太阳能电池

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太陽能電池
太陽能電池板

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池[1]，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo 光，voltaics 伏特，缩写为PV），简称光伏。

太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体(如太阳)辐射出不同波长(对应于不同频率)的电磁波， 如红、紫外线，可见光等等。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高，例如紫外线所具有的能量要远远高于红外线。但是并非所有波长的射线的能量都能转化为电能，值得注意的是光电效应与射线的强度大小无关，只有频率达到或超越可产生光电效应的阈值时，电流才能产生。能够使半导体产生光电效应的光的最大波长同该半导体的禁带宽度相关，譬如晶体硅的禁带宽度在室温下约为1.155eV，因此必须波长小于1100nm的光线才可以使晶体硅产生光电效应。 太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等溫室气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，目前在实验室所研發的硅基太阳能电池中，单晶硅电池效率为25.0%，多晶硅电池效率为20.4%，CIGS薄膜电池效率达19.6%，CdTe薄膜电池效率达16.7 %，非晶硅（无定形硅）薄膜电池的效率为10.1% [2]。

目录

歷史 [编辑]

术语“光生伏打”（Photovoltaics）来源于希腊语，意思是光、伏特和电气的，来源于意大利物理学家亚历山德罗·伏特的名字，在亚历山德罗·伏特以后“伏特”便作为电压的单位使用。

裝於屋頂的太阳能
軟質太阳能板

以太陽能發展的歷史來說，光照射到材料上所引起的「光起電力」行為，早在19世紀的時候就已經發現了。

到了1930年代，照相機的曝光計廣泛地使用光起電力行為原理。

目前，在美國、日本和以色列等國家，已經大量使用太陽能裝置，更朝商業化的目標前進。

在這些國家中，美國於1983年在加州建立世界上最大的太陽能電廠，它的發電量可以高達16百萬瓦特。南非、波札那、納米比亞和非洲南部的其他國家也設立專案，鼓勵偏遠的鄉村地區安裝低成本的太陽能電池發電系統。

而推行太陽能發電最積極的國家首推日本。1994年日本實施補助獎勵辦法，推廣每戶3,000瓦特的「市電併聯型太陽光電能系統」。在第一年，政府補助49％的經費，以後的補助再逐年遞減。「市電併聯型太陽光電能系統」是在日照充足的時候，由太陽能電池提供電能給自家的負載用，若有多餘的電力則另行儲存。當發電量不足或者不發電的時候，所需要的電力再由電力公司提供。

到了1996年，日本有2,600戶裝置太陽能發電系統，裝設總容量已經有8百萬瓦特。一年後，已經有9,400戶裝置，裝設的總容量也達到了32百萬瓦特。近年來由於環保意識的高漲和政府補助金的制度，預估日本住家用太陽能電池的需求量，也會急速增加。

在中國，太陽能發電產業亦得到政府的大力鼓勵和資助。2009年3月，财政部宣布擬對太陽能光電建築等大型太陽能工程進行補貼。

太陽能電池構造與發電原理 [编辑]

太陽能電池的結構圖

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(P型半導體少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷)，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0.4μm～1.1μm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 [编辑]

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 [编辑]

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。

太空使用的太阳能电池
建築整合太陽能的工法
電動車太陽充電站

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。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)、第四代複合薄膜材料。

第一代太陽能電池發展最長久技術也最成熟。可分為，單晶矽(Monocrystalline Silicon)、多晶矽(Polycrystalline Silicon)、非晶矽(Amorphous Silicon)。以應用來說是以前兩者單晶矽與多晶矽為大宗。

第二代薄膜太陽能電池以薄膜製程來製造電池。種類可分為碲化鎘(Cadmium Telluride CdTe)、銅銦硒化物(Copper Indium Selenide CIS)、銅銦鎵硒化物(Copper Indium Gallium Selenide CIGS)、砷化鎵(Gallium arsenide GaAs)

第三代電池與前代電池最大的不同是製程中導入有機物和奈米科技。種類有光化學太陽能電池、染料光敏化太陽能電池、高分子太陽能電池、奈米結晶太陽能電池。

第四代則是針對電池吸收光的薄膜做出多層結構。

某種電池製造技術。並非僅能製造一種類型的電池，例如在多晶矽製程，既可製造出矽晶版類型，也可以製造薄膜類型。

单晶硅太阳能电池 [编辑]

以单晶硅为原料，当前采用较多的生产工艺是在P型硅片上晶硅磷扩散制作PN结，用高纯的硅原料（纯度要求不低于99.9999%）通过直拉法或者是区熔法制造单晶硅棒，同时掺杂少量硼元素，再切成薄片，经过清洗制绒、磷扩散、刻蚀去边结、PECVD法镀减反射膜、丝网印刷制作电极等工序制作成太阳能电池。少量高效单晶硅电池采用N型硅片上进行硼扩散制作PN结。

