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太陽能電池

薄膜太陽能電池

染料敏化太陽能電池

串疊型電池

【太陽能電池】

太陽能電池又稱為「太陽能晶片」或光電池[1],是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片。它只要被光照到,瞬間就可輸出電壓及電流。在物理學上稱為太陽能光伏(Photovoltaic,photo 光,voltaics 伏特,縮寫為PV),簡稱光伏。

太陽能電池發電是根據愛因斯坦的光電效應而運用於日常生活。黑體(太陽)輻射出不同波長(頻率)的電磁波, 如紅、紫外線,可見光等等。當這些射線照射在不同導體或半導體上,光子與導體或半導體中的自由電子作用產生電流。

射線的波長越短,頻率越高,所具有的能量就越高,例如紫外線所具有的能量要遠遠高於紅外線。但是並非所有波長的射線的能量都能轉化為電能,值得注意的是光電效應於射線的強度大小無關,只有頻率達到或超越可產生光電效應的閾值時,電流才能產生。

能夠使半導體產生光電效應的光的最大波長同該半導體的禁带寬度相關,譬如晶體矽的禁带寬度在室溫下約為1.155eV,因此必須波長小於1100nm的光線才可以使晶體矽產生光電效應。 太陽電池發電是一種可再生的環保發電方式,發電過程中不會產生二氧化碳等溫室氣體,不會對環境造成污染。按照製作材料分為矽基半導體電池、染料敏電池、有機材料電池等。

對於太陽電池來說最重要的參數是轉換效率,目前在實驗室所研發的矽基太陽能電池中,單晶矽太陽電池的效率為25.0%,多晶矽太陽電池的效率為20.4%,單晶體矽薄膜太陽電池的效率為16.7%,非晶矽薄膜太陽電池的效率為10.1%

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。

【薄膜太陽能電池】

包括非晶矽太陽電池,CdTe和CIGS(copper indium gallium selenide)電池。雖然目前多數量產薄膜太陽電池轉換效率仍無法與晶矽太陽電池抗衡,但是其低製造成本仍然使其在市場有一席之地,且未來市場佔有率仍會持續成長。

First Solar為CdTe技術的領導廠商以2010年第三季的財報中顯示其薄膜太陽能電池模組的每瓦的成本不到80美分或0.8美金。

這個成本遠低於目前多晶矽太陽能電池模組的報價。CIS/CIGS在2010由於設備廠商的技術進展電池轉換效率已經可以穩定的高於10%,因此許多薄膜太陽能模組廠商開始引進CIS/CIGS薄膜太陽模組的投資。根據PVinsights的薄膜太陽能成本分析,CIS/CIGS的成本在2011年有會降低到每瓦1.0美金的水準並隨著轉換效率的提升而進一步將成本降低到每瓦0.8美金以下,這樣的成本改善將使得CIS/CIGS的薄膜太陽能模組具有比較好的成本競爭力。

【染料敏化太陽能電池】

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[4] 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∼20nm)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劑,二層電極間,則注入填滿含有iodide/triiodide電解質。

雖然目前DSC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】

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。

[5] 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)。

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