太陽能電池

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太陽能電池
多具串聯的太陽能電池板

太陽能電池又稱為「太陽能晶片」或光電池[1],是一種將太陽光轉成電能的裝置。

依照光電效應,當光線照射在導體或半導體上時,光子與導體或半導體中的電子作用,會造成電子的流動,而光的波長越短,頻率越高,電子所具有的能量就越高,例如紫外線所具有的能量便高於紅外線,因此,同一材料被紫外線照射產生的流動電子能量將較高。並非所有波長的光都能轉化為電能,只有頻率超越可產生光電效應的閾值時,電流才能產生。在常見的半導體太陽能電池中,透過適當的能階設計,便可有效的吸收太陽所發出的光,並產生電壓與電流。這種現象又被稱為太陽能光伏

太陽能發電是一種可再生環保發電方式,其發電過程中不會產生二氧化碳溫室氣體,因此不會對環境造成污染。按照製作材料分為基半導體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機材料電池等。其中矽電池又分為單晶電池、多晶電池和無定形矽薄膜電池等。對於太陽能電池來說最重要的參數轉換效率,目前在實驗室所研發的矽基太陽能電池中,單晶矽電池效率為25.0%,多晶矽電池效率為20.4%,CIGS薄膜電池效率達19.8%,CdTe薄膜電池效率達19.6 %,非晶矽(無定形矽)薄膜電池的效率為10.1%。[2]

歷史[編輯]

術語「光生伏打」(Photovoltaics)一詞,係photo-(希臘語,意)與volta(意電氣,紀念意大利物理學家亞歷山德羅·伏打(Alessandro Volta))的結合,意指由光產生電的現象,最早的紀錄可溯至十九世紀。

裝於屋頂的太陽能
軟質太陽能板
  • 1930年代,照相機曝光計廣泛地使用光生伏打原理。
  • 1946年Russell Ohl申請了現代太陽電池的專利
  • 1950年代,隨着半導體物理性質的逐漸瞭解,以及加工技術的進步,在1954年美國貝爾實驗室的研究員發現,於中摻入一定量的雜質,會使其對光更加敏感,並製作出了第一個有實際應用價值的太陽能電池。
  • 1960年代,美國發射的人造衞星已利用太陽能電池做為能量來源。
  • 1970年代,由於能源危機世界各國開始關注能源開發的重要性。1973年發生了石油危機,人們開始把太陽能電池的應用轉移到一般的民生用途上。

目前,在美國、日本以色列等國家,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。南非博茨瓦納納米比亞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。

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,財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。

構造與發電原理[編輯]

太陽能電池的結構圖

太陽電池的基本構造是運用P型N型半導體接合而成的,這種結構稱為一個PN接面

當太陽光照射到一般的半導體(例如矽)時,會產生電子與電洞對,但它們很快的便會結合,並且將能量轉換成光子聲子(熱),光子和能量相關,聲子則和動量相關。因此電子與電洞的生命期甚短;在P型中,由於具有較高的電洞密度,光產生的電洞具有較長的生命期,同理,在N型半導體中,電子有較長的生命期。

在P-N半導體接合處,由於有效載子濃度不同而造成的擴散,將會產生一個由N指向P的內建電場,因此當光子被接合處的半導體吸收時,所產生的電子將會受電場作用而移動至N型半導體處,電洞則移動至P型半導體處,因此便能在兩側累積電荷,若以導線連接,則可產生電流,而太陽能電池的挑戰就在於如何將產生的電子電洞對在複合之前將其蒐集起來。

從太陽來的光線,能量大部份落於1 – 3 eV之間,因此就單一個PN接面而言,若經適當地設計,使吸收光能的高峰落於約1.5 eV,則能有最好的效率。[3]

由於太陽電池產生的電是直流電,若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝逆變器,才能加以利用。

太陽能電池的充電發展[編輯]

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或鎳乾電池,但是鎳氫乾電池無法抗高溫,鎳鎘乾電池環保污染的問題。近年來超級電容發展快速,容量超大,面積較小,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. 壽命增長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[編輯]

太陽電池的材料種類繁多,可以有非晶矽多晶矽CdTe、CuInxGa(1-x)Se2半導體的、或三五族、二六族的元素鏈結的材料等。

太空使用的太陽能電池
電動車太陽充電站

其設計上主要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。

太陽電池型式上可分作基板式與薄膜式,基板式在材料上又可分單晶式、或相溶後冷卻而成的多晶式基板;薄膜式則可和建築物有較佳的結合性,它具有曲度,有可撓、可折疊等特性,材料上較常用非晶矽。除前二者外,另有有機納米材料製作之太陽能電池,目前仍處研發階段。

就太陽能電池的發展時間而言,可區分為四個世代: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。種類可分為單晶矽(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,也因應不同設計的需求需要用到不同材料(例:對光波長的吸收、成本、面積......等等)。

