Chapter 2 太陽能電池的基本原理及其結構

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1 Chapter 2 太陽能電池的基本原理及其結構
2-1 太陽能電池的基本原理 2-2 太陽能電池的基本結構 2-3 太陽能電池的製作

2 內容大綱 太陽能電池的基本原理 太陽能電池的基本結構 太陽能電池的製作 本章節的內容，主要地是簡述式討論 28
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 28 內容大綱 本章節的內容，主要地是簡述式討論 太陽能電池的基本原理 太陽能電池的基本結構 太陽能電池的製作

3 2-1太陽能電池的基本原理 第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 28 表2-1 物理式電池以及化學式電池的種類以及其分類

4 2-1-1量子力學以及光電效應 一般太陽能電池所使用的核心材料是半導體材料，在自然界中的半導體材料種類： 有機半導體材料 無機半導體材料
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 29 2-1-1量子力學以及光電效應 一般太陽能電池所使用的核心材料是半導體材料，在自然界中的半導體材料種類： 有機半導體材料 無機半導體材料 在無機半導體材料方面： 矽系列半導體材料 化合物系列半導體材料 陶瓷系列半導體材料

5 第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 29 在半導體材料中，當兩種不同的電荷載體相接合，而產生發光的效應，則此一物理現象稱之為「電激發光效應 (Electro-luminescence Effect)」，它是一種電能轉換成光能的物理現象。倘若半導體材料受到外來光的照射，而激發出電子以及電洞等電荷載體，並增加其電的傳導體性，則此一現象稱之為「光傳導效應 (Photo-Conductive Effect)」，而且此些電荷載體將往不同的電場方向移動，導致電荷載體的極化效應 (Polarization)，進而衍生出所謂的電位差或電能，則此一現象稱之為「光伏特效應或光起電力效應 (Photo-Voltaic Effect)」，它是一種光能轉換成電能的物理現象。

6 第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 30 圖2-1 矽原子 的電子結構示意圖

7 第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 31 當矽的外層軌域電子獲得的光能量大於1.1電子伏特，則最外層軌域電子將形成自由電子以及電洞，此一物理現象稱之為「光激發電子 - 電洞對 (Light-Generated Electron-Hole Pairs)」。電子 - 電洞對的數量大小將對其電特性有很大的影響，當激發所衍生的電子 - 電洞對數量愈多的話，則其導電效果就愈好的，而且輸出電流也將愈大的，此一現象則是稱之為光導電效應 (Photo Conductive Effect)。除了吸收外來的光能量而產生電子 - 電洞對之外，吸收外來的熱能量，而產生電子 - 電洞對的現象也有的，此一情形稱之為「熱激發電子 - 電洞對 (Hot-Generated Electron-Hole Pairs)」。

8 在矽材料之中，摻雜第五族的元素於其內，則所形成的半導體是帶有較多電子的n型半導體 .
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 31 在矽材料之中，摻雜第五族的元素於其內，則所形成的半導體是帶有較多電子的n型半導體 . 倘若摻雜第三族的元素於其內，則所形成的半導體是帶有較多電洞的p型半導體 . 當p型半導體以及n型半導體接合在一起的時候，因為兩端的自由電子以及電洞濃度不同而產生擴散現象，p型半導體中的電洞濃度較高的，而向n型半導體方面擴散.

9 p-n接面型半導體元件結構、能帶、位能、以及電場分布的示意圖
32 圖2-2 p-n接面型半導體元件結構、能帶、位能、以及電場分布的示意圖

10 第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 32 　在接合面附近，由於電荷密度分布的不均勻，而產生內部的電場效應，並驅使電子以及電洞移動至n型半導體以及p型半導體，進而促使接合面附近沒有電子以及電洞，此一區域稱之為空乏區域 (Depletion Region)。pn接面型半導體元件結構、能帶、電荷密度、電位能、以及電場分布的示意圖，如圖2-2所示的。

11 「光電效應 (Opto-Electronic Effect)」即是光能轉換成電能的現象.
33 「光電效應 (Opto-Electronic Effect)」即是光能轉換成電能的現象. 電光效應 (Electro-Optical Effect)」是一種將電能轉換成光能的物理現象. 太陽電池元件以及發光二極體元件，均是含有兩個電極的二端子型元件 太陽電池元件是光電效應 發光二極體元件是電光效應

12 2-2太陽能電池的基本結構 歐姆接觸 (Ohmic Contact)，是一層金屬薄膜蒸鍍於半導體的表面，所形成的一種導電特性。 33
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 33 2-2太陽能電池的基本結構 歐姆接觸 (Ohmic Contact)，是一層金屬薄膜蒸鍍於半導體的表面，所形成的一種導電特性。 圖2-3 p-n接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成

13 圖2-3 p-n接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成
34 圖2-3 p-n接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成

14 圖2-4 p-n接面型太陽能電池元件的能帶示意圖
34 圖2-4 p-n接面型太陽能電池元件的能帶示意圖

15 太陽能電池附有負載的等效電路 (Equivalent Circuit)，包含：電流源 (IL),二極體飽和電流 (IS),電阻 (RL)
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 35 太陽能電池附有負載的等效電路 (Equivalent Circuit)，包含：電流源 (IL),二極體飽和電流 (IS),電阻 (RL) 圖2-5 太陽能電池元件附有負載的 (a) 以及無負載的 (b) 等效電路

16 太陽能電池沒有負載的等效電路圖 如圖2-5(b) 35 圖2-5 太陽能電池元件附有負載的 (a) 以及無負載的 (b) 等效電路
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 35 太陽能電池沒有負載的等效電路圖 如圖2-5(b) 圖2-5 太陽能電池元件附有負載的 (a) 以及無負載的 (b) 等效電路

