太阳的能量

太陽能發電原( II )
一般太陽電池是以摻雜少量硼原子的p型半導體當作基板 (substrate)，然後再用高溫熱擴散的方法，把濃度略高於硼的磷摻 入p型基板內，形成一p-n接面，而p-n接面是由帶正電的施體離子與 帶負電的受體離子所組成，在該正、負離子所在的區域內，存在著 一個內建電位(built-in potential)，此內建的電位，可驅趕此區 域中的可移動載子，故此區域稱之為空乏區(depletion region)。
太陽能的應用
太陽能應用技術主要發展方向有：
太陽熱能系統(Concentrating Solar Power CSP)
使用碟型或弧型集熱器產生高溫利用熱能來推動渦輪機產生電力。
光電系統(Photovoltaic Energy Systems PV)
光電板組成太陽能發電系統(陣列array)，經陽光照射產生電力。
太陽能加熱系統(Solar Heating)
吸收太陽的熱能來加熱使用，如太陽能熱水器、太陽能屋、太陽能 游泳池。
照明系統(Solar Lighting)
具有太陽光收集器，經光纖電纜導引至屋內當照明及產生電力。
太陽熱能 Solar thermal energy
太陽熱能系統可說是太陽能集熱 發電系統 (Concentrating Solar Power CSP) 。利用太陽能產生高 熱來推動引擎或渦輪機發電，包 括太陽能盤(solar dishes)、太 陽能管(solar troughs)、太陽能 塔solar towers 和線性菲涅爾反 射(linear fresnel reflectors) 等集熱型式。
多晶矽(poly crystalline) 轉換效率 15-18% 製程步驟較簡單，不須使用CZ法或FZ法成長的 單 晶圓，故成本較單晶矽太陽電池低約便宜20%， 效率較單晶矽低。
非晶矽(amorphous)
轉換效率 8-14%
非晶矽乃是指矽原子的排列非常紊亂，沒有規
則可循，非晶矽電池為目前成本最低的商業化太
在光-電轉換的過程中，事實上，並非所有的射入光譜都 能被太陽電池所吸收，並完全轉成電流。有一半左右的光譜 因能量太低(小於半導體的能隙)，對電池的輸出沒有貢獻， 而另外一半被吸收的光子中，除了產生電子-電洞對所需的能 量外，約有一半左右的能量以熱的形式釋放掉，所以單一電 池的最高效率約在25%左右。
史特林引擎
Solar Stirling Engine
太陽能盤 solar dishes，就是利用太陽的熱來推 動史特林引擎進行發電。
史特林引擎是一個將熱能轉換成動能的熱機(heat engine)，而史特林引 擎的運作原理和汽車中的內燃機引擎最大不同。在於內燃機是指燃料在引 擎內部燃燒產生動力，而史特林引擎卻是一部外燃機，也就是熱源在引擎 的外部。內燃機引擎有一連串進氣－壓縮－燃燒－排氣的循環系統，其引 擎中的氣體卻是完全密封在引擎中，作為熱能轉換成機械功的媒介，引擎 在動作過程中汽缸內沒有爆炸或燃燒發生，也不需要進氣排氣閥來排放燃 燒後的高壓廢氣，因此，史特林引擎的構造比較簡單，運轉也非常安靜。
太陽能盤 solar dishes
太陽能盤陽光擷取系統是一具太陽能電 力系統，具有太陽自動追蹤和太陽能聚熱電 力轉換單元，把高熱轉換成市電品質的電力 系統。
此系統包括一個38呎長的盤式機構，由 82個曲面玻璃反射鏡，每個鏡面約3~4呎的 範圍，主要作用是集中太陽能射入加熱頭。
發電部份是一個4行程往復式史特 林循環引擎，一具引擎可以產生 25KW以上的電力。而每一年可提 供55,000~60,000kWh的電力。
能 隙 energy bandgap
太陽輻射之光譜，主要以可見光為主，其範圍從0.3微米 (μm)之紫外光到數微米之紅外光為主，換算成光子的能 量，則約在0.4eV(電子伏特)到4eV之間，當光子的能量 小於半導體的能隙(energy bandgap)，則光子不被半導 體吸收，此時半導體對光子而言是透明的。當光子的能 量大於半導體的能隙，則相當於半導體能隙的能量將被 半導體吸收，產生電子-電洞對。因此製作太陽電池材料 的能隙，必須要仔細地選擇，才能有效地產生電子-電洞 對。一般來說，理想的太陽電池材料能隙必須在1.1eV到 1.7eV之間。
日 照 量(irradiance)：1000 W/m2 光電板溫度(PV Module Temperature)：25℃ 太 陽 光 譜(Solar spectrum Air Mass)：AM1.5
