第第第 第第第第第第第第第第 第第第第 2-1 太太太太太太太太太太 2-2 太太太太太太太太太太 2-3 太太太太太太太太
Jan 06, 2016
第二章 太陽能電池的基本原理及其結構
2-1 太陽能電池的基本原理2-2 太陽能電池的基本結構2-3 太陽能電池的製作
第二章 太陽能電池的基本原理及其結構 P
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內容大綱本章節的內容,主要地是簡述式討論
太陽能電池的基本原理 太陽能電池的基本結構 太陽能電池的製作
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第二章 太陽能電池的基本原理及其結構 P
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2-1 太陽能電池的基本原理
表 2-1 物理式電池以及化學式電池的種類以及其分類
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一般太陽能電池所使用的核心材料是半導體材料,在自然界中的半導體材料種類: 有機半導體材料 無機半導體材料
在無機半導體材料方面: 矽系列半導體材料 化合物系列半導體材料 陶瓷系列半導體材料
2-1-1 量子力學以及光電效應
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在矽材料之中,摻雜第五族的元素於其內,則所形成的半導體是帶有較多電子的 n 型半導體
倘若摻雜第三族的元素於其內,則所形成的半導體是帶有較多電洞的 p 型半導體
當 p 型半導體以及 n 型半導體接合在一起的時候,因為兩端的自由電子以及電洞濃度不同而產生擴散現象, p 型半導體中的電洞濃度較高的,而向 n 型半導體方面擴散
2-1-1 量子力學以及光電效應
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2-1-1 量子力學以及光電效應
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p n
空間電荷區域
pX nX
bi(qV )電位能障礙
dqN
pX
biV ( )電位能
aqN
nX
(E)電場
Fi
F
(E )(E )
本質費米能階費米能階
(1) 元件結構
(2) 能帶
3(3) Coul / cm )電荷密度( ,
nX
nX
pX
pX
(4) 電場分佈
(5) 電位能分佈
FiE
圖 2-2p-n 接面型半導體元件結構、能帶、位能、以及電場分布的示意圖
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太陽電池元件以及發光二極體元件,均是含有兩個電極的二端子型元件 太陽電池元件是光電效應 發光二極體元件是電光效應
2-1-1 量子力學以及光電效應
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2-2 太陽能電池的基本結構
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(a)矽晶型太陽能電池構造
n p
受光面電極背面電極
抗反射膜 p-n接合
(b)非晶矽型或疊積型 ( 堆疊型 ) 太陽能電池構造
n i p p
受光面電極背面電極
抗反射膜
n i
圖 2-3 p-n 接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成
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2-2 太陽能電池的基本結構
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圖 2-3 p-n 接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成
(c)可繞曲非晶矽型太陽能電池構造
a-p a-i a-n
保護膜
透明電極 金屬電極
集電極 塑膠膜基板
保護膜
光
(d)附有本質膜異質接面 HIT 型太陽能電池構造
n-Si a-i a-pa-p a-i光 光
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2-2 太陽能電池的基本結構
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圖 2-4 p-n 接面型太陽能電池元件的能帶示意圖
bi(qV )電位能障礙
導電帶
價電帶
接面區域
p型半導體
電洞
能隙 (Eg)n型半導體
電子
費米能階
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太陽能電池附有負載的等效電路 (Equivalent Circuit) ,包含: 電流源 (IL)
二極體飽和電流 (IS)
電阻 (RL)
2-2 太陽能電池的基本結構
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圖 2-5 太陽能電池元件附有負載的 (a) 以及無負載的 (b) 等效電路
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太陽能電池沒有負載的等效電路圖如圖 2-5(b)
2-2 太陽能電池的基本結構
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圖 2-5 太陽能電池元件附有負載的 (a) 以及無負載的 (b) 等效電路
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太陽能電池元件的理想電流 - 電壓 (I-V) 特性,可表示為:
此一公式所繪製的曲線,分布於直角座標第四象限所圍的區域
所得四方形的面積大小即是最大輸出功率,如圖 2-6(a) 所示
2-2 太陽能電池的基本結構
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(qV / kT)S LI I [exp 1] I
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由圖 2-6(b) 可以得知: 短路電流 (Short Circuit Current, ISC) 開放電路或斷路電壓 (Open Circuit Voltage,
VOC) 最大電流值 (Maximum Current, Im) 最大電壓值 (Maximum Voltage, Vm)
2-2 太陽能電池的基本結構
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2-2 太陽能電池的基本結構
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(a) 電流 -電壓示意圖 (b) 元件參數示意圖
太陽能電池特性曲線
二極體特性曲線
電流 (I)電流 (I)
電壓 (V) 電壓 (V)00 opV ocV
opI
shI
maxI
shI
maxV ocV
op op
oc sh
V I
V I
:操作電壓 :操作電流
:斷路電壓 :短路電流max
max
V
I
:最大電壓值:最大電流值
圖 2-6
太陽能電池元件的電流電壓關係曲線 (a) 以及短路電流、斷路電壓、最大電流值、以及最大電壓值等參數 (b) 示意圖
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太陽能電池元件的理想光電轉換效率或能量轉換效率 ( ) 為:
形狀因子 (Fill Factor, FF) 的定義為:
2-2 太陽能電池的基本結構
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m in
m m in
L OC in
P / P 100%
(I )(V ) / P 100%
(FF)(I )(V ) /(P ) 100%
m m L OCFF (I )(V ) /(I )(V )
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若太陽能電池有串聯電阻負載的時候,則其等效電路示意圖,如圖 2-7 所示
2-2 太陽能電池的基本結構
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電流 (I)
負載
sR串聯電阻
入射太陽光線
二極體
LI
電壓
(V)
並聯電阻
shR
圖 2-7 太陽能電池有串聯電阻負載的等效電路示意圖
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因接面使用材料的種類而區分,則太陽能電池元件的種類: 同質接面型太陽能電池元件 (Homo-Junction
Solar Cell) 異質接面型太陽能電池元件 (Hetero-Junction
Solar Cell)
2-2 太陽能電池的基本結構
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單晶圓片型矽太陽能電池的生產流程,其內容如下:
2-3 太陽能電池的製作
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拉 晶
修 角
切 片
蝕刻及拋光
清 洗
擴 散
銀漿印刷
蒸 鍍
圖 2-9 單晶圓片型矽太陽能電池的生產流程