篇 名 : 半 導 體 太 陽 電 池 核 心 -PN 接 面 二 極 體 之 探 究 作 者 : 曾 美 齡 高 雄 市 立 高 雄 女 子 高 級 中 學 一 年 八 班
面 二 極 體 之 探 究 壹 前 言 半 導 體 太 陽 電 池 核 心 接 -PN 公 元 1769 年, 英 國 發 明 家 瓦 特 改 良 蒸 汽 機, 揭 開 人 類 首 度 以 機 械 取 代 傳 統 勞 力 從 事 生 產 的 序 幕 自 工 業 革 命 以 來, 毫 無 限 度 的 探 勘 採 掘 蘊 藏 地 底 的 化 石 能 源, 不 但 使 其 消 耗 殆 盡, 大 量 燃 燒 所 排 放 的 二 氧 化 碳 造 成 溫 室 效 應 增 強, 全 球 年 均 溫 急 遽 上 升, 氣 候 異 常 現 象 與 大 規 模 的 環 境 災 害 已 威 脅 到 人 類 生 存 近 年 來 石 油 價 格 不 斷 飆 漲, 加 上 暖 化 問 題 逐 漸 受 到 重 視, 世 界 各 地 除 了 倡 導 減 碳 節 能 運 動 之 外, 為 因 應 解 決 迫 在 眉 睫 的 能 源 短 缺 困 境, 更 積 極 開 發 如 太 陽 電 池 太 陽 能 集 熱 器 風 力 發 電 氫 燃 料 電 池 生 質 柴 油 生 物 燃 料 乙 醇 等 綠 色 替 代 能 源, 其 中, 取 之 不 盡 用 之 不 竭 的 太 陽 能 發 電 潛 力 無 窮, 陽 光 一 年 照 射 在 1 平 方 公 尺 地 面 上 的 總 能 量 約 是 2000 仟 瓦 小 時, 若 把 這 些 能 量 收 集 並 轉 換 成 電 能, 可 讓 一 壺 水 持 續 沸 騰 將 近 六 星 期 ( 註 一 ), 而 全 球 一 年 的 能 源 總 消 耗 量 僅 相 當 於 太 陽 直 射 地 表 40 分 鐘 帶 來 的 能 量 體 積 細 薄 質 量 輕 盈 的 一 片 太 陽 電 池 究 竟 如 何 小 兵 立 大 功? 本 文 即 將 舉 單 晶 矽 太 陽 電 池 為 例, 針 對 其 內 部 中 樞 核 心 結 構 -PN 接 面 二 極 體, 探 討 其 作 功 原 理 與 組 成 材 料 運 用, 期 望 藉 此 了 解 當 前 科 技 現 況, 並 推 估 未 來 太 陽 電 池 改 進 之 方 向 貳 正 文 一 淺 談 太 陽 電 池 01. 單 晶 矽 太 陽 電 池 簡 述 單 晶 矽 太 陽 電 池 (Single crystal silicon solar cell) 是 一 種 利 用 太 陽 光 直 接 發 電 的 光 電 半 導 體 薄 片, 以 地 殼 含 量 第 二 豐 富 的 元 素 矽 為 主 要 材 料, 它 只 要 一 經 光 源 照 射, 瞬 間 就 可 輸 出 電 壓 及 電 流, 將 光 的 能 量 轉 換 為 電 能 從 物 理 學 的 角 度 來 看, 稱 為 光 生 伏 打 電 池 (Photovoltaic), 簡 稱 PV(photo=light 光 線,voltaic=electricity 電 力 ) ( 註 二 ) 太 陽 電 池 最 基 本 的 結 構 可 分 為 基 板 PN 二 極 體 抗 反 射 層 和 金 屬 電 極 四 個 主 要 部 分 ( 如 圖 一 ) 簡 單 的 說, 基 板 (substrate) 是 太 陽 電 池 的 主 體,PN 二 極 體 是 光 伏 特 效 應 的 來 源, 抗 反 射 層 乃 在 減 少 入 射 光 的 反 射 來 增 強 光 電 流, 金 屬 電 極 則 是 連 接 元 件 和 外 界 負 載 ( 註 三 ) - 1 -