從一塊16W光電板技術資料計算轉換效率:
最大電流Imp=0.93A 最大電壓Vmp=17.4V 最大功率Pmax=16.182W PV長度=0.517m PV寬度=0.27m PV面積=0.14m2 功率Pmax/PV面積=115.586 W/m2(每平方米輸出功率PV power) PV power/標準日照量=115.586W/1000W=11.558 %
太陽能電池的型式與材質
Solar Cell Devices & Materials
太陽能電池的種類繁多， 依材料種類區分，可分為:
• 矽 Silicon (Si)
單晶矽 single-crystalline Si，多晶矽 multicrystalline Si，非晶矽amorphous Si (a-Si)
史特林引擎有一項重要的優點，就是只要能夠產生熱，皆可用來做為推動 的能源，因此並不僅限於可燃燒的燃料，像是太陽能、地熱等自然、潔淨 的能源，都可以用來推動史特林引擎，目前史特林引擎的研究方向大多朝 向發電的應用。
太陽能的應用
太陽能熱水系統 (Solar Heating)
太陽能熱水系統是利用太陽 能集熱器，收集太陽輻射能 把水加熱的一種裝置，是目 前太陽熱能應用發展中最具 經濟價值、技術最成熟且已 商業化的一項應用產品，其 應用範圍廣泛包括：工業製 程用水預熱和家庭Biblioteka Baidu宿舍、 旅館、醫院、餐廳、游泳池 等的熱水使用。
• 多晶薄膜 Polycrystalline thin films 硒化銦銅 copper indium diselenide (CIS), 碲化鎘 cadmium telluride (CdTe) ， thin-
film silicon
• 單晶薄膜 Single-crystalline thin
films high-efficiency material such as 砷 化鎵 gallium arsenide (GaAs)
GaAs、GaInP、InGaAs、CdTe、 CuInSe２(CIS)、CuInGaSe２(CIGS) 等。這些都是屬於製作太陽電池的高 效率材料。
矽晶光電池的種類
Silicon Solar Cell
單晶矽(single crystal) 轉換效率 18-23% 發電力與電壓範圍廣，轉換效率高，使用年限 長20-25 年，但製作成本高 , 製作時間長。
n 型半導體：
同理，如果在純矽中摻入五價的雜質原子，例如磷原 子(P)，此種雜質原子，將取代矽原子的位置，因磷原子具 有五個價電子，其中四個價電子分別與鄰近的四個矽原子 形成共價鍵，而多出一個自由電子，該電子為一帶負電的 載子，故稱提供一個自由電子的五價雜質原子為施體 (donor)，而摻了此施體的半導體稱為 n 型半導體。
光電池製造流程 Manufacturing Solar Cell
矽晶 底部形成
單晶 多晶
柴氏長晶法
抗反射
鑄錠 修角
晶圓切片
鑄錠 模塊
接面形成
質材蝕刻
電極形成
光電池
接面層
抗反射層
透明傳導層
兩種不同的半導體 材質(p型、 n型) 形成接面
光電板功率
一般太陽能光電板的技術資料，都是依據STC (Standard Test Conditions ASTM E1036)標準條件來測試取得。其標準如下：
太陽電池發展史
到了1970年代初期，由於中東發生戰爭，石油禁運，使得工 業國家的石油供應中斷造成能源危機，於是再度重視如何把 太陽電池應用於電力系統的可行性。1990年以後，才開始將 太陽電池發電與民生用電結合，市電併聯型太陽光電發電系 統(grid-connected photovoltaic system)因而開始推廣， 此觀念是把太陽電池與建築物的設計整合在一起，並與傳統 的電力系統相連結，如此就可以從這兩種方式取得電力，除 了可以減少尖峰用電的負荷外，剩餘的電力還可儲存或是回 售給電力公司。此一發電系統的建立可以舒緩籌建大型發電 廠的壓力，避免土地徵收的困難與環境的破壞。近年來，太 陽電池新的結構與製造技術不斷被研發出來，其目的不外乎 是降低成本，提高效率。如此太陽電池才可能全面普及化， 成為電力系統的主要來源。
太陽能光電(PV)
Photovoltaic Energy Systems
6000KW 2000mx600m
太陽能發電
太陽光電的發電原理,是利用太陽電池 吸收0.3~3μm波長的太陽光,將光能直接 轉換成電能輸出的一種發電方式.
