太阳能发电与磷酸锂铁电池.doc

太陽能發電與磷酸鋰鐵電池指導教授:黃永慈 副教授組 員:吳毓展 吳育睿 陳志銘 林新宸目錄：前言3研究方向4原理解說5產業上的應用10應用技術10前言隨著人類科技的高速發展，雖然為人們帶來了許許多多的方便和進步，但是也不知不覺地對地球造成了相當大的傷害，例如:海平面上升、二氧化碳濃度增加所造成之溫室效應、臭氧層的破洞造成紫外線的增強、冰山之融化等等 。太陽能發電的技術其實早已被使用了數十年，只是近2-3年才引起全面的注意，主要的原因當然是04年起國際原油價格的飆漲，人們意識到除了目前資源成本全面上揚外，更警覺到石油總有一天會枯竭的問題，故開發替代能源也就成為了全球性的議題，世界各國都希望可以善用替代能源來取代目前的有限資源。現在太陽能板電池的運用也越來越廣泛，像現有之大 力推廣使用之太陽能熱水器、太陽能家電，太陽能交通工具的開發設計，如:太陽能車、太陽能船、太陽能飛機等等，藉由光電轉換之裝置就可以把太陽之光能轉換成電能使用，未來之太陽能將會越來越普及近能源科技受到非常的重視，很多的學者專家都投入這方面的研究。車輛是一種最方便的交通工具，每天行駛在馬路上的車輛數也數不完，如果能讓車輛使用的能源進行替換或交替使用，來達到大幅度減少能源的消耗的目的，不失為解決當前能源危機之一種方案。研究方向1.太陽光如何使單矽晶片產生能源。2.磷酸鋰鐵電池的結構。原理解說太陽能發電原理: 太陽能光電池簡稱為太陽能電池，又稱為太陽能晶片，太陽能電池是一種用太陽光直接發電的光電半導體薄片，其將高純的半導體材加入一些純物使其呈現同的性質。 太陽電池的發電原，可以用一構造最簡單的單晶矽太陽電池明，首先由材談起，矽是現在各種半導體產業中最重要且使用最廣泛的電子材。它的源是二氧化矽，原取得很容，成本也比較低。 在元素周期表，矽的原子序是 14，屬於第 IV 族元素，其中內層的10個電子被原子核緊密的束縛著，而外層的4個電子受到原子核的束縛較小，如果得到足夠的能，則可使其脫原子核的束縛而成為自由電子。而這個電子又稱為價電子。每個矽的個外層電子，分別和個鄰近矽原子中的一個外層電子成對，形成共價鍵。 太陽能電池與一般的電池不同，太陽能電池是將太陽能轉換成電能的裝置，且不需要透過電解質來傳遞導電離子，而是改採半導體產生PN 結來獲得電位。當半導體受到太陽光的照射時，大量的自由電子伴隨而生，而此電子的移動又產生了電流，也就是在 PN 結處產生電位差。因此太陽能電池需要陽光才能運作，所以大多是將太陽能電池與蓄電池串聯，將有陽光時所產生的電能先行儲存，以供無陽光時放電使用。 太陽電池是一種可以將能量轉換的光電元件，其基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的。半導體最基本的材料是矽，它是不導電的，但如果在半導體中摻入不同的雜質，就可以做成P型與N型半導體，再利用P型半導體有個空穴， 與N型半導體多了一個自由電子的電位差來產生電流，所以當太陽光照射時，光能將矽原子中的電子激發出來，而產生電子和空穴的對流， 這些電子和空穴均會受到內建電位的影響，分別被N型及P型半導體吸引，而聚集在兩端。此時外部如果用電極連 接起來，形成一個迴路，這就是太陽電池發電的原理。簡單的說，太陽光電的發電原理，是利用太陽電池吸收0.4m1.1m波長(針對矽晶)的太陽光，將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。由於太陽電池產生的電是直流電，因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉換器，換成交流電，才能供電至家庭用電或工業用電。太陽能電池的充電發展太陽能電池應用在消費性商品上，大多有充電的問題，過去一般的充電對象採用鎳氫或鎳鎘乾電池，但是鎳氫乾電池無法抗高溫，鎳鎘乾電池有環保污染的問題。近年來超級電容發展快速，容量超大，面積反縮小，加上韓國產品價格低廉，因此有部份太陽能產品開始改採超級電容為充電對象，因而改善了太陽能充電的許多問題：1.充電較快速2.壽命長5倍以上3.充電溫度範圍較廣4.減少太陽能電池用量（可低壓充電） 太陽電池材料種類 太陽電池的材料種類非常的多，可以有非晶矽、多晶矽、CdTe、CuInxGa(1-x)Se2等半導體的、或三五族、二六族的元素鏈結的材料，簡單地說，凡光照後，而產生電 能的，就是太陽電池尋找的材料。