半 導 體 太 陽 電 池 核 心 接 -PN 面 二 極 體 之 探 究 圖 一 : 太 陽 電 池 基 本 構 造 ( 來 源 : 國 立 中 興 大 學 電 機 工 程 系 暨 光 電 工 程 所 再 生 能 源 中 心, 江 雨 龍 教 授 提 供 ) 02. 單 晶 矽 太 陽 電 池 的 特 點 ( 註 四 ) A 將 光 能 直 接 轉 換 成 直 流 電 能, 但 本 身 不 儲 存 能 量 B 模 板 使 用 壽 命 長 久, 可 達 二 十 年 以 上 C 地 域 適 用 範 圍 廣 而 方 便 無 轉 動 機 構 及 噪 音 乾 淨 無 廢 棄 物 污 染 可 阻 隔 輻 射 熱 亦 或 設 計 為 半 透 光 D 發 電 量 輸 出 隨 日 光 強 度 增 加 而 變 大, 可 輔 助 尖 峰 電 力 之 不 足 ( 並 聯 型 ) E 外 型 尺 寸 可 隨 意 變 化, 應 用 廣 泛 ( 小 至 計 算 機 等 消 費 性 產 品, 大 至 發 電 廠 ) F 可 與 建 築 物 結 合 ( 見 圖 二 ) 圖 二 :Photovoltaic solar energy generators on top of the house roof in Germany (http://solar.pcni.de/index.php) 二 太 陽 電 池 心 臟 地 帶 ---PN 接 面 二 極 體 (PN Junction Diode) 目 前 最 普 遍 的 太 陽 能 發 電 設 備 是 使 用 矽 晶 片, 也 就 是 前 述 的 太 陽 電 池 矽 (Si) - 2 -
半導體太陽電池核心 PN 接面二極體之探究 的原子序 14 和碳在週期表上同屬於 IV 族 即最外層電子軌道上有 4 個環繞原 子核運行的價電子 會與另外 4 個鄰近矽原子的價電子 valence electrons 分別 兩兩成對 形成穩定共價鍵而結合在一起 如圖三 在溫度高於絕對零度 0K 的情形下 純粹的矽絕大部分的價電子都被共價鍵束縛住 唯極少數電子因受熱 脫離共價鍵而成為自由電子 所以導電性很差 但是若在矽原子間 摻雜 doping 一些雜質 情況就不一樣了 註五 圖三 本質型 Intrinsic 半導體-矽晶平面與立體鑽石結構 http://www.cksh.tp.edu.tw/~cksite05/1chap.22.pdf 01. N 型半導體 N-type semiconductor 如果在純矽中摻入擁有5個價電子的原子 例如磷 phosphorus 原子 並讓此雜 質原子取代部分矽原子的位置 當五價的磷原子和鄰近的其他矽原子形成共價鍵 的時候 會因失去電子固定在半導體材料的晶格中 貢獻出1個可在物質內流動 的自由電子 free electron 其為一個帶負電的載子 carrier 見圖四 我 們把這個提供自由電子的雜質原子稱為施體 donor 而摻雜施體的半導體就 稱為 N negative 型半導體 註六 圖四 N型半導體示意模型 摘自NO.72 科學人 科學Easy Learn電腦繪圖 姚裕評 -3-
半導體太陽電池核心 PN 接面二極體之探究 02. P 型半導體 P-type semiconductor 若在純矽中摻入擁有3個價電子的原子 例如硼 boron 原子 這個三價的雜質 原子會取代矽原子的位置 但因為硼原子只能提供3個價電子和鄰近的矽原子形 成共價鍵 因此會在硼原子的周圍產生1個空缺 這個空缺就被稱作電洞 free hole 其可吸引附近共價鍵上的電子填入 造成斷鍵 產生1個新的電洞 乍 觀恰似電洞在移動 故可將電洞想成與電子相反 帶一正電荷的載子 見圖五 通常 我們把這一個提供電洞的雜質原子稱為受體 acceptor 同時把摻雜受 體的半導體稱為 P positive 型半導體 註七 圖五 P 型半導體示意模型 摘自 NO.72 科學人 科學 Easy Learn 電腦繪圖 姚裕評 03. PN 接面 PN junction 摻雜後的不純物 impurity 半導體費米能階 Fermi level 位置改變 能帶間隙 energy band gap 縮短 電子從價帶 valence band 躍遷至傳導帶 conduction band 所需能量降低 導電率因此大幅提高 見圖六 稱為外質型半導體 extrinsic semiconductor 由於載子濃度 carrier concentration 的不同 產生負責傳導的 多數載子 majority carrier 如 N 型的電子與 P 型的電洞 以及少數載子 minority carrier 如 N 型的電洞與 P 型的電子 但如果只有單一型半導體仍然無法工作 所以必須透過 PN 接面使它能正常運作來控制電流方向 註八 -4-