晶体硅(包括单晶硅及多晶硅)太阳电池工业生产流程 [编辑]

  1. 硅料提纯：原料为高纯的二氧化硅，经过还原剂碳还原后，生成纯度为98%以上的冶金级硅，然后冶金级硅再经西门子法提纯为纯度大于99.99998%的太阳能级硅(纯度要求低于半导体级硅)。
  2. 拉晶或铸锭：将提纯得到的高纯硅料，经过柴氏法提拉结晶成为单晶硅棒，或者通过石英坩埚铸锭为多晶硅锭。
  3. 修角：该工艺只适用于单晶，目的是将圆柱形的单晶硅棒磨为近长方体形，使切出的硅片接近方形。
  4. 切片：用多线锯（金刚石线）将单晶硅棒或多晶硅锭切为200-300μm厚的薄片，目前工业上已大规模使用200μm左右的硅片进行生产。
  5. 清洗制绒：首先用碱液(一般为80摄氏度以上的NaOH溶液)腐蚀机械加工中造成硅片的损伤，然后分别用碱液(单晶硅片)或酸液(多晶硅片)制备出用于减反射的绒面，最后用甩干机甩干。
  6. 扩散制结：目前工业上用的硅片主要为p型片，因此需要通过扩散磷(P)来形成PN结，扩散一般通过扩散炉进行，工艺温度高于900摄氏度，但目前已经在开发低温的扩散工艺。如果是使用n型片制备太阳电池，则需要扩散硼(B)。
  7. 二次清洗：因为在扩散工艺中会形成非活性的磷硅玻璃，因此需要通过氢氟酸(HF)腐蚀掉。
  8. 制备减反射膜：工业中采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，制备氮化硅SiNx减反射膜。
  9. 印刷电极：通过丝网印刷(Screen printing)制备前后电极，前电极一般用银浆，后电极用银铝浆，而背面场则用铝浆印刷而成。
  10. 烧结：通过烧结炉的高温烧结，使前电极烧穿前表面的氮化硅减反射膜，n型层形成良好的欧姆接触，而背面的铝扩散入硅中，在背表面形成p+的重掺区，从而形成背表面场。

新型太陽電池 [编辑]

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[3])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 [编辑]

在薄膜電池技术中，近年来BIPV（Building Integrated Photo Voltaic）即建筑物集成太阳能电池技术特别引人注目。此技术把薄膜电池应用到建筑物的围护结构如屋顶、天窗、外觀、門窗等部分的建筑材料之中；对于使用帷幕牆特别是玻璃幕墙的建筑物，BIPV更可结合在帷幕牆的材料之中。故其相對於非集成系统的優點，在於初投資可被因節省建材和勞工而抵消。被認为是太阳能电池工业中增长最大的技术之一。

調查表明，CIGS可彎曲模塊是BIPV封裝工業增長的最大推動力。[4]

染料敏化太陽電池 [编辑]

染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cell，DSSC）是最近被開發出來的一種嶄新的太陽電池。DSsC也被稱為格雷策尔电池，因為是在1991年由格雷策尔等人發明[5] 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10～20 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剂，二層電極間，則注入填滿含有iodide/triiodide電解質。雖然目前DSSC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，所以一般認為降低生產成本會更多，能用更低的成本提供同樣的發電量。

串疊型電池 [编辑]

串疊型電池(Tandem Cell)屬於一種運用新穎原件結構的電池，藉由設計多層不同能隙的太陽能電池來達到吸收效率最佳化的結構設計。目前由理論計算可知，如果在結構中放入越多層數的電池，將可把電池效率逐步提升，甚至可達到50%的轉換效率。[6] 例如核能研究所利用MOCVD磊晶生長的方法進行堆疊式單體型InGaP/GaAs/Ge三接面太陽電池磊晶片的開發與太陽電池元件製程，所完成的太陽電池在128個太陽條件下，最佳能量轉換效率為39.07 %。此種高聚光太陽光發電(High Concentration Photovoltaic, HCPV)技術由於具有發電效率高、溫度係數低及最有降低發電成本的潛力等優勢，近年來逐漸受到國際的重視。依據聚光型太陽光發電協會(CPV Consortium)資料顯示，聚光型太陽光發電的全球市場將以145%年複合成長率向上增長，預估至2015年之安裝量將達1.8GW。(資料來源：核能研究所 100年度-新能源與再生能源科技研究成果年報)。[7]

企业支持 [编辑]

太阳能电池供应商 [编辑]

晶硅太阳电池

薄膜太阳电池

染料敏化太陽能電池

太阳能產業研究或報價廠商 [编辑]

太阳能系統安裝廠商 [编辑]

應用實例 [编辑]

現在的太陽光電板可以配合造型做變化，在德國，一艘以太陽電池作為遮陽板的遊艇，不但造型流線美觀也環保。

有太陽能屋、太陽能燈、太陽能電廠、太陽能飛機等。

應用市場的發展 [编辑]

