太阳能电池之探讨与发展_School Project report.ppt

光電元件期末報告 太陽能電池之探討與發展 班級 四光電四甲姓名 林蔚叡491230244910A080指導老師 鄒文正 前言 由於全球原油儲存量不久的將來可能面臨短缺 地球暖化問題越來越嚴重 所以要降低氣體之總排放量 來改善 溫室效應 能源的節約越來越受到重視 也因此替代能源的開發成為目前全球科學家積極從事的首要工作 而太陽能取之不竭 用之不盡 以及潔淨無污染之特性 也成了下一代能源的首要選擇 當你在享受現代科技所帶來的便利生活時 相對地球的自然資源也正因此在加速的消耗中 同時製造出來的污染也破壞我們的自然生態 對於地球的永續發展造成極大的危害 在迎接 綠色能源 經濟時代已是世界之趨勢 何謂綠色能源 所謂的 綠色能源 指能夠提供能源服務且對環境友善 不破壞環境 之能源技術 包括可再生能源及能源節約 希望藉由使用自然界循環滋生 源源不絕的能源 再生能源 RenewableEnergy 創造一個生生不息的地球 可說是二十一世紀最受矚目的時代使命 再生能源中 以太陽能 風能 地熱 生物能最具應用潛力 商機亦最大 尤其台灣地處亞熱帶 日照充足 非常適合開發太陽能利用 在各式太陽熱能應用中 又以利用集熱器 收集太陽輻射能把水加熱的裝置 太陽能熱水系統 為技術最純熟 最具經濟價值 且已成功商品化 在家庭 學校宿舍 旅館 醫院 餐廳 游泳池等都能廣為應用 太陽能電池之原理 太陽能電池的發電能源來自太陽光 而太陽輻射的光譜主要是以可見光為中心 紫外光到紅外光是主要的分布範圍 大約為光子的能量0 3到4電子伏特之間 因此能隙大小在這個範圍內的材料 像矽材 會具有比較好的光電轉換效率 太陽能光電池 又稱為太陽能晶片 硅晶片 在物理學上稱為光生伏打 Photovoltaic 簡稱PV photo light光線 voltaics electricity電力 PN兩型半導體相結合後 當太陽光入射時 產生電子與電洞 有電流通過時 則產生電力 製造太陽能電池之材料 矽態太陽能電池的材料 主要可以分為單晶矽 多晶矽和非晶矽1 單晶矽 矽原子具有高度的周期性排列 目前 成長單晶矽最重要的技術是利用柴氏長晶法 2 多晶矽 材料由許多不同的小單晶所構成 它的製作方法是把熔融的矽鑄造固化而形成 3 非晶矽 是指整個材料中 只在幾個原子或分子的範圍內 原子的排列具有周期性 甚至在有些材料中 根本沒有周期性的原子排列結構 它的製作方法通常是用電漿式化學氣相沈積法 PECVD 在基板上長成非晶矽的薄膜 由於材料的晶體結構不同 因此 用不同的材料設計出太陽能電池時 它們的光電特性也會有所不同 效率比較 多晶矽太陽能電池 雖然效率方面比單晶矽太陽能電池的低 不過 簡單的製程和低廉的成本是它的最重要特色 所以 在部分低功率的電力應用系統上 便採用這類型的太陽能電池 非晶矽的太陽能電池 由於價格最便宜 生產速度也最快 所以非晶矽太陽能電池也比較常應用在消費性電子產品上 而且新的應用也在不斷地研發中 太陽能電池優缺點比較 太陽光發電的優點 太陽能發電是利用太陽光來發電 不需要燃燒石油 因此是一種清潔乾淨的能源 而且也不需要迴轉機 系統維護簡單 無噪音 可阻隔輻射熱 或可設計為半透光 太陽電池模板壽命長久 可達二十年以上太陽電池外型尺寸可隨意變化 應用廣泛發電量大小隨日光強度而變 可輔助尖峰電力之不足 並聯 太陽電池未來與建築物結合 將可普及化 太陽光發電的缺點 受到氣候的影響 一遇到陰天 雨天發電能力降低 夜間根本無法發電能源密度低 若要獲得大量電力 就需要廣大面積 由地面上照射的太陽光所能產生的電力是每平方分尺最多 瓦 轉換效力只有 太陽電池所產生的電流為直流電 一般家庭使用的是交流電 所以太陽電池必須裝設變流器 其收集的電才能為一般家庭所使用 傳統太陽能電池之改良方式 1 抗反射層 這一層電鍍 是要使得光不要因為反射而照成光的損失 若沒有這一層的電鍍 矽晶元大概會反射掉三分之一的光 也就是說 太陽能電池的能量就會少於三分之一 這一層薄薄的電鍍 是為了減少它的反射損失在百分之五以下 實際上 若做得好 可以使它的反射損失降到百分之二以下 2 粗紋化 通常為了提高電池的效力 在電池的表面 會把它蝕刻成金字塔狀或角錐狀的顆粒 這樣的處理可使得電池留住某些原本要反射掉的太陽光 傳統太陽能電池之改良方式 3 正面電極 此部份搜集太陽能電池所產生的電流 電極的面積如果太大 就會減少太陽能電池的有效照光面積 