半 導 體 太 陽 電 池 核 心 接 -PN 面 二 極 體 之 探 究 (i) (n) (p) 圖 六 : 半 導 體 能 帶 圖 (i) 本 質 (n)n 型 (p)p 型 (Neaman: An Introduction to semiconductor Devices) 當 P 型 半 導 體 和 N 型 半 導 體 互 相 接 觸 形 成 PN 接 面 時 ( 如 圖 七 a), 空 間 中 的 多 數 載 子 分 布 先 天 上 就 已 經 不 均 勻, 電 洞 會 從 濃 度 高 的 p 型 區 向 濃 度 低 的 n 型 區 擴 散 (diffuse), 吸 引 多 出 來 的 自 由 電 子 填 補 ; 相 對 地, 電 子 也 會 從 濃 度 高 的 n 型 區 向 濃 度 低 的 p 型 區 擴 散, 填 入 電 洞 復 合 (recombination) ( 見 圖 七 b 八 a) 由 於 帶 電 載 子 的 移 動, 原 本 每 個 位 置 都 保 持 電 中 性 (charge neutrality) 的 特 性 便 被 破 壞 靠 近 接 面 的 n 型 區 與 p 型 區 分 別 會 有 施 體 正 離 子 (P + ) 及 受 體 負 離 子 (B-) 裸 露 而 產 生 帶 電 量 大 小 相 同 的 正 負 電 荷 區, 此 二 區 集 中 接 面 兩 側, 使 系 統 的 電 位 能 降 到 最 低, 總 稱 空 間 電 荷 區 (space charge region), 一 般 又 稱 作 空 乏 層 (depletion zone), 由 於 其 中 幾 乎 沒 有 流 動 的 載 子, 且 離 子 皆 固 定 於 晶 格 中,( 見 圖 七 c 八 b) 因 而 形 成 一 個 由 n 型 區 指 向 p 型 區 的 內 建 電 場 (built-in field), 所 導 致 的 漂 移 電 子 ( 洞 ) 流 (drift current=is), 即 少 數 載 子, 都 與 擴 散 電 子 ( 洞 ) 流 (diffusion current =Id) 行 徑 方 向 相 反 並 同 性 相 斥 ( 見 圖 七 d 八 c), 導 致 二 者 完 全 抵 銷, 總 電 子 流 和 總 電 洞 流 均 為 零 的 穩 定 平 衡 狀 態 (equilibrium condition) ( 註 九 ) (a) (b) - 5 -
半 導 體 太 陽 電 池 核 心 接 -PN 面 二 極 體 之 探 究 (c) (d) 圖 七 (http://www.st-andrews.ac.uk/~www_pa/scots_guide/info/comp/passive/diode/pn_j unc/pn_junc.htm) (a) (b) (c) 圖 八 (http://www.quatek.com.tw/service/application/pn%a4g%b7%a5%c5%e9%c2% B2%A4%B6.pdf) 04. 位 能 障 礙 (Potential barrier) 在 空 乏 層 的 內 建 電 場 形 成 後,n 型 區 屬 於 高 電 位,p 型 區 屬 於 低 電 位, 中 間 存 在 的 電 位 落 差 為 內 建 電 位 (built-in potential)v bi, 使 此 區 相 當 於 具 有 高 電 阻 的 地 域 ( 見 圖 九 a) 對 電 洞 而 言, 其 電 位 能 在 p 型 中 性 區 最 低, 故 電 洞 大 多 分 布 於 此 空 間, 正 電 荷 若 要 由 p 型 區 進 入 n 型 中 性 區, 必 須 克 服 一 個 阻 塞 載 子 橫 越, 高 度 大 小 為 qvbi 的 位 能 障 礙 (potential barrier); 同 理, 電 子 多 數 散 佈 在 電 子 電 位 能 最 低 的 n 型 - 6 -