由於封裝技術，焊接材料與加工方法及晶片上的改良，在1991年太陽能系統的壽命約5到10年。到了1995年則增加到10～20年，而到公元2000年更可延長使用年限到25年以上。於1995年僅美國市場的太陽能電池銷售額為35億美元。由於石油及環保(全球溫室效應)的問題，以及外交上對落後地區的援助，使得在公元2000年後全球的太陽能電池銷售額成數倍的成長。

到了2005年後，由於德國等環保先進國家新建築法規的因素，造成太陽能板需求量爆發大增，瞬間市場嚴重缺貨，造成全球太陽能電池產業的蓬勃發展，許多太陽能電池廠的股價，一夕之間衝到最高點。同時也帶動洞悉商機的傳統製造業轉型，投入太陽能相關商品的開發、應用。

展望 [编辑]

夜間不能發電是太陽能電池的一大缺點，但是針對這一個缺點有3種方式可以克服。

  1. 把太陽能電池當作補充電力的方案：由於日間電力需求較高，單純的只讓太陽能電池在日間提供服務剛好可以讓發電廠等供電源負載更平均、也減少電力網的尖峰負載；若以傳統方法應付尖峰負載，其成本可能會比使用太陽能電池高。
  2. 把白天的太陽光能轉成其他的能量形式加以儲存，例如蓄電池、飛輪裝置、壓縮空氣、抽蓄發電廠等，到黑夜的時候再把儲存的能量釋放出來。
  3. 美國和日本兩國正在進行「衛星太陽能發電廠」計畫(Satellite Solar PowerStation，SSPS)，這一個計畫的工作項目就是在太空中找到一個能夠不斷接受太陽光的地方，例如在赤道附近上空，發射具有太陽能電池或熱能發電系統的衛星，利用人造衛星在太空中吸收太陽能來發電。由於免除了晝夜、溫差及氣候等因素影響，人造衛星可以連續不停且穩定地接收太陽能，再把它轉換為電能，然後以微波的方式傳回地球，經過地球微波接收站接收後，再轉換回來成為電能，輸送到各個地方。

目前太陽能電池成本還很高：比許多綠色／再生能源高很多，無法以合理成本提供大量需求。未來可以期待科學家及工程師們不斷的研究，再加上半導體產業技術的進步，太陽能電池的效率也逐漸增加，而且發電系統的單位成本也正逐年下降。因此，隨著太陽能電池效率的增加、成本的降低以及環保意識的高漲，太陽能電池的成本可望大幅降低。也可以利用便宜的鏡子將陽光反射至昂貴的高效能太陽能電池(需注意散熱)，可以降低發電成本。

現在，太陽能電池已經被廣泛運用在日常生活中，例如手錶、計算機、汽車、飛機等，可見它有很大的發展潛力，相信未來太陽能電池可以在能源的運用上扮演重要的角色。

世界的節約能源概念普遍下，綠色科技已是目前的產業新星。而這波綠色科技潮流，又首推太陽能最為行情看漲，有可能成為全球紅透半邊天的明日之星。面對國際油價不斷飆高，第三次石油危機即將到來的危機，一股全世界重新洗牌的能源卡位戰，已經響起咚咚戰鼓，蓄勢待發了。

相關條目 [编辑]

參考資料 [编辑]

  1. ^ 《科普手册》。国家数字文化网。http://www.ndcnc.gov.cn/datalib/2004/Science/DL/DL-177512/
  2. ^ 《Solar cell efficiency tables(version 37)》Progress in Photovoltaics: Research and Applications Volume 19, Issue 1, pages 84–92, January 2011 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pip.1088/full
  3. ^ Third Generation Photovoltaics, M.A. Green, ISBN 978-3-540-26562-7(Print)ISBN 978-3-540-26563-4 (Online)
  4. ^ BIPV Encapsulation Markets Preview
  5. ^ Michael Grätzel, Brian O'Regan (24 October 1991). "A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films". Nature 353(24):737 - 740. DOI:10.1038/353737a0
  6. ^ Marti A and Araujo GL(1996),Limiting efficiencies for photovoltaics solar conversion in multigap systems, Solar Energy Materials and Solar Cells 43 203-222
  7. ^ 核能研究所 100年度-新能源與再生能源科技研究成果年報
  • G. P. Smestad, Solar Energy Mater. Solar Cells, 82, 227 (2004).
  • M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 8, 127 (2000).
  • M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 8, 443 (2000).
  • M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 9, 123 (2001).
  • M. A. Green, Prog. Photovolt: Res. Appl., 13, 447 (2005).
  • T. Surek, J. Cryst. Growth, 275, 292 (2005).
  • H. Spanggaard, and F. C. Krebs, Solar Energy Mater. Solar Cells, 83, 125 (2004).

外部链接 [编辑]
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工艺
器件
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