太阳能电池
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太陽能電池係一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片, 它祇要一照到光, 瞬間就可輸出電壓及電流. 而此種太陽能光電池 (Solar cell)簡稱為太陽能電池,或太陽電池(在台灣的早期翻譯書籍上直接引用日文中的漢字,其實不是battery而是cell), 又可稱為太陽能晶片. 在中國大陸稱為硅晶片,因為中文"硅"是 矽的古字, 矽為現代譯音字. 在物理學上稱為 光生伏打(Photovoltaic),簡稱PV(photo=light光線,voltaics=electricity電力). 太阳电池发电是一种可再生的绿色发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等有害气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、染料敏电池、有机材料电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率，目前硅基太阳能电池中的单晶硅电池的最高转换效率（实验室）为29%，多晶硅电池为24%，非晶硅为17%。
[编辑] 歷史以太陽能發展的歷史來說，光照射到材料上所引起的「光起電力」行為，早在19 世紀的時候就已經發現了。 接著，到了1950 年代，隨著半導體物性的逐漸了解，以及加工技術的進步，第一個太陽能電池在1954年誕生在美國的貝爾實驗室。 1973 年發生了石油危機，讓世界各國察覺到能源開發的重要性。 自1960 年代開始，美國發射的人造衛星就已經利用太陽能電池做為能量的來源。 到了70 年代能源危機時，人們開始把太陽能電池的應用轉移到一般的民生用途上。 目前，在美國、日本和以色列等國家，已經大量使用太陽能裝置，更朝商業化的目標前進。 在這些國家中，美國於1983 年在加州建立世界上最大的太陽能電廠，它的發電量可以高達16 百萬瓦特。南非、波札那、納米比亞和非洲南部的其他國家也設立專案，鼓勵偏遠的鄉村地區安裝低成本的太陽能電池發電系統。 而推行太陽能發電最積極的國家首推日本。1994 年日本實施補助獎勵辦法，推廣每戶3,000 瓦特的「市電併聯型太陽光電能系統」。在第一年，政府補助49％的經費，以後的補助再逐年遞減。「市電併聯型太陽光電能系統」是在日照充足的時候，由太陽能電池提供電能給自家的負載用，若有多餘的電力則另行儲存。當發電量不足或者不發電的時候，所需要的電力再由電力公司提供。 到了1996 年，日本有2,600 戶裝置太陽能發電系統，裝設總容量已經有8百萬瓦特。一年後，已經有9,400戶裝置，裝設的總容量也達到了32 百萬瓦特。近年來由於環保意識的高漲和政府補助金的制度，預估日本住家用太陽能電池的需求量，也會急速增加。 在台灣方面，目前生產太陽能電池的主要廠商有科冠能源(300MW/yr),茂迪(200MW/yr)等公司。 科冠能源公司從2005年，就以生產多晶矽太陽能電池為主，主要應用在消耗性電子產品上，像手錶、計算機等。 在1999 年，茂迪公司開始在台南科學工業園區設廠，以生產單晶矽和多晶矽的太陽能電池為主。士林電機也曾經派研發團隊到美國接受訓練，學習衛星所使用的太陽能電池板的製造和封裝技術，同時在1999 年成功發射中華衛星一號後，更進一步投入民生用途的太陽能電池研發。 此外，工業技術研究院材料所也成功地開發出太陽能電池的製造與封裝技術，並把技術轉移給茂迪公司及士林電機公司，以推廣國內的太陽能發電事業。 近年來，台灣廠商對太陽能電池事業的投資也逐漸感到興趣，主要原因除了國際市場的供不應求外，另一因素則是台灣官方從1999 年起，開始大力推展太陽能電池發電，並且著手推動各項獎勵措施，因此投入這一個事業的業者也明顯增加。 [编辑] 太陽能電池構造與發電原理
太陽電池是一種可以將能量轉換的光電元件，其基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的。半導體最基本的材料是「矽」，它是不導電的，但如果在半導體中摻入不同的雜質，就可以做成P型與N型半導體，再利用P型半導體有個電洞，與N型半導體多了一個自由電子的電位差來產生電流，所以當太陽光照射時，光能將矽原子中的電子激發出來，而產生電子和電洞的對流，這些電子和電洞均會受到內建電位的影響，分別被N型及P型半導體吸引，而聚集在兩端。此時外部如果用電極連接起來，形成一個迴路，這就是太陽電池發電的原理。 簡單的說，太陽光電的發電原理，是利用太陽電池吸收0.2μm～0.4μm波長的太陽光，將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。 由於太陽電池產生的電是直流電，因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉換器，換成交流電，才能供電至家庭用電或工業用電。 [编辑] 太陽能電池的充電發展太陽能電池應用在消費性商品上,大多有充電的問題,過去一般採用鎳氫或鎳鎘乾電池來充電,但是鎳氫乾電池無法抗高溫,鎳鎘乾電池有環保污染的問題. 近年來超級電容發展快速,容量超大,面積反縮小,加上韓國產品價格低廉,因此有部份太陽能產品開始應用超級電容來充電,因而改善了太陽能充電的許多問題: 1.充電較快速, 2.壽命長5倍以上, 3.充電溫度範圍較廣, 4.減少太陽能電池用量(可低壓充電). [编辑] 太陽電池材料種類太陽電池(Solar Cell)的材料種類非常的多，可以有非晶矽(Amorphous Silicon)、多晶矽(Poly Crystalline)、CdTe、CuInse2等半導體的、或三五族、二六族的元素鏈結的材料，簡單的說，凡光照後，而產生電能的，就是太陽電池尋找的材料。 