半 導 體 太 陽 電 池 核 心 接 面 二 極 體 之 探 究 -PN 中 性 區 中, 負 電 荷 要 進 入 p 型 區 一 樣 要 克 服 qvbi 的 位 能 障 礙 ( 見 圖 九 b) ( 註 十 ) (a) (b) 圖 九 :(a) 電 位 分 布 (b) 電 子 與 電 洞 分 別 看 到 的 電 位 能 曲 線 (http://www.quatek.com.tw/service/application/pn%a4g%b7%a5%c5%e9%c2% B2%A4%B6.pdf) 圖 十 :Energy band diagram of a p-n junction in thermal equilibrium (Bart Van Zeghbroeck:Principles of semiconductor Devices) 我 們 通 常 將 位 障 表 示 成 能 帶 (energy bands) 的 彎 折 (bending)( 如 圖 十 一 a), 起 因 是 原 本 p 型 半 導 體 和 n 型 半 導 體 的 費 米 能 階 位 置 各 不 相 同 ( 見 圖 十 一 b), 但 是 形 成 p-n 接 面 後 其 費 米 能 階 必 須 保 持 在 同 樣 的 高 度, 造 成 無 論 是 p 型 或 是 n 型 半 導 體 的 傳 導 帶 或 價 帶 都 會 被 彎 曲 以 配 合 接 面 處 的 能 帶 差 異 ( 見 圖 十 二 ) - 7 -
半 導 體 太 陽 電 池 核 心 接 -PN 面 二 極 體 之 探 究 (a) (b) 圖 十 一 :(a)pn 接 面 能 帶 (b)a 的 分 割 解 析 圖 (Neaman: An Introduction to semiconductor Devices) 圖 十 二 : 能 帶 處 於 平 衡 ( 電 子 電 洞 達 到 均 勢 ) (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/pnjun.html) 05. 整 流 效 應 (Rectifying effect) 所 有 的 電 子 設 備 均 需 直 流 電 源 之 供 給, 才 能 發 揮 其 工 作 效 果 所 使 用 之 電 源 可 由 乾 電 池 或 蓄 電 池 來 供 給 但 使 用 乾 電 池 時 必 須 時 常 更 換, 很 不 經 濟 環 保 使 用 蓄 電 池 時 則 必 須 常 常 充 電, 非 常 麻 煩 而 較 具 效 益 的 方 法 是 將 電 力 公 司 供 應 的 60Hz 交 流 電 源 經 過 升 壓 或 降 壓 後, 再 利 用 PN 二 極 體 元 件 的 單 向 導 電 性 質 濾 波, 將 交 流 電 變 為 直 流 電 來 供 應 電 路 所 需 之 直 流 電 源, 此 過 程 即 為 整 流 ( 註 十 一 ) A. 順 向 偏 壓 (Forward bias) 當 外 加 直 流 電 源 的 正 極 (positive terminal) 或 電 池 陽 極 (anode) 接 到 二 極 體 的 - 8 -
半 導 體 太 陽 電 池 核 心 接 面 二 極 體 之 探 究 -PN P 型 區, 而 將 負 極 (negative terminal) 或 陰 極 (cathode) 接 到 N 型 區, 就 構 成 二 極 體 的 順 向 偏 壓 ( 註 十 二 ) 正 偏 壓 減 低 了 空 乏 區 的 位 障, 使 得 PN 接 面 附 近 電 場 減 小, 這 時 原 有 的 平 衡 被 破 壞, 擴 散 電 流 大 於 漂 移 電 流 ( 見 圖 十 三 a) 當 二 極 體 兩 端 電 壓 V 逐 漸 增 加 時, 電 阻 隨 之 升 高 而 急 速 下 降, 通 過 二 極 體 的 多 數 載 子 擴 散 電 流 也 急 速 增 加 自 由 電 子 由 電 源 的 負 極 經 過 二 極 體 的 N 型 區 很 容 易 地 通 過 空 乏 層, 與 P 型 區 的 多 數 載 子 - 電 洞 復 合, 變 成 價 電 子 ( 如 圖 十 三 b), 通 過 P 型 區 到 達 電 源 的 正 極, 以 致 產 生 大 量 的 順 向 電 流, 故 此 電 路 可 視 為 是 通 路 狀 態 ( 圖 十 四 ) (a) (b) 圖 十 三 :(a)forward Biased P-N Junction(b)Band Structure of a with detail on conduction(http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/pnjun.html) 圖 十 四 : 外 加 順 向 偏 壓 後 之 PN 接 面 --- 簡 易 圖 像 (ezphysics.nchu.edu.tw/prophys/electron/lecturenote/3_2.pdf) B. 