若太小 其阻抗的損失會變大 現階段量產之太陽能電池多用透明電極 目前商業化量產的透明電極材料有兩種 一 ITO氧化銦錫 ITO Tin dopedIndiumOxide 膜 1 其導電度與透光率較佳 2 業界而言 可先選購已鍍上ITO透明電極的基材 接著能夠以濕式蝕刻製程來加工 而形成所需的電極圖案 3 製作 加工 過程較容易 多被廠商採用 4 成本較高二 SnO2氧化錫 SnO2 TinOxide 膜 1 耐熱性佳 耐化學性佳 耐磨性佳 2 成本較低 3 對業界而言 若採用此SnO2當透明電極 則必須使用濺鍍法並配合剝離法來製成所需的電極圖案 使得製程較困難 傳統太陽能電池之改良方式 4 多層太陽能電池 單一材料之非晶矽或單晶矽太陽能電池 對陽光光譜的反應並非是全區域的 只對某一部分的波長產生反應 使得太陽能電池反應效率降低 故針對不同波長之光線的捕捉 開發出適當的半導體材料 並將其多層堆積起來 以捕捉全波段之波長 提高太陽能電池發電效率 5 手指狀電極太陽能電池 將電極作成手指狀 可減少電阻的接觸面 增加入射光接收的面積 傳統太陽能電池之改良方式 6 集光型球狀矽 由於主要原料多晶矽的供應不足 因此引發的矽晶圓價格的上漲越來越嚴重 目前主流的結晶矽太陽能電池主要通過厚200 300mm的板狀多晶矽吸收陽光來發電 而集光型球狀矽太陽能電池則通過直徑為1mm的矽吸收陽光來發電 通過與利用兼作電極的反射鏡進行集光的技術結合 在確保與原來的結晶矽太陽能電池具有同等性能的同時 可將矽使用量削減至1 5 1 7 這樣一來 太陽能電池模組的成本到2007年便 可降至現有結晶矽太陽能電池的89 集光型球狀矽太陽能電池目前的轉換效率為11 7 比原來的結晶矽太陽能電池的13 強略低 新式太陽能電池 DSSC 1 光敏性染料太陽能電池 Dye SensitizedSolarCell McFarland等人提出的一多層結構 包括染料 汞紅merbromin 金 10 50nm 二氧化鈦 200nm 鈦 在光照射下 汞紅吸收了光子後 電子被激發至比金 二氧化鈦界面所形成的蕭基能障 Schottkybarrier 0 9V 還高的能階 之後被半導體的內電場加速而到達收集電流的金屬層 而之所以能有高達10 的被激發電子可以轉成光電流 關鍵在於被激發電子在金層中的平均自由徑約是20 50nm 而金層亦只有10 50nm厚 因此許多電子可順利穿過金層到達半導體層 而不發生碰撞失去能量 儘管內光電轉換效率達10 但由於光子被汞紅吸收的比例低 整體的轉換效率仍低於1 新式太陽能電池 ETA 2 超薄吸收層太陽能電池 Extra ThinAbsorber 在固態光電流元件中 於兩層高光穿透性的透明半導體間 夾入一層很薄的吸收層 此吸收層表面積大 吸光效果好 光激發的電子 電洞不需做長距離的遷移即可被兩端的寬能帶p nJunction所收集 目前最新的方式進展 使用電鍍及反應式氣相磊晶 RVPE 方式形成奈米柱狀ZnO基板製作ETA太陽電池 而此基板之優點為載子無橫向傳導的路徑 僅沿單一方向傳導 且降低晶界阻礙 移動力增高 太陽能電池之未來展望 面對地球資源的短缺 和傳統利用石化燃料或核能所驅動的電力所引發的污染和安全問題 許多先進國家皆致力發展這些綠色新能源 期待能減少二氧化碳和有害物質的排放 最終達到環境永續及發展永續的理想 我國則訂下公元2020年時 全國再生能源能夠達到650萬千瓦的目標 屆時將佔國內總電力的10 與德國以及丹麥等發展再生能源先進國家相當 未來運用之展望 在台灣方面目前生產太陽能電池的主要廠商有光華 茂迪和士林電機等公司 主要應用在消秏性電子產品和太陽能電池為主 士林電機於1999年利用太陽能電池板的製造和封裝技術 成功發射中華衛星一號 希望之後能更進一步投入民生用途 太陽能電池發展朝輕 薄與高效能發展 故太陽能電池未來的發展是值得期待的 參考文獻 http china5 nikkeibp co jp china news elec elec200512120114 htmlfi org tw kmportal front bin ptdetail phtml Category 100016 Part magazine9409 426 9 周一德 工業總會服務網http nr stic gov tw ejournal NSCM 9406 9406 09 pdf 太陽能電池 楊素華 蔡泰成 高雄應用科技大學http china5 nikke