因為太陽電池所產生的電是直流電, 因此需加裝直/交流轉換器轉換成交流電, 才能供給家庭用電或工業用電.
太陽能電池發電原理( I )
Principle of Solar Cell
p 型半導體：
太陽能電池本身是以矽為材料，而矽的原子序是14， 屬於第IV族元素，其外層具有四個電子(價電子)，而矽是 鑽石晶體結構，每個矽原子與鄰近的四個矽原子形成共價 鍵，如果在純矽之中摻入三價的雜質原子，例如硼原(B)， 此三價的雜質原子，將取代矽原子的位置，因為硼原子只 有三個價電子可與鄰近的矽原子形成共價鍵，所以在硼原 子的周圍會產生一個空缺，此空缺即稱為電洞。電洞可視 為一可移動帶正電的載子(carrier)，所以摻入的三價雜質 原子又稱為受體(acceptor)，而一個摻入三價雜質提供電 洞的半導體稱為 p 型半導體。
太陽能的運用
太陽的能量 地球每秒從太陽所接收到的能量有1.743x1026焦耳， 約相當於610萬噸煤炭所產生的熱量。如果能將其能 量轉換為可利用的能源，估計僅一小時的太陽能量， 即可超過地球一年所消耗的化石資源所產生的能源。
太陽能的運用
太陽能的運用，不外乎將太陽的 能源轉換為熱、光源、熱水、電 力給家庭、商業和工業使用。
太陽能發電的應用型態
太陽能發電系統主要考慮在發電 效益,依發電方式有獨立式、混合式、 市電併聯式，系統容量從個別住戶數 千瓦至數百萬瓦的太陽光電發電廠系 統。
太陽電池發展史
在1954年貝爾實驗室製造出第一個太陽電池來的， 當時是為了替偏遠地區的通訊系統提供電源，由於效 率太低(只有6%)，而且造價太高(357美元/瓦)，缺乏 商業價值。而在當時，太空計畫也正在如火如荼地展 開中；太陽電池具有不可取代的重要性，使得太陽電 池得以找到另一片發展的天空。從1957年當時的蘇聯 發射第一顆人造衛星開始，太陽電池就肩負著太空飛 行任務中一項重要的角色，一直到1969年美國人登陸 月球，太陽電池的發展可以說到達一個顛峰的境界。 但因為太陽電池造價昂貴，相對地使得太陽電池的應 用範圍受到限制。
當p-n結構的半導體受到陽光照射時，光子能量把半導體中的電 子激發出來，產生電子-電洞對，電子與電洞均會受到內建電位的影響， 電洞往電場的方向移動，而電子則往相反的方向移動。如果我們用導 線將此太陽電池與一負載連接起來，形成一個迴路(loop)，就會有電 流流過負載，這就是太陽電池發電的原理。
能 隙 energy bandgap
陽能電池，無需封裝， 生產也最快 ，產品種類
多，使用廣汎，多用 於消費性電子產品。缺點是
放置戶外後會產生光劣化現象輸出功率減少
15~20%。
太陽電池的架構
Solar Cell Structures
由於材料特性上的限制，對於結 晶矽太陽電池的效率，幾乎已經達到 最佳的水準，要再提升的空間有限， 目前比較具有成長潛力的應屬多接面 的串疊型太陽電池，將太陽電池製成 串疊型電池(tandem cell)，把兩個或 兩個以上的元件堆疊起來，能夠吸收 較高能量光譜的電池放在上層，吸收 較低能量光譜的電池放在下層，透過 不同材料的電池將光子的能量層層吸 收。預測未來多接面的串疊型太陽能 電池效率將可達 40%以上。