逆 向 偏 壓 (Reserve bias) 當 二 極 體 的 P 型 區 接 到 電 池 或 外 加 直 流 電 源 的 負 極,N 型 區 接 到 正 極, 就 構 成 了 二 極 體 的 逆 向 偏 壓 此 時,N 型 區 的 自 由 電 子 遠 離 接 面 而 移 動 至 電 壓 正 端, P 型 區 的 電 洞 亦 遠 離 接 面 而 移 動 至 電 壓 負 端 ( 見 圖 十 五 a), 結 果 N 型 區 的 正 離 子 與 - 9 -
半 導 體 太 陽 電 池 核 心 接 面 二 極 體 之 探 究 -PN Id P 型 區 的 負 離 子 增 加, 多 數 載 子 所 見 位 障 高 度 變 大 ( 如 圖 十 五 b), 空 乏 區 也 隨 之 加 寬, 直 到 位 障 的 電 位 差 等 於 外 加 電 壓 為 止 位 障 提 升 後, 擴 散 電 流 幾 乎 為 零, 故 此 電 路 可 視 為 斷 路 ; 剩 下 少 數 載 子 因 熱 能 而 有 限 地 增 加, 產 生 的 逆 向 漂 移 電 流 十 分 微 小 薄 弱, 通 常 以 飽 和 電 流 Is(saturation current) 來 表 示 ( 註 十 三 ) (a) (b) 圖 十 五 :(a)reverse Biased P-N Junction(b)Band Structure of a (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/pnjun.html) 圖 十 六 : 外 加 逆 向 偏 壓 後 之 PN 接 面 --- 簡 易 圖 像 (ezphysics.nchu.edu.tw/prophys/electron/lecturenote/3_2.pdf) - 10 -
半 導 體 太 陽 電 池 核 心 接 -PN 面 二 極 體 之 探 究 圖 十 七 : 逆 向 VS. 順 向 偏 壓 位 障 比 較 (Bart Van Zeghbroeck:Principles of semiconductor Devices) 圖 十 八 : 外 加 偏 壓 後 二 極 體 的 電 流 - 電 壓 特 性 (highscope.ch.ntu.edu.tw/school/kghs/950928-speech.pdf) 三 PN 二 極 體 之 靈 魂 --- 光 伏 特 效 應 (Photovoltaic effect) 太 陽 電 池 (solar cell) 是 指 任 何 器 件 能 經 吸 收 太 陽 光 直 接 產 生 輸 出 電 功 率 (electric power), 即 電 壓 和 電 流 的 乘 積, 產 生 一 般 電 池 的 功 能 ; 然 而, 追 究 其 神 奇 發 電 原 理 的 根 本, 莫 過 於 愛 因 斯 坦 在 1921 年 榮 獲 諾 貝 爾 物 理 獎 的 關 鍵 性 論 文 - 金 屬 光 電 (photoelectric) 效 應 的 後 續 衍 生 應 用 - 半 導 體 光 伏 特 效 應 (photovoltaic effect) 光 伏 特 效 應 一 般 而 言 是 指 光 子 (photon) 射 到 半 導 體 PN 二 極 體 後,PN 二 極 體 的 二 端 電 極, 產 生 可 輸 出 功 率 的 電 壓 伏 特 值 這 詳 細 的 過 程 包 括 光 子 射 到 半 導 體 內 產 生 電 子 - 電 洞 對 (electron-hole pairs), 電 子 和 電 洞 因 半 導 體 PN 接 面 形 成 的 內 建 電 場 作 用 而 分 離, 電 子 和 電 洞 往 相 反 的 方 向 各 自 傳 輸 至 二 端 電 極 來 輸 出 ( 如 圖 十 九 ) - 11 -
