Microsoft Word - 新科技、新希望—淺談太陽能電池.doc

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft Word - 新科技、新希望—淺談太陽能電池.doc"

抱贺刘
7 years ago
Views:

1 篇名 : 新科技新希望淺談太陽能電池作者張嘉文苗栗縣私立君毅高級中學資訊科二年忠班史玉堅苗栗縣私立君毅高級中學資訊科二年忠班徐宗漢苗栗縣私立君毅高級中學資訊科二年忠班指導老師 : 楊昇運老師

2 壹前言從工業革命以來至今, 人們使用了大量的石油且排放了許多的二氧化碳, 過多的二氧化碳導致溫室效應和全球氣候變遷, 因為這些原因造成了部份生物瀕臨絕種荒漠化擴大等北極圈的冰山逐漸融化, 導致海平面不斷上升, 讓較低漥的地區慢慢被海水吞噬, 這些大自然的反擊力量已讓科學家提出嚴重的警告目前所仰賴的石油也日益減少, 總有一天一定會枯竭為了要解決這項問題, 科學家們費盡心思的在研究低汙染可無限使用, 能成為主要能源取代現有的能源太陽能, 是個很好的綠色能源, 將光能轉換成電能而且它在轉換過程中不會造成環境影響台灣位於亞熱帶, 陽光充足, 擁有發展太陽能的優越條件, 且台灣也有很多的半導體人才, 相信台灣未來也可以是個綠色能源國家之一貳正文一太陽能介紹太陽從古至今以燃燒 49 億年, 依據科學家的估計還可以在燃燒 40 億年科學家們希望陽光能轉換成其它能量, 取代即將快被挖掘完的石油太陽所產生的光和熱, 帶給了地球多采多姿的原動力, 因為有源源不絕的陽光才能讓植物產生光合作用, 所以太陽能可以說是地球上萬物的基礎太陽光並不是白色光, 其實是由紅橘黃綠藍紫各種顏色光混合在一起才形成的白色光太陽光有很大的輻射能, 這些輻射能來自於太陽內部的融合反應, 此反應每秒約有 kg 的氫 (H) 被核融合成氦 (He), 淨質量損失約為 kg, 由愛因斯坦的公式 E= mc 2 可以得知此質量損失是轉換成約有 J( 焦耳 ) 的能量被釋放出來 ( 註一 ); 太陽輻射的電磁波在到達地球表面之前, 地球週圍大氣層裡面的臭氧會吸收紫外光的部份, 水氣會吸收紅外光的部份, 另外還有空氣塵埃與煙霧也會散射電磁波, 造成太陽光能量的減少, 太陽光斜射的時候, 會比直射時穿過更多更厚的大氣層, 所以斜射時的太陽光能量會比直射時來的少根據實驗統計, 斜射太陽光與直射太陽光間的夾角如果是 θ, 則 :( 註二 ) θ= 0, 直射時, 到達地球表面的太陽光熱量為 925W/m 2 θ= 45, 到達地球表面的太陽光熱量為 844W/m 2 θ= 60, 到達地球表面的太陽光熱量為 691W/m 2 1

3 1 太陽能電池歷史 1839 年法國科學家 E.Becquerel 發現液體光電伏特效應 ( 簡稱光電現象 ) 算起, 太陽能電池經過 160 多年漫長的發展歷史工業革命以來至今, 石油和礦產一直都是動力的主要來源因為當時太陽能發電還是屬於實驗階段, 與石化能源比較之下, 投入成本過高, 造成各國政府不願意支持此項技術 70 年代的石油耗竭危機, 讓政府意識到永續發展的重要性, 重新開啟實驗, 雖然那時的太陽能技術還不是發展的很好, 但是前進了一小步更是邁向成功的一大步, 但也因為後期油價降低, 減低了政府與企業投資的意願直到近幾年來, 石油價格不斷高漲, 直接影響到民生物價的波動, 成為經濟成長趨緩的主因, 加上各國科學家一再表示能源缺乏與環境嚴重破壞的問題, 這些原因成為太陽能技術進步的推力表 1 為太陽能電池歷史表 1 太陽能電池歷史 ( 註三 ) 時間敘述西元 1930 年肖特基提出 Cu2O 勢壘的光伏效應理論同年, 朗格首次提出用光伏效應製造太陽電池, 使太陽能變成電能西元 1932 年奧杜博特和斯托拉制成第一塊硫化鎘太陽電池西元 1947 年半導體研究學者 Russell Ohl 開發恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室, 首次製成了實用的單晶太陽西元 1954 年電池, 效率爲 6% 同年, 韋克爾首次發現了砷化鎵有光伏效應, 並在玻璃上沈積硫化鎘薄膜, 製成了第一塊薄膜太陽電池西元 1955 年吉尼和羅非斯基進行材料的光電轉換效率優化設計同年, 第一個光電航標燈問世美國 RCA 研究砷化鎵太陽電池 Hoffman 電子的單晶矽電池效率達到 8%;D.M.Chapin,C.S.Fuller 西元 1957 年和 G.L.Pearson 獲得太陽能轉換器件專利權開始後, 就開始正式運用在生活中上, 供給人們運用了 RCA 實驗室的 P.Rappaport 等報導硫化鎘的光電現象 ; 同年貝爾實驗研究室的研究人員 D.M.Chapin 與貝爾實驗研究室的研西元 1954 年究人員 C.S.Fuller 和貝爾實驗研究室的研究人員 G.L.Pearson 報導 4.5% 效率的單晶矽太陽能電池的發現, 過了幾個月後效率達到 6% 西元 1959 年第一個多晶矽太陽電池問世, 效率達 5% 西元 1962 年砷化鎵太陽電池光電轉換效率達 13% 西元 1969 年薄膜硫化鎘太陽電池, 效率達 8% 西元 1972 年羅非斯基研製出紫光電池, 效率達 16% 西元 1972 年美國宇航公司背場電池問世西元 1973 年 Haynos 等人利用蝕刻將太陽電池表面做出似金字塔特殊幾何形 2