17 太陽能電池元件的理想電流 - 電壓 (I-V) 特性，可表示為：
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 35 太陽能電池元件的理想電流 - 電壓 (I-V) 特性，可表示為： 此一公式所繪製的曲線，分布於直角座標第四象限所圍的區域；它是相當於此一太陽能元件所輸出的功率，所得四方形的面積大小即是最大輸出功率，如圖2-6(a) 所示的。

18 短路電流 (Short Circuit Current, ISC)
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 35 由圖2-6(b)可以得知： 短路電流 (Short Circuit Current, ISC) 開放電路或斷路電壓 (Open Circuit Voltage, VOC) 最大電流值 (Maximum Current, Im) 最大電壓值 (Maximum Voltage, Vm) 如圖2-6(b) 所示的。 代表著太陽光輻射於太陽能電池元件，其內部產生過量載體而形成的電流源；而 代表著二極體元件的飽和電流。

19 第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 36 倘若選擇最佳化的負載 (Load)，則此一太陽能電池可以輸出 ( ) ( ) 功率的80%。 是此一電池的短路電流並等於 ，而 則是電池的開路或斷路電壓。 當 時，

20 36 圖2-6 太陽能電池元件的電流電壓關係曲線 (a) 以及短路電流、斷路電壓、最大電流值、以及最大電壓值等參數 (b) 示意圖
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 36 圖2-6 太陽能電池元件的電流電壓關係曲線 (a) 以及短路電流、斷路電壓、最大電流值、以及最大電壓值等參數 (b) 示意圖

21 37 對於一定的 ， 將隨著其飽和電流 的減少，而呈現指數式的增加： 當 ，其輸出電功率是最大的，而最大輸出電功率為 。 最大輸出電功率為：
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 37 對於一定的 ， 將隨著其飽和電流 的減少，而呈現指數式的增加： 　 當 ，其輸出電功率是最大的，而最大輸出電功率為 。 　最大輸出電功率為：

22 太陽能電池元件的理想光電轉換效率或能量轉換效率 ( ) 為：
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 37 最大輸出電功率為： 太陽能電池元件的理想光電轉換效率或能量轉換效率 (　) 為： 形狀因子 (Fill Factor, FF) 的定義為：

23 若太陽能電池有串聯電阻負載的時候，此時，太陽能電池元件的電流 - 電壓 (I-V) 特性以及能量轉換效率，可表示為：
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 38 若太陽能電池有串聯電阻負載的時候，此時，太陽能電池元件的電流 - 電壓 (I-V) 特性以及能量轉換效率，可表示為： 圖2-7 太陽能電池有串聯電阻負載的等效電路示意圖

24 第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 39

25 第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 39 太陽電池的能量轉換效率 ( ) 為：

26 因接面使用材料的種類而區分，則太陽能電池元件的種類： 同質接面型太陽能電池元件 (Homo-Junction Solar Cell)
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 39 因接面使用材料的種類而區分，則太陽能電池元件的種類： 同質接面型太陽能電池元件 (Homo-Junction Solar Cell) 異質接面型太陽能電池元件 (Hetero-Junction Solar Cell) 在接面型太陽能電池元件的特性上，有金屬 - 半導體接觸特性 (Metal-Semiconductor Contact) 以及金屬 - 絕緣體 - 半導體接觸特性 (Metal-Insulator-Semiconductor) 等兩種；而金屬 - 半導體接觸特性，稱之為蕭特基能障 (Schottky Energy Barrier or Schottky Barrier)。

27 第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 40 蕭特基能障或金屬 - 半導體接觸，乃是由極薄的金屬薄膜以及半導體薄膜等所構成的界面，其界面處存在有空乏區，亦就是沒有任何載體存在的區域，其元件以及能帶示意圖，如圖2-8(a) 所示的。 就金屬 - 半導體接觸型太陽能電池元件而言，其飽和電流密度以及開放電壓為 A：半導體基板材料常數。

28 第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 41 圖2-8 蕭特基能障或金屬 - 半導體接觸 (a) 以及金屬 - 絕緣體 - 半導體接觸 (b)，其元件以及能帶示意圖

29 48 就金屬 - 絕緣體 - 半導體接觸型太陽電池元件而言，其飽和電流密度以及開放電壓為：
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 48 就金屬 - 絕緣體 - 半導體接觸型太陽電池元件而言，其飽和電流密度以及開放電壓為： A：半導體基板材料常數；a：常數；：絕緣體薄膜厚度。

30 第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 42 2-3太陽能電池的製作 太陽能電池的製作，可以分為晶圓片型的以及薄膜型的兩種不同的製程技術。晶圓片型的太陽能電池，因為原材料的短缺而供應不足以及其單價是較高的，以致於大面積而高效率的薄膜型的太陽能電池，成為未來發展的重點所在。 緣邊膜進料長晶的方式 (Edge-Defined Film-Fed Growth, EFG)，是美國ASE公司所發展出來的一種技術，亦是先進而成本經濟效益最大的一種長晶製程技術。此一拉晶長晶的方式，是可以拉出中空型的八角形柱體；然後，使用雷射切割方式，將其切割成10  10 cm2的晶片。

31 單晶圓片型矽太陽能電池的生產流程，其內容如下：
第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P 43 單晶圓片型矽太陽能電池的生產流程，其內容如下： 圖2-9 單晶圓片型矽太陽能電池的生產流程