半 導 體 太 陽 電 池 核 心 接 -PN 面 二 極 體 之 探 究 圖 十 九 :Back contact solar cell(courtesy: ECN, The Netherlands) (http://ec.europa.eu/research/energy/nn/nn_rt/nn_rt_pv/article_1105_en.htm) 如 果 入 射 光 子 在 空 間 電 荷 區 (space charge region) 被 吸 收 產 生 電 子 - 電 洞 對, 電 子 會 因 為 內 建 電 場 的 影 響 而 向 N 型 區 漂 移 (drift), 而 電 洞 相 對 受 其 影 響 而 向 P 型 區 漂 移 也 就 是 說, 入 射 光 子 在 空 乏 層 (depletion region) 提 供 能 量 激 發 電 子, 產 生 電 子 和 電 洞, 因 為 內 建 電 場 的 影 響 而 產 生 從 N 型 區 向 P 型 區 的 漂 移 電 流, 就 是 所 謂 的 光 電 流 (photocurrent) 光 伏 特 效 應 中 的 光 電 流, 其 流 向 是 從 N 型 區 向 P 型 區, 這 對 PN 二 極 體 而 言, 這 剛 好 是 反 向 偏 壓 (reverse bias) 的 電 流 方 向 光 伏 特 效 應 中,PN 接 面 區 的 空 間 電 荷 區 的 內 建 電 場 之 功 用 就 是 使 入 射 光 子 被 吸 收 產 生 電 子 - 電 洞 對 在 複 合 (recombination) 前 被 分 開, 而 產 生 光 電 流 光 電 流 再 經 由 PN 二 極 體 的 金 屬 接 觸 (metal contact) 傳 輸 至 負 載, 這 也 就 是 光 伏 特 電 池 (photovoltaic cell 或 PV cell) 的 基 本 工 作 原 理 如 果 將 照 光 的 PN 二 極 體 二 端 的 金 屬 接 觸 ( 電 極 ) 用 金 屬 線 直 接 連 接, 就 是 所 謂 的 短 路 (short circuit), 金 屬 線 的 短 路 電 流 (short-circuit current) 等 於 光 電 流 若 照 光 的 PN 二 極 體 二 端 的 金 屬 不 相 連, 就 是 所 謂 的 開 路 (open circuit), 則 光 電 流 會 在 P 型 區 累 積 額 外 的 電 洞,N 型 區 累 積 額 外 的 電 子, 造 成 P 端 電 極 較 N 端 電 極 有 一 較 高 的 電 位 勢, 也 就 是 開 路 電 壓 (open-circuit voltage), 這 開 路 電 壓 也 被 稱 是 光 電 壓 (photovoltage), 這 也 是 光 伏 特 (photovoltaics) 這 一 詞 的 由 來 當 然, 入 射 光 並 不 只 有 在 空 間 電 荷 區 內 被 吸 收 才 會 產 生 光 電 流 光 子 在 PN 二 極 體 的 其 他 區 域 中 被 吸 收, 就 是 所 謂 的 準 電 中 性 (quasi-neutral) 區 域, 也 能 貢 獻 光 電 流 只 是 準 電 中 性 區 的 光 電 流 是 擴 散 電 流, 而 不 是 漂 移 電 流, 而 這 擴 散 電 流 是 由 少 數 載 子 決 定 的, 多 數 載 子 並 不 參 與 也 就 是 說,N 型 準 電 中 性 區 域 的 少 數 載 子 電 洞, 其 在 接 近 空 間 電 荷 區 的 地 方 會 向 到 P 型 區 因 而 濃 度 降 低, 因 此 N 型 準 電 中 性 區 域 的 內 電 洞 就 會 形 成 往 P 型 區 方 向 的 擴 散 電 流 同 理,P 型 準 電 中 性 區 域 的 少 數 載 子 電 子, 其 在 接 近 空 間 電 荷 區 的 地 方 會 跑 向 N 型 區 因 而 濃 度 降 低, - 12 -