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納米科技。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、納米結晶太陽能電池。

第四代則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。

晶體矽(包括單晶矽及多晶矽)太陽電池工業生產流程[編輯]

  1. 矽料提純:原料為高純的二氧化矽,經過還原劑碳還原後,生成純度為98%以上的冶金級矽,再經西門子法提純為純度大於99.99998%的太陽能級矽(純度要求低於半導體級矽)。
  2. 拉晶或鑄錠:將提純得到的高純矽料,經過柴氏法提拉結晶成為單晶矽棒,或者通過石英坩堝鑄錠為多晶矽錠。
  3. 修角:該工藝只適用於單晶,目的是將圓柱形的單晶矽棒磨為近長方體形,使切出的矽片接近方形。
  4. 切片:用多線鋸(金剛石線)將單晶矽棒或多晶矽錠切為200-300μm厚的薄片,目前工業上已大規模使用200μm左右的矽片進行生產。
  5. 清洗制絨:首先用鹼液(一般為80攝氏度以上的NaOH溶液)腐蝕機械加工中造成矽片的損傷,然後分別用鹼液(單晶矽片)或酸液(多晶矽片)製備出用於減反射的絨面,最後用甩干機甩干。
  6. 擴散制結:目前工業上用的矽片主要為p型片,因此需要通過擴散磷(P)來形成PN接面,擴散一般通過擴散爐進行,工藝溫度高於900攝氏度,但目前已經在開發低溫的擴散工藝。如果是使用n型片製備太陽電池,則需要擴散硼(B)。
  7. 二次清洗:因為在擴散工藝中會形成非活性的磷矽玻璃,因此需要通過氫氟酸(HF)腐蝕掉。
  8. 製備減反射膜:工業中採用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD),製備氮化矽SiNx減反射膜。
  9. 印刷電極:通過絲網印刷(Screen printing)製備前後電極,前電極一般用銀漿,後電極用銀鋁漿,而背面場則用鋁漿印刷而成。具有相當快速且低成本的優點,也是有多項專利在市場上
  10. 燒結:通過燒結爐的高溫燒結,使前電極燒穿前表面的氮化矽減反射膜,n型層形成良好的歐姆接觸,而背面的鋁擴散入矽中,在背表面形成p+的重摻區,從而形成背表面場。

新型太陽電池[編輯]

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%都轉換成了無法利用的熱能。超高效率的太陽電池(第三代太陽電池[4])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,也嘗試新材料的引進,以達成大幅增加轉換效率的目的。另外,也有許多後續的封裝技術和光學技術,例如聚光型太陽能電池,透過光學的方式將太陽光聚集於太陽能面板上,而此類型的太陽能電池必須能承受高溫環境。

薄膜太陽電池[編輯]

在薄膜電池技術中,近年來BIPV(Building Integrated Photo Voltaic),即建築物集成太陽能電池技術特別引人注目。此技術把薄膜電池應用到建築物的圍護結構如屋頂、天窗、外觀、門窗等部分的建築材料之中;對於使用帷幕牆特別是玻璃幕牆的建築物,BIPV更可結合在帷幕牆的材料之中。故其相對於非集成系統的優點,在於初投資可被因節省建材和勞工而抵消。被認為是太陽能電池工業中增長最大的技術之一。薄膜太陽能電池的好處在於可撓與低成本,透過沉積的方式即可完成,大面積,但轉換效率不高,且有光衰退(因長期的光照使得材料功能性下降,又稱作光裂解,原因是在薄膜沉積製程中有有H鍵,這些鍵會在照光時斷鍵而形成缺陷)現象,非晶矽太陽能電池具有非常寬的頻譜吸收,也可以做成可撓式的薄膜電池,對於綠建築等等需要將電池服貼於窗戶甚至是建築的表面具有相當大的幫助。

目前調查顯示,CIGS可彎曲模塊是BIPV封裝工業增長的最大推動力,相對而言CIGS有光優化的現象(照光後效率提升)。[5]

銅銦硒太陽電池[編輯]

銅銦硒(CuInSe2, CIGS)薄膜太陽能電池具有以下特點:(1)銅銦硒薄膜的能隙為1.04 eV,通入適量的鎵取代銦可在1.04~1.67 eV之間連續調整能帶寬度。(2)銅銦硒是一種直接能隙材料,其可見光的吸收係數高達105 cm-1數量級,相較於矽基系列(mono-Si, a-Si),更多了約100倍以上的吸收,非常適合做為薄膜太陽能電池的吸收層。(3)技術成熟後,製造成本和回收時間將遠低於晶體矽太陽能電池。(4)抗輻射能力強。(5)高光電轉換效率,目前銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的最高轉換效率已達20.3%,是所有薄膜太陽能電池中的最高紀錄。(6)電池穩定性佳,效率穩定幾乎不衰減。(7)弱光特性好。因此銅銦硒薄膜太陽能電池可望成為新一代太陽能電池的主流產品之一。