狀, 轉換效率可達 17% 砷化鎵太陽電池效率達 15% 西元 1974 年 COMSAT 研究所提出無反射絨面電池, 矽太陽電池效率達 18% 西元 1975 年非晶矽太陽電池問世, 同年, 電池效率達 6% 西元 1976 年第一個多晶矽太陽電池研發成功多晶矽太陽電池效率達 10% 西元 1980 年單晶矽太陽電池效率達 20%, 砷化鎵電池達 22.5%, 多晶矽電池達 14.

4 狀, 轉換效率可達 17% 砷化鎵太陽電池效率達 15% 西元 1974 年 COMSAT 研究所提出無反射絨面電池, 矽太陽電池效率達 18% 西元 1975 年非晶矽太陽電池問世, 同年, 電池效率達 6% 西元 1976 年第一個多晶矽太陽電池研發成功多晶矽太陽電池效率達 10% 西元 1980 年單晶矽太陽電池效率達 20%, 砷化鎵電池達 22.5%, 多晶矽電池達 14.5%, 硫化鎘電池達 9.15% 西元 1983 年美國建成 1MWp 光伏電站 ; 冶金矽 ( 外延 ) 電池效率達 11.8% 西元 1985 年第一個晶矽太陽電池轉換效率可超過 20% 西元 1990 年與市電並聯型太陽電池發電系統 (Grid-Connected Photovoltaic System) 技術研發成功西元 1995 年高效聚光砷化鎵太陽電池效率達 32% 西元 2003 年德國 Fraunhofer ISE 的 LFC(Laser-fired contact) 晶體矽太陽能電池效率達到 20% 2 太陽能電池發電原理太陽能電池是將熱能轉換成電能, 且不須透過電解質來傳遞電離子當太陽能經由太陽取得足夠陽光後, 會產生大量的質子, 而此時的電子移動會產生電流, 在 PN 處產生電位差因此太陽能電池要正常運作, 必須有充裕的陽光發電原理也是說將太陽光照射在太陽能電池上, 當它吸收足夠的能量時會讓 N 型半導體和 P 行半導體產生電子和電洞, 且同時分離形成了電壓降再經由導線傳至負載, 也就是說是利用太陽能電池吸收 0.2µm~0.4µm 的太陽波長直接轉為電能輸出如圖 1 所示圖 1 太陽能電池發電過程 ( 註四 ) 3

5 太陽能電池若是依照英文翻譯應該稱為太陽能晶片會比較恰當因為早期業界對太陽能晶片的理解多大部分來自於技術領先我國很多的日本, 因而翻譯上直接引用日文中的漢字電池, 之所以才會產生兩種 ( 太陽能晶片太陽能電池 ) 不同的稱法 ( 註五 ) 太陽能電池分別有 : 單結晶矽太陽能電池多結晶矽太陽能電池以及非結晶矽太陽能電池 A 單結晶矽太陽能電池 (SINGLECRYSTAL): 圖 2 為單結晶矽太陽能電池單結晶矽太陽能電池是使用最普遍的效率高性質穩定, 多用於發電廠充電系統路燈交通號誌等, 世界主要大廠幾乎都使用單結晶矽太陽能電池, 它的效率從 11%~24%, 太空級晶片 16%~24%, 效率越高的晶片也就越貴世界上, 生產太陽能電池的主要大廠, 例如德國的西門子及日本的夏普公司, 都以生產這類型的單晶矽太陽能電池為主圖 2 單結晶矽太陽能電池 ( 註六 ) B 多結晶矽太陽能電池 (POLYCRYSTAL): 多結晶矽太陽能電池原子堆疊方式不只一種, 它是由多種不統排列方向的單晶所組成, 其效率方面也比單晶矽太陽能電池的低, 製造過程簡單, 所以價錢較低廉, 適用於一些低功率系統使用所以, 在部分低功率的電力應用系統上, 便採用這類型的太陽能電池例如 : 太陽能計算機圖 3 多結晶矽太陽能電池 ( 註六 ) 4