半 導 體 太 陽 電 池 核 心 接 面 二 極 體 之 探 究 -PN 因 此 P 型 準 電 中 性 區 域 的 內 電 子 就 會 形 成 往 N 型 區 方 向 的 擴 散 電 流 ( 見 圖 二 十 ) 總 結 而 言,PN 二 極 體 的 光 伏 特 效 應 中 的 光 電 流, 其 主 要 來 自 於 三 個 物 理 機 制 : 空 間 電 荷 區 內 電 子 和 電 洞 的 漂 移 電 流,N 型 準 電 中 性 區 域 少 數 載 子 電 洞 的 擴 散 電 流, 和 P 型 準 電 中 性 區 域 的 少 數 載 子 電 子 的 擴 散 電 流 圖 二 十 :The principle of operation of the solar cell From S.O. Kasap, Optoelectronics and Photonics: Principles and Practices (Prentice Hall) 一 般 而 言, 光 伏 特 電 池 元 件 的 所 涉 及 的 物 理 機 制 和 過 程 是 相 當 複 雜, 且 隨 著 元 件 的 材 料 和 結 構 的 不 同 而 有 所 差 異 但 總 括 來 說, 任 何 光 伏 特 電 池 元 件 的 運 作 須 要 有 三 個 必 要 條 件 : A 入 射 光 子 被 吸 收 產 生 電 子 - 電 洞 對 B 電 子 - 電 洞 對 在 複 合 前 被 分 開 C 分 開 的 電 子 和 電 洞 傳 輸 至 負 載 對 PN 半 導 體 二 極 體 而 言, 入 射 光 子 被 吸 收 產 生 電 子 - 電 洞 對 是 取 決 於 導 帶 和 價 帶 間 的 帶 間 光 吸 收 係 數 (interband absorption coefficient), 而 導 帶 或 價 帶 自 身 之 內 的 帶 內 光 吸 收 係 數 (intraband absorption coefficient) 則 是 不 會 產 生 電 子 - 電 洞 對 的 空 間 電 荷 區 內 施 體 正 離 子 和 受 體 負 離 子 形 成 的 內 建 電 場, 是 提 供 電 子 - 電 洞 對 分 開 的 物 理 條 件 半 導 體 的 金 屬 接 觸 則 是 將 分 開 的 電 子 和 電 洞 傳 輸 至 負 載 而 須 注 意 的 是, 上 述 要 件 往 往 是 決 定 設 計 光 伏 特 電 池 效 率 高 低 的 重 要 因 素 ( 註 十 四 ) 參 結 論 台 灣 位 於 板 塊 交 界 帶, 是 座 新 生 隆 起 的 年 輕 島 嶼, 正 因 如 此, 我 們 擁 有 極 少 量 可 - 13 -
半 導 體 太 陽 電 池 核 心 接 面 二 極 體 之 探 究 -PN 供 利 用 的 天 然 化 石 資 源, 交 通 運 輸 工 具 的 燃 料 只 能 仰 賴 海 外 大 宗 進 口, 然 而, 油 井 與 煤 坑 的 日 漸 枯 竭, 地 球 環 境 生 態 人 為 破 壞 造 成 的 自 然 反 撲, 綠 色 能 源 儼 然 成 為 通 往 永 續 發 展 未 來 的 必 經 絲 路 根 據 科 學 家 的 研 究, 從 太 陽 表 面 所 放 射 出 來 的 能 量 是 來 自 於 核 熔 合 反 應, 每 秒 鐘 約 有 6 1011 公 斤 的 氫 轉 變 成 氦, 其 中 有 4 103 公 斤 的 質 量 損 失, 由 愛 因 斯 坦 的 關 係 式 :E=mc 2, 這 些 質 量 可 轉 換 成 3.6 1020 焦 耳 的 能 量, 並 藉 由 電 磁 輻 射 的 方 式 發 射 出 來, 我 們 再 把 它 換 算 成 電 力 的 單 位, 則 約 有 1.7 1014 千 瓦, 就 算 太 陽 光 經 過 一 億 五 千 萬 公 里 的 距 離, 穿 過 大 氣 層 到 達 地 球 的 表 面, 也 還 有 1.2 1014 千 瓦 ( 註 十 五 ) 如 果 我 們 可 以 掌 握 地 處 亞 熱 帶 氣 候 區, 太 陽 能 豐 沛 充 足 的 優 勢, 有 效 運 用 國 內 先 進 的 半 導 體 技 術, 研 發 高 光 電 轉 換 率 的 PN 二 極 體 太 陽 電 池, 主 導 經 濟 的 能 源 爭 奪 問 題 及 環 保 議 題 便 可 一 併 解 決 本 文 探 究 PN 接 面 二 極 體 太 陽 電 池 發 電 原 理 與 材 料 物 