染料敏化太陽電池[編輯]

染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cell,DSSC)是最近被開發出來的一種嶄新的太陽電池。DSSC也被稱為格雷策爾電池,因為是在1991年由格雷策爾等人發明[6]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(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),於上長有一層約10微米厚的porous納米尺寸的TiO2粒子(約10~20 nm)形成一nano-porous薄膜。然後塗上一層染料附着於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透明導電層和TCO外,也鍍上一層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DSSC電池的最高轉換效率約在12%左右,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。TCO是透明導電層,也可以減少光在穿透時被吸收的能量。

串疊型電池[編輯]

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,針對紅光和藍光區域的光譜會分別由兩個電池來吸收。以增加QE的轉換效率。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,但串疊型電池的技術困難處在於它必須要做到電流匹配(current match),因為上下兩層電池產生的電流串聯時,會以電流於較小的那一顆電池為主,就如同水管大小串接在一起,水量會被出口面積較小的水管給侷限住。[7] 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。例如在台灣,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 %。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1.8 GW。(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)。[8]

企業支持[編輯]

太陽能電池供應商(本段可能因某些人出於廣告目的隨意添加而不夠嚴謹)[編輯]

鉛酸太陽能電池

晶矽太陽電池

薄膜太陽電池

染料敏化太陽能電池

太陽能產業研究或報價廠商[編輯]

太陽能系統安裝廠商[編輯]

應用實例[編輯]

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。

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[編輯]

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,太陽能板需求量爆發大增,使市場嚴重缺貨,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迅速攀升,並帶動傳統製造業轉型,投入太陽能相關商品的開發、應用。

2011年的福島核災,使得各國提高各種再生能源的補貼,太陽能產業也因此又大擴廠,造成供過於求,太陽能電池發電成本提早在2013~2014年達到電網平價(至少不會傳統發電貴),未來太陽能電池發電的成本將比燃煤發電便宜。

此外,太陽能電池除了硬件成本外,還有安裝、管理、資金等軟成本,許多國家在非硬件成本上都有很大的降價空間,只要改善非硬件的問題;在這方面表現最佳的是德國的每瓦2.21美元,遠低於美國的每瓦4.93美元。

缺點與展望[編輯]

太陽能電池夜間無法發電,也容易受雲層移動干擾(夜間無法發電可以預測,但雲層移動干擾不好預測)。但由於太陽能電池的發電尖峰通常接近電力使用尖峰,因此要到較高的安裝量才會造成問題:目前多採取可以在短時間內改變發電量的天然氣發電來調節,太陽能可以降低天然氣使用量(成本)、天然氣發電則可以彌補太陽能的不穩定性,互補性極佳;而大部分的地區,太陽能與風能具有互補性,太陽能電池與水力發電抽蓄發電廠的互補性更高。未來的應變方案為研發高效能的電池技術以儲存太陽能,例如蓄電池飛輪裝置壓縮空氣等;若將能源儲存系統與太陽能電池裝置在社區或家庭,則可以大幅增加供電穩定性。

另外,利用衞星發電亦可避免此二項干擾,例如美國和日本兩國提出的「衞星太陽能發電廠」計劃(Satellite Solar PowerStation,SSPS)[9],目標是將具有太陽能電池或熱能發電系統的衞星,發射到太空中一個能夠不斷接受太陽光的地方,例如在赤道附近上空,便可以連續不停且穩定地接收太陽能,在轉換為電能後,以微波的方式傳回地球。

相關條目[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ 《科普手冊》。國家數碼文化網。http://www.ndcnc.gov.cn/datalib/2004/Science/DL/DL-177512/
  2. ^ Solar cell efficiency tables (version 43) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pip.2452/pdf
  3. ^ John D. Meakin. PHOTOVOLTAIC CONVERSION. 
  4. ^ Third Generation Photovoltaics, M.A. Green, ISBN 978-3-540-26562-7(Print)ISBN 978-3-540-26563-4 (Online)
  5. ^ BIPV Encapsulation Markets Preview
  6. ^ 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
  7. ^ Marti A and Araujo GL (1996),Limiting efficiencies for photovoltaics solar conversion in multigap systems, Solar Energy Materials and Solar Cells 43 203-222
  8. ^ 核能研究所100年度-新能源與再生能源科技研究成果年報
  9. ^ Makoto Nagatomo, Susumo Sasaki, Yoshihiro Naruo," Conceptual Study of a Solar Power Satellite SPS 2000", Proceeding of the 13th International Symposium on Space Technology and Science", May 1994, pp 469-476.
  • 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).

外部連結[編輯]