太阳能技术介绍

近代光電技術 專題報告
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目錄
前言 P.3 P.4
太陽能電池＆系統介紹
太陽能電池轉換原理 一．矽太陽能電池簡介 二．光敏染料太陽能電池(DSSC) 太陽能電池的特性 太陽能發電系統簡介 一．獨立供電型系統 二．市電並聯型系統 太陽能發電系統的設計 一．多級太陽能照明系統 二．單級太陽能照明系統 三．太陽能充電系統 太陽能發電系統中重要的相關技術 一．最大功率追縱技術 二．市電並聯技術 三．孤島效應的防治 四．電能轉換技術 五．濾波技術 六．充放電技術 直流供電市電並聯系統
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太陽能產業介紹
全球能源概況 全球太陽能光電產業概況 太陽能電池的製程（單晶矽） 太陽能產業發展關鍵 太陽能電池產業短期&長期競爭要素 太陽能電池業者擴產的考量 台灣太陽能產業概況與市場分析 台灣整體產業發展趨勢 太陽能應用與相關產品
展望未來
未來發展的可能性 心得與討論 參考資料：
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前言
在工業發達的現在，人的生活中電已經是不可獲缺的重要能源之一，但大多 數的發電方式幾乎都多多少少會照成污染，而環保意識高漲之後，人們開始想到 運用大自然的力量來產生能源，例如潮汐發電、水力發電、風力發電或太陽能發 電等，都是現在努力想要創造無污染能源。 其中以太陽能發電，是目前相對於其他無污染能原中限制最少的，他與其他 大多數的發電不同，大多數的發電方式都是以物質推動渦輪機來產生發電，而使 得發電系統本身有體積的限制，相對來說太陽能發電，就沒有相同的問題，因此 體積可大可小，小到可以讓人們帶在身上，隨時隨地都可以用，是一種汎用性很 廣的發電方式，而且只要太陽照的到的地方都可以使用這種方式發電，能量直接 由光轉成電能，不需要在經過任何的轉換，這也是一個很大的優點，在不久的未 來，應該可以讓全世界的人都使用這種半永久的能源，而讓人生活更進步，也讓 環境得以保存才是。 相信對於物理系來說，太陽能板的發電原理，大概都有一定程度的了解，而 在這份報告中，我們將重點放在整個太陽能發電系統的架構上，希望的是能真的 知道現在是如何運用太陽能板發電，而在這之中還有那些問題存在，雖然太陽能 發電的發展已經很久了，但仍然沒有相當的普及，我們也想探討其可能的原因。 報告中分成四個部份，首先是太陽能板的基本原理描述，然後是系統架構的 介紹，接著介紹目前太陽能產業的概況，最後是對於未來的發展，也許會有什麼 有趣的可能性等，希望由報告中可以了解最基本的太陽能發電系統。
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太陽能電池轉換原理
太陽光電池主要的功能是將光能轉換成電能，這個現象稱之為光伏特效應 （Photo voltaic effect） ，而要將光能轉換成電能，最主要有兩個因素，第一個是 光電效應（photo conductive effect） ，第二個則是內部電場。 光照射在物質上時，部份的光會被材料吸收，進而產生電子電洞對或者產生 熱能，而部份的光則是以反射或透射的方式離開物質，因此選取太陽能電池材料 的第一個考量就是吸光效果要很好，如此才能使輸出的功率增加，第二個考量就 是光電效應的效果好，而效果的好壞則是跟照射光的組成有關係，所以在不同環 境中使用的材料會不同，其中矽與 Ga-As(鎵-砷)是相當好的材料。 內部電場的產生方式有很多，例如使用半導體的 PN 接面，當Ｐ型半導體與 Ｎ型半導體接合時，會在接面上產生空乏區，並且在空乏區中形成電場，當光射 入空乏區，其能量足以產生電子電洞對時，產生的電子電洞對受到電場的影響， 會馬上分開，分別往Ｐ或Ｎ極移動，而不至於在吸收光能後又馬上因為碰撞等因 素而損耗掉能量而再度結合，如此一來就可以產生光電轉換的效果。
一．矽太陽能電池簡介
矽是一個相當重要的原料，其除了可以做成太陽能面板外，目前最大的用途 就是半導體產業，也就是ＩＣ晶片等材料，但也因為需求量大，所以對於太陽能 產業來說，目前是缺乏材料的狀態，在後面的產業部分，我們會再做說明
矽的用途［圖片來源：茂迪電子］
由矽元素為原料所組成的太陽能電池，其中可以分成三大類，單晶矽、多晶 矽與非晶矽三種。 單晶矽的結構完整不容易破壞，光電轉換效率是矽太陽能板中最高，壽命也 比較長，是相當好的太陽能電池，不過因為需要的純度高，處理時間長，所以相 當的費時費力，成本也就相對的很高，目前單晶矽發電效率最高約２５％左右。
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多晶矽則是為了降低成本而產生的，純度與結構的完整度都比單晶矽低一 些，不過製做時間也比較短，因為結構不完整而使的產生了懸浮鍵（dangling bond） ，懸浮鍵的存在會阻礙自由電子的移動而使轉換效率降低，而且結構不完 整，容易遭到紫外線破壞結構，而使壽命也減少許多，不過成本相對的比單晶矽 低上許多，目前多晶矽發電效率最高約２０％左右。 非晶矽與上面兩種材料上有所差異，大多使用四氫化矽為材料，其吸光效果 與光電轉換效果都很好，曾因特性類似絕緣體而被認為無法使用，但這問題已經 被克服，只是厚度會薄很多，此外因為其結構比多晶系更差，懸浮鍵的問題更大， 而且無法使用 PN 接面的方式產生電場，比較長見的做法為 P-I-N 的方式，Ｉ即 是本質層，也就是產生光電效應的地方，P 與 N 則為單純的產生電場的角色，非 晶矽的優點是成本更低，但因為厚度薄發電效率低，且壽命也很短，所以常使用 在小電力發電，而無法使用在大型的太陽能發電，市面上可以買到比較便宜的太 陽能面板，大多屬於這種的，目前非晶矽發電效率最高約１０％左右。 目前可使用的太陽能面板壽命最長約約２５年左右。
二．光敏染料太陽能電池(DSSC)
光敏染料太陽能電池的做法使將具有可吸光的染料與半導體結合，目前常用 的是具碳酸基的釕(Ru)錯化合物與奈米等級的二氧化鈦(TiO2)結合，由染料吸收 光而產生自由電子，在透過半導體導電，其特性是可以吸收的光譜更寬，自由電 子存在的時間也更長，且本身輕便便宜容易攜帶，且不如矽一般，是可以彎曲的， 所以在使用上更便利等等的優點，是目前太陽能電池上一個發展的主軸，但其效 率仍然不高（最高約１０％左右） ，且與地表太陽光光譜匹配度不夠，所以仍有 許多研究持續中。
單晶矽與薄膜太陽能電池的特性 [資料來源：IEK 整理，2007/08]
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