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
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 6 10 11 kg 的氫 (H) 被核融合成氦 (He), 淨質量損失約為 4 10 3 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 4 10 20 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
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 14.5%, 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
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, 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 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
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 : http://solarpv.itri.org.tw/aboutus/sense/principle.asp 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 : http://www.nsc.gov.tw/_newfiles/popular_science.asp?add_year=2005&popsc_aid=68 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 : http://updp.hku.hk/health/solarenergys/photo03.htm 7