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太陽能電池的原理與種類
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太陽能電池的原理與種類

2019 年 2 月 22 日

 
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太陽電池的原理

太陽電池(Solar cell)的構造如<圖一(a)>所示,將矽半導體或化合物半導體製作成 P 型與 N 型接面結構,當太陽光入射到 P 型與 N 型接面,可以激發 P 型與 N 型半導體產生電洞與電子,電洞與電子流到電子產品內就可以工作了!

光偵測器(PD:Photo Detector)的原理與太陽電池相同,都是入射光激發 P 型與 N 型半導體產生電洞與電子。此外,發光二極體(LED:Light Emitting Diode)的原理與太陽電池類似,只是光與電的方向相反而已,電池產生電洞與電子,電洞與電子流到 P 型與 N 型半導體產生光,如<圖一(b)>所示。

圖一 太陽電池的原理。

值得注意的是,太陽電池其實是厚度不到 1mm(微米)的 P 型與 N 型接面結構,製作在厚度大約 200~1000mm 的矽基板或砷化鎵基板上,如<圖二(a)>所示,矽基板不論是單晶矽還是多晶矽,主要的功能都是提供機械強度(支撐),為了降低材料成本,基板當然是愈薄愈好,但是愈薄的基板愈難加工,因此如何發展新的加工技術是未來的努力方向。

能量轉換效率
要判斷太陽電池性能的好壞,最重要的參數就是「能量轉換效率(Energy conversion efficiency)」,假設太陽入射能量為 Pin,太陽電池輸出電能為 Pout,則能量轉換效率的定義為:

能量轉換效率是判斷太陽電池性能好壞最重要的參數,不同的材料、不同的製程、不同的構造,都可以得到不同的能量轉換效率。
要增加太陽電池的應用,就必須先提高能量轉換效率,目前有下列幾種方法可以提高能量轉換效率:

➤在太陽電池表面蒸鍍一層抗反射層:可以減少太陽光的能量被反射回去,讓入射的太陽光保持在太陽電池裡面,一般常用的抗反射層材料包括:氧化矽(SiO2)、氮化矽(Si3N4)、氧化鈦(TiO2)等,如<圖一(a)>所示。

➤將太陽電池表面的金屬電極製作成手指狀的結構:可以減少太陽光的能量被金屬電極反射回去,保持大部分太陽光被太陽電池吸收,如<圖二(a)>所示。

➤將金屬電極製作成垂直埋入太陽電池中:可以增加電極與太陽電池的接觸面積,進而減少串聯電阻,增加能量轉換效率,如<圖二(b)>所示。

➤將太陽電池表面蝕刻成凹凸不平或粗糙的結構:可以使入射的太陽光產生多重反射,增加太陽光的能量停留在電池內部,如<圖二(c)>所示。

➤將兩個金屬電極製作在同一個平面上:由於太陽電池的金屬電極會反射太陽光,我們可以將兩個金屬電極製作在同一個平面上,太陽光則由沒有金屬電極的那一個平面照射,可以減少太陽光的能量被金屬電極反射回去,如<圖二(d)>所示。

圖二 太陽電池的表面處理提升能量轉換效率。

太陽電池的種類
太陽電池主要分為矽半導體與化合物半導體兩大類,其中矽半導體應用在民生或工業發電,又可以分為單晶矽晶圓、多晶矽薄片、非晶矽薄膜三種;砷化鎵半導體應用在國防或太空發電,又可以分為三五族化合物半導體、二六族化合物半導體、其他化合物半導體等,如<圖一>所示。

圖一 太陽電池的種類。 

矽半導體太陽電池
矽半導體太陽電池又可以分為單晶矽晶圓、多晶矽薄片、非晶矽薄膜三種,如<圖二>所示:

➤單晶矽晶圓(Single crystal silicon):使用單晶的矽晶圓製作,如<圖二(a)>所示,由於單晶矽的固體原子排列得很整齊,因此導電性最好,吸收太陽光能產生電子的能量轉換效率最高,在不進行任何表面處理的情況下能量轉換效率可以達到 13~15%,如果進行前面介紹的表面處理目前業界的製程能量轉換效率可以提升到大約 25%,唯一的缺點就是製作不易,價格較高。

➤多晶矽薄片(Poly crystal silicon):使用多晶矽製作,如<圖二(b)>所示,由於多晶矽只有局部區域的原子排列得很整齊,這些局部區域的大小約在數百奈米(nm)左右,而且不同的區域之間原子排列的方向不同,會形成「晶界(Grain boundary)」,造成導電性較差,吸收太陽光能產生電子的能量轉換效率較低,在不進行任何表面處理的情況下能量轉換效率可以達到 11~13%,但是製作容易,價格較低。

➤非晶矽薄膜(Amorphous silicon):使用非晶矽製作,如<圖二(c)>所示,由於非晶矽原子都排列得很混亂,所以導電性最差,吸收太陽光能產生電子的能量轉換效率很低,在不進行任何表面處理的情況下能量轉換效率大約只有 5~7%,但是製作最容易,價格最低,目前廣泛地使用在太陽能計算機、太陽能電子錶等耗電量較小的電子產品上。

圖二、矽半導體太陽電池的種類。資料來源:經濟部能源局

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。

知識力》授權轉載

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