理 性 質, 深 入 剖 析 現 今 半 導 體 在 太 陽 電 池 領 域 的 基 礎 理 論 應 用 情 況, 摻 雜 後 半 導 體 構 成 的 PN 二 極 體 利 用 光 伏 特 效 應, 照 光 截 斷 鍵 結, 宛 若 二 極 體 外 加 逆 向 偏 壓, 導 帶 與 價 帶 的 能 隙 拉 寬, 產 生 的 電 子 電 洞 對 無 法 跨 越 位 障 進 行 復 合, 故 沿 空 乏 ( 空 間 電 荷 ) 區 的 內 建 電 場 方 向, 將 光 電 流 傳 遞 至 負 載, 取 代 其 他 經 燃 燒 形 式 轉 換 的 電 能 使 負 載 正 常 運 作 目 前 太 陽 電 池 產 業 的 火 速 竄 紅, 最 高 能 量 轉 換 率 實 驗 結 果 已 有 37% 的 數 據, 但 在 降 低 造 價 成 本 與 功 率 效 益 提 升 方 面, 仍 有 待 科 學 研 究 的 突 破 躍 進, 我 堅 信 人 類 對 於 綠 色 替 代 能 源 的 需 要 追 求, 熱 衷 思 考 探 索 新 事 物 的 特 質, 鍥 而 不 捨 的 發 明 精 神, 終 究 能 夠 創 出 高 效 能 低 價 格 的 太 陽 電 池 普 及 世 界, 完 成 那 眾 人 曾 視 為 遙 不 可 及 的 光 電 太 陽 城 美 夢 肆 引 註 資 料 註 一 Eyewitness Science: Light (Dorling Kindersley Limited, London, 1992) 頁 50 註 二 中 華 太 陽 能 聯 誼 會 http://www.solar-i.com/know.html ( 檢 索 日 期 2008/02/09) 註 三 蔡 進 譯 超 高 效 率 太 陽 電 池 - 從 愛 因 斯 坦 的 光 電 效 應 談 起 物 理 雙 月 刊 第 27 卷 5 期 (2005 年 10 月 ) 頁 704-705 註 四 新 日 光 能 源 科 技 技 術 副 總 - 許 國 強 博 士 ( 民 91 年 10 月 23 日 ) 太 陽 光 發 電 原 理 與 應 用 PVSystem-Part1 簡 報 投 影 片 4 註 五 李 名 揚 從 半 導 體 到 太 陽 電 池 科 學 人 雜 誌 第 72 期 (2008 年 2 月 ) 頁 66 註 六 楊 素 華, 蔡 泰 成 太 陽 光 能 發 電 元 件 - 太 陽 能 電 池 科 學 發 展 月 刊 第 390 期 (2005 年 6 月 ) 頁 53 註 七 楊 素 華, 蔡 泰 成 太 陽 光 能 發 電 元 件 - 太 陽 能 電 池 科 學 發 展 月 刊 第 - 14 -
半 導 體 太 陽 電 池 核 心 接 面 二 極 體 之 探 究 -PN 390 期 (2005 年 6 月 ) 頁 54 註 八 磯 光 顯 示 科 技 http://www.g-light.com.tw/index_c.html ( 檢 索 日 期 2008/02/10) 註 九 國 立 中 央 大 學 物 理 通 專 業 課 程 網 頁 http://ezphysics.nchu.edu.tw/prophys/electron/lecturenote/pndiode.pdf ( 檢 索 日 期 2008/02/08) 註 十 同 上 註 九 註 十 一 國 立 屏 東 高 工 教 務 處 服 務 網 http://score.ptivs.ptc.edu.tw/chenjy/electrn/electrn6.htm ( 檢 索 日 期 2008/02/11) 註 十 二 東 吳 大 學 資 訊 科 學 系 http://sun.cis.scu.edu.tw/~lab/knowledge/base.htm ( 檢 索 日 期 2008/02/11) 註 十 三 同 上 註 十 二 註 十 四 蔡 進 譯 超 高 效 率 太 陽 電 池 - 從 愛 因 斯 坦 的 光 電 效 應 談 起 物 理 雙 月 刊 第 27 卷 5 期 (2005 年 10 月 ) 頁 703-704 註 十 五 張 品 全 太 陽 電 池 科 學 發 展 月 刊 第 349 期 (2002 年 1 月 ) 頁 23-15 -