主要是透過不同的製程和方法，測試對光的反應和吸收，做到能隙結合寬廣，讓短波長或長波長都可以全盤吸收的革命性突破，來降低材料的 成本。太陽電池型式上也分有，基板式或是薄膜式， 基板在製程上可分拉單晶式的、或相溶後冷卻結成多晶的塊材，薄膜式是可和建築物有較佳結合，如有曲度或可撓式、折疊型，材料上較常用非晶矽。另外還有一種有機或奈米材料研發，仍屬於前瞻研發， 目前僅運用於太空項目上。因此，也就是目前可聽到不同世代的太陽電池：第一代基板矽晶（Silicon Based）、第二代為薄膜（Thin Film）、第三代新觀念研發（New Concept）。新型太陽電池 目前市場上大量產的單晶與多晶矽的太陽電池平均效率約在15%上下，也就是說，這樣的太陽電池只能將入射太陽光能轉換成15%可用電能，其餘的 85%都浪費成無用的熱能。所以嚴格地說，現今太陽電池，也是某種型式的浪費能源。當然理論上，只要能有效的抑制太陽電池內載子和聲子的能量交換，換言之，有效的抑制載子能帶內或能帶間的能量釋放，就能有效的避免太陽電池內無用的熱能的產生，大幅地提高太陽電池的效率，甚至達到超高效率的運作。而這樣簡易的理論構想，在實際的技術上，卻可以用不同的方法來執行這樣的原則。超高效率的太陽電池（第三代太陽電池2）的技術發展，除了運用新穎的元件結構設計，來嘗試突破其物理限制外，也有可能因為新材料的引進，而達成大幅增加轉換效率的目的。薄膜太陽電池 包括非晶矽太陽電池，CdTe 和 CIGS（copper indium gallium selenide）電池。雖然目前多數量產薄膜太陽電池轉換效率仍無法與晶矽太陽電池抗衡，但是其低製造成本仍然使其在市場有一席之地，且未來市場佔有率 仍會持續成長。染料敏化太陽電池 染料感光太陽電池（Dye-sensitized solar cell，DSSC）是最近被開發出來的一種嶄新的太陽電池。DSsC也被稱為Grtzel cell，因為是在1991年由 Grtzel等人發表3的構造和一般光伏特電池不同，其基板通常是玻璃，也可以是透明且可彎曲的聚合箔（polymer foil），玻璃上有一層透明導電的氧化物（transparent conducting oxide，TCO）通常是使用FTO（SnO2:F），然後長有一層約10微米厚的porous奈米尺寸的 TiO2粒子（約1020 nm）形成一nano-porous薄膜。然後塗上一層染料附著於TiO2的粒子上。通常染料是採用ruthenium polypyridyl complex。上層的電極除了也是使用玻璃和TCO外，也鍍上一層鉑當電解質反應的催化劑，二層電極間，則注入填滿含有iodide/triiodide電解質。雖然目前DSC電池的最高轉換效率約在12%左右（理論最高29來源請求），但是製造過程簡單，所以一般認將大幅降低生產成本，也同時降低每度電的電費。磷酸鋰鐵電池: 磷酸鐵鋰簡稱LFP，是一種鋰離子電池，也稱為鋰鐵磷電池，主要特色是不含鈷等貴重元素，而原料價格低且磷、鋰、鐵存在於地球的資源含量豐富，不會有供料問題。其工作電壓適中（3.2V）、電容量大（170mAh/g）、高放電功率、可快速充電且循環壽命長，在高溫與高熱環境下的穩定性高。LiFePO4正確的化學式應該是LiMPO4, 物理結構則為橄欖石結構, 而其中的M可以是任何金屬 。 LiFePO4電池的內部結構如圖所示。左邊是橄欖石結構的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，右邊是由碳（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質，電池由金屬外殼密閉封裝，LiFePO4電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移；在放電過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。 在產業上的應用 首先採用這種鋰電池材料的油電混合車是 GM 的 CHEVROLET Volt，這部插電式油電混合車（PHEV）將在2010年正式在市面上銷售，它突出的省油性能與駕控的舒適，使得它尚未銷售，目前已經有將近四萬名美國民眾搶先訂購；Volt每次充電後的續