主要是透過不同的製程和方法，測試對光的反應和吸收，做到能隙結合寬廣，讓短波長或長波長都可以全盤吸收的革命性突破，來降低材料的成本。 太陽電池型式上也分有，基板式或是薄膜式，基板在製程上可分拉單晶式的、或相溶後冷卻結成多晶的塊材，薄膜式是可和建築物有較佳結合，如有曲度或可撓式、折疊型，材料上較常用非晶矽。另外還有一種有機或奈米材料研發，仍屬於前瞻研發， 目前僅運用於太空上面。因此，也就是目前可聽到不同世代的太陽電池：第一代基板矽晶(Silicon Based)、第二代為薄膜(ThinFilm)、第三代新觀念研發(New Concept)。 [编辑] 單晶太陽能電池的生產介紹拉晶：主原料為二氧化矽, 經純化後(目前全球僅有少數純化原料廠, 供不應求), 再用拉晶爐成長成晶柱. 修角：早期製造太陽能電池的晶柱因無修角, 直接將圓晶柱切片, 所以成品為圓形晶片 現在大多先將晶柱修角成近似四方柱形. 切片：用切片機將修成近似四方柱形的晶柱, 一片片的切成薄片(像切 方形火腿片),一般切到約0.4~0.5mm的厚度. 刻蝕:化學刻蝕及拋光成為0.3mm的薄片(wafer). 清洗：用純水將薄片洗淨. 擴散及銀漿印刷：經由擴散爐處理後,製成N型上層及P型下層, 再將晶片表面及背面分別用銀 漿印刷成輸出電路, 一般表面為負極, 背面為正極, 經由摹擬陽光儀作功率檢測及品管分級後,即為商業成品. 蒸鍍：如將表面及背面不經過絲網印刷, 而改採光刻及坩鍋蒸鍍式製造抗反射層與表面的輸出導線, 再加上其他特殊技術, 如此可提高太陽能電池的轉換效率. 但坩鍋的容納有限生產量較少, 蒸鍍耗時生產速度較慢, 其成本及售價將提高許多; 太空式單晶片即採用此法. (製造常規商業級的薄片電阻約0.5 ~3歐姆,有些太空式的薄片電阻需低於0.01歐姆以下---馬丁格林電池E~24%,澳洲) [编辑] 超高效率太陽電池(第三代太陽電池[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。 [编辑] 染料感光太陽電池dye-sensitized solar cell (DSC)染料感光太陽電池是最近被開發出來的一種嶄新的太陽電池。DSC也被稱為Grätzel cell，因為是在1991年由Grätzel等人發表[2]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(µm;micron)厚的porous奈米尺寸的TiO2 粒子 (約10~20 nm)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物 (platinum catalyst) ，二層電極間，則注入填滿含有iodide/triiodide電解質(electrolyte)。雖然目前DSC電池的最高轉換效率約在10%左右，但是製造過程簡單，所以一般認將大幅降低生產成本，也同時將低每度電的電費。 [编辑] 串疊型電池(Tandem Cell)串疊型電池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。[3] [编辑] 應用實例
有太陽能屋. 太陽能燈. 太陽能電廠. 太陽能發電廠. 太陽能飛機...等 . [编辑] 應用市場的發展由於封裝技術,焊接材料與加工方法及晶片上的改良,在1991年太陽能系統的壽命約5到10年.到了1995年則增加到10 ~20年, 而到公元2000年更可延長使用年限到25年以上. 於1995年僅美國市場的太陽能電池銷售額為35億美元.由於石油 及環保(全球溫室效應)的問題,以及外交上對落後地區的援助,使得在公元2000年後全球的太陽能電池銷售額成數倍的成長. 到了2005年後,由於德國等環保先進國家新建築法規的因素, 造成太陽能板需求量爆發大增,瞬間市場嚴重缺貨,造成全球太陽能電池產業的蓬勃發展,許多太陽能電池廠的股價,一夕之間衝到最高點. 同時也帶動洞悉商機的傳統製造業轉型,投入太陽能相關商品的開發、應用. [编辑] 展望夜間不能發電是太陽能電池的一大缺點，但是針對這一個缺點有兩種方式可以克服。 第一種方式是把白天的太陽光能轉成其他的能量形式加以儲存，例如蓄電池、飛輪裝置、抽蓄發電廠等，到黑夜的時候再把儲存的能量釋放出來。 另外一種方式是美國和日本兩國正在進行的「衛星太陽能發電廠」計畫（Satellite Solar PowerStation，SPSS），這一個計畫的工作項目就是在太空中找到一個能夠不斷接受太陽光的地方，例如在赤道附近上空，發射具有太陽能電池或熱能發電系統的衛星，利用人造衛星在太空中吸收太陽能來發電。由於免除了晝夜、溫差及氣候等因素影響，人造衛星可以連續不停且穩定地接收太陽能，再把它轉換為電能，然後以微波的方式傳回地球，經過地球微波接收站接收後，再轉換回來成為電能，輸送到各個地方。 在目前，由於科學家們不斷的研究，再加上半導體產業技術的進步，太陽能電池的效率也逐漸增加，而且發電系統的單位成本也正逐年下降。因此，隨著太陽能電池效率的增加、成本的降低以及環保意識的高漲，太陽能電池的使用也會愈來愈普遍。 現在，太陽能電池已經被廣泛運用在日常生活中，例如手錶、計算機、汽車、飛機等，可見它有很大的發展潛力，相信未來太陽能電池可以在能源的運用上扮演重要的角色。 世界的節約能源概念普遍下，綠色科技已是目前的產業新星。而這波綠色科技潮流，又首推太陽能最為行情看漲，有可能成為全球紅透半邊天的明日之星。面對國際油價不斷飆高，第三次石油危機即將到來的危機，一股全世界重新洗牌的能源卡位戰，已經響起咚咚戰鼓，蓄勢待發了。 [编辑] 外部連接[编辑] 參考資料
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