伏特效應 (Photovoltaic Effect)」，乃是將太陽光能量轉換成電能量的一種物理現象；此一奇特的物理現象，是由法國的Edmund Becquerel於1839年間所發現的。 第一個光伏特電池，在十九世紀初期，是由硒 (Selenium, Se) 元素所製作而成的，而且它的能量轉換效率僅有1.0~2.0%。 1954年，美國貝爾研究室，發表以矽 (Silicon, Si) 元素為材料的光伏特電池元件 。 第一章　前言　P 3

8 1-1太陽能電池的發展演進 4 圖1-2 太陽能電池元件以及其應用的發展歷史 第一章 前言 P 2 年 B I P V 應 用 。 1 9
年 B I P V 應 用 。 1 9 8 非 晶 矽 薄 膜 型 太 陽 電 池 元 件 的 消 費 性 產 品 7 日 本 推 動 「 月 光 計 畫 ( M o n l i g h t r j e c ) 」 6 R C A 公 司 ， 一 個 4 啟 S u s 硫 化 鎘 d 板 5 T y L a b 研 發 出 E F G ~ H f m 子 申 請 智 慧 財 專 利 、 砷 鎵 半 導 體 系 列 能 於 人 造 衛 星 美 國 D . p 等 展 3 博 士 敘 述 第 硒 基 q 現 起 力 效 代 太陽能電池發展 圖1-2 太陽能電池元件以及其應用的發展歷史 第一章　前言　P 4

9 1-1太陽能電池的發展演進 圖1-3所示的是各種不同光伏特電池或太陽電池的基本結構，其演進的歷程。 8
圖1-3　各種不同光伏特電池或太陽電池的基本結構以及其演進的歷程 第一章　前言　P 8

10 1-1太陽能電池的發展演進 第一章　前言　P 8

11 1-1太陽能電池的發展演進 第一章　前言　P 9

12 1-1太陽能電池的發展演進 第一章　前言　P 9

13 1-1太陽能電池的發展演進 第一章　前言　P 9

14 1-1太陽能電池的發展演進 第一章　前言　P 10

15 1-1太陽能電池的發展演進 第一章　前言　P 10

16 1-1太陽能電池的發展演進 第一章　前言　P 10

17 1-1太陽能電池的發展演進 第一章　前言　P 11

18 1-1太陽能電池的發展演進 太陽能電池的發展，大致上是從非晶矽半導體太陽能電池、多晶矽半導體太陽能電池、單晶矽半導體太陽能電池、III-V族化合物半導體太陽能電池、II-VI族化合物半導體太陽能電池、以及有機半導體太陽能電池等。 此一太陽能發光的物理現象，可以利用黑體 (Black Body) 理論來說明之，如圖1-4所示的。 第一章　前言　P 11

19 1-1太陽能電池的發展演進 圖1-4 太陽能電池發電的物理現象 第一章　前言　P 12

20 1-1太陽能電池的發展演進 第一章　前言　P 12

21 1-1太陽能電池的發展演進 第一章　前言　P 13

22 1-2太陽能電池的種類 太陽能電池的種類，可以從材料面及其結晶形態來區分，從材料面來看，如圖1-5所示的。
　無機材料太陽能電池 　有機材料太陽能電池 就單晶矽半導體太陽能電池而言，其光電轉換效率是最好的 在非晶矽半導體太陽能電池方面，其光電轉換效率是最差的 第一章　前言　P 13

23 1-2太陽能電池的種類 圖1-5 太陽能電池的種類以及其分類 第一章　前言　P 14

24 1-2太陽能電池的種類 從物質的形態來區分 依照其應用面來考量的話，則有： 塊狀 (Bulk) 薄膜狀 (Thin-Film)
球狀 (Spherical) 依照其應用面來考量的話，則有： 外太空使用型 (Terrestrial Utilization) 地面上使用型 (Ground-Based Utilization) 第一章　前言　P 14

25 1-2太陽能電池的種類 就外太空使用型的太陽能電池元件而言，其元件結構的設計示意圖，如圖1-6(a) 所示的。
在地面上使用型的太陽能電池元件方面，其元件結構的設計示意圖，如圖1-6(b) 所示的。 第一章　前言　P 15

26 1-2太陽能電池的種類 15 圖1-6 太陽能電池元件結構的設計示意圖，外太空使用型的 (a) 以及地面上使用型的 (b) 第一章 前言 P
抗反射膜 n 型半導體薄膜 p 背面電極 表面電極 ( a ) 外太空使用型的 b 地面上使用型的 圖1-6　太陽能電池元件結構的設計示意圖，外太空使用型的 (a) 以及地面上使用型的 (b) 第一章　前言　P 15

27 1-3太陽能電池的基本物性 太陽能電池的基本動作原理，是將太陽的光能轉換成電能的一種物理效應，而且不需要透過電解質來傳遞導電離子，而是利用半導體材料所形成的p-n接面 (p-n Junction)，受光照射之後，產生自由載體或載子 (Carriers) 來獲得內在的電位差。 就使用的材料類別來區分的話，則太陽能電池的世代交替，如圖1-7所示的。 第一代太陽能電池 第二代太陽能電池 第三代太陽能電池 第四代太陽能電池 第一章　前言　P 16

28 1-3太陽能電池的基本物性 圖1-7 太陽能電池的世代交替示意圖 第一章　前言　P 17

29 1-3太陽能電池的基本物性 目前，薄膜型太陽能電池的種類，因所用材料的種類及其結晶，可分為： 非晶矽 (Amorphous Silicon)
多晶矽 (Polycrystalline Silicon) 微晶矽 (Micro-Crystalline) 碲化鎘 (Cadmium Telluride) 銅銦硒化物 (Copper Indium Sulfide) 第一章　前言　P 18

30 1-4太陽能電池的應用領域 太陽能電池產業的供應鏈式基本架構，如圖1-8所示的。
上游性的 中游性的 下游性的 在上游性的太陽能電池產業方面，主要的是多晶矽材料 (Poly-Silicon)、矽晶圓錠 (Ingot)、以及矽晶圓片 (Wafer) 等原材料 第一章　前言　P 18

31 1-4太陽能電池的應用領域 圖1-8 太陽能電池產業的供應鏈式基本架構 第一章　前言　P 19

32 1-4太陽能電池的應用領域 依能源形態而分類，則太陽能的應用領域，又可分為： 以熱能為主的「太陽能熱水器」
以光電能為主的「太陽能電池光電發電系統」 　如表1-1所示的 第一章　前言　P 19

33 1-4太陽能電池的應用領域 表1-1 太陽能光電發電系統的應用領域 第一章　前言　P 21