C 非結晶矽太陽能電池 (AMORPHOUS): 非結晶矽太陽能電池原子排序非常雜亂, 沒有規則可循, 但是它是目前價格最低的商業化太陽能電池, 生產快速不用封裝, 種類最為繁多所以非晶矽太陽能電池也比較常應用在消費性電子產品上, 且新的商品不斷在開發中圖 4 非結晶矽太陽能電池 ( 註六 ) 3 太陽能優缺點 A 優點 : a 太陽能源供應源源不斷, 生產過程中不會造成環境污染,

6 C 非結晶矽太陽能電池 (AMORPHOUS): 非結晶矽太陽能電池原子排序非常雜亂, 沒有規則可循, 但是它是目前價格最低的商業化太陽能電池, 生產快速不用封裝, 種類最為繁多所以非晶矽太陽能電池也比較常應用在消費性電子產品上, 且新的商品不斷在開發中圖 4 非結晶矽太陽能電池 ( 註六 ) 3 太陽能優缺點 A 優點 : a 太陽能源供應源源不斷, 生產過程中不會造成環境污染, 也不會消耗其他地球資源或造成地球溫室效應 b 太陽能的應用, 不只是太陽光應用, 水力風能也都是太陽能的延伸, 所以太陽能多方面的應用能讓環境減少破壞 c 太陽能電池組件可以安裝在建築物上, 稱為光電一體化建築, 這樣太陽能電池板不僅可以在陽光的時候產生電力提供給建築內的電器設備使用, 同時也有隔熱的作用, 也可以有效降低建物內部的溫度, 降低建築能耗, 達到節能省碳的效果 B 缺點 : a 以目前用太陽能的各種技術都具有很高成本的缺點, 因此首期資本投資不菲 b 除此之外, 在許多陰雨綿綿的地區或是日照短的, 很難完全靠太陽能供應另外, 除非有大量的太陽能板或更成熟的太陽能技術, 也不能以產生大量電源供給使用是其缺點 5

c 除此之外製作時所需使用的大量矽鍺硼可能會造成其他方面的污染, 得先做好事先的管控處理二太陽能應用太陽能的效率再提升, 將可以提供每戶家庭所需要的電力, 只需要在屋頂上加裝太陽能集熱板就可以收集足夠的能量, 將熱能轉換成電能就可讓電視機電腦冷氣冰箱等家用電器驅動這個方式不僅省了一些電費也讓二氧化碳減少, 到了冬季時太陽能屋具有保暖之作用

7 c 除此之外製作時所需使用的大量矽鍺硼可能會造成其他方面的污染, 得先做好事先的管控處理二太陽能應用太陽能的效率再提升, 將可以提供每戶家庭所需要的電力, 只需要在屋頂上加裝太陽能集熱板就可以收集足夠的能量, 將熱能轉換成電能就可讓電視機電腦冷氣冰箱等家用電器驅動這個方式不僅省了一些電費也讓二氧化碳減少, 到了冬季時太陽能屋具有保暖之作用太陽能屋發電原理是將太陽能電池吸收陽光, 吸收足夠的能量會產生直流電在經由轉換器讓直流電轉換成交流電供一般家庭用戶使用如圖 7 為太陽能屋系統構造雖然現在的太陽能屋在台灣並不盛行, 但是在國際的推動加上綠色環境和綠色能源意識抬頭下, 相信不久一定會成為世界的主流如果要完全採用太陽能屋的話對於現在的社會來說還是有它的困難之處, 在科學界和建築界必定有很大的挑戰性存在圖 7 太陽能屋系統構造 ( 註七 ) 參結論太陽能是個綠色能源, 它使用壽命高而且在能量轉換的過程中並不會產生很多的二氧化碳, 還可以提供無限的能量直到太陽不再燃燒為止但是太陽能對現在的社會來說安裝成本很高而且有遮陰和角度上的問題, 使用起來並不普遍, 還有很多技術上的問題存在, 不過相信在幾年過後太陽能一定能成為世界的主流 6

8 肆引註資料註一王清華 (2008) 專利權管理策略之研究 - 以台灣太陽能電池產業為例佛光大學經濟學系碩士在職專班碩士論文註二馮垛生 (2009) 太陽能發電原理與應用臺北市 : 五南圖書出版社註三沈輝曾祖勤 (2008) 太陽能光電技術台北市 : 五南圖書出版社註四太陽光電資訊網擷取日期 :2009 年 8 月 15 日, 取自網址 : 註五太陽光能發電元件太陽能電池擷取日期 :2009 年 9 月 20 日, 取自網址 : 註六陳建智 (2008) 我國太陽能產業經營策略與績效關係之研究銘傳大學管理學院高階經理碩士學程在職專班碩士論文註七太陽能簡介擷取日期 :2009 年 9 月 25 日, 取自網址 : 7

10 6, 地球的熱循環

10 6, 地球的熱循環 52 2013 4 484 人類活動與地球熱循環 46 不斷追求進步的我們, 殊不知在迅猛發展的同時, 已經陸續對地球的整個環境生態引爆一顆顆不定時炸彈, 所造成的傷害正逐漸擴大並增強中 10 6,000 500 地球的熱循環 3 2013 4 484 53 54 2013 4 484 工業革命後, 人類活動產生的熱迅速增加, 使地球原本趨於最適合人類活動的熱平衡必須重新調整環境變遷 18 280