太阳能电池的基本原理及其结构课件

第二章太陽能電池的基本原理及其結構P1Chapter2

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P2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28第二章太陽能電池的基本原理及其結構P32-1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28第二章太陽能電池的基本原理及其結構P4一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29第二章太陽能電池的基本原理及其結構P5在半導體材料中，當兩種不同的電荷載體相接合，而產生發光的效應，則此一物理現象稱之為「電激發光效應(Electro-luminescenceEffect)」，它是一種電能轉換成光能的物理現象。倘若半導體材料受到外來光的照射，而激發出電子以及電洞等電荷載體，並增加其電的傳導體性，則此一現象稱之為「光傳導效應(Photo-ConductiveEffect)」，而且此些電荷載體將往不同的電場方向移動，導致電荷載體的極化效應(Polarization)，進而衍生出所謂的電位差或電能，則此一現象稱之為「光伏特效應或光起電力效應(Photo-VoltaicEffect)」，它是一種光能轉換成電能的物理現象。29第二章太陽能電池的基本原理及其結構P6圖2-1 矽原子的電子結構示意圖30第二章太陽能電池的基本原理及其結構P7當矽的外層軌域電子獲得的光能量大於1.1電子伏特，則最外層軌域電子將形成自由電子以及電洞，此一物理現象稱之為「光激發電子-電洞對(Light-GeneratedElectron-HolePairs)」。電子-電洞對的數量大小將對其電特性有很大的影響，當激發所衍生的電子-電洞對數量愈多的話，則其導電效果就愈好的，而且輸出電流也將愈大的，此一現象則是稱之為光導電效應(PhotoConductiveEffect)。除了吸收外來的光能量而產生電子-電洞對之外，吸收外來的熱能量，而產生電子-電洞對的現象也有的，此一情形稱之為「熱激發電子-電洞對(Hot-GeneratedElectron-HolePairs)」。31第二章太陽能電池的基本原理及其結構P8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.31第二章太陽能電池的基本原理及其結構P932圖2-2 p-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第二章太陽能電池的基本原理及其結構P10

在接合面附近，由於電荷密度分布的不均勻，而產生內部的電場效應，並驅使電子以及電洞移動至n型半導體以及p型半導體，進而促使接合面附近沒有電子以及電洞，此一區域稱之為空乏區域(DepletionRegion)。pn接面型半導體元件結構、能帶、電荷密度、電位能、以及電場分布的示意圖，如圖2-2所示的。32第二章太陽能電池的基本原理及其結構P11「光電效應(Opto-ElectronicEffect)」即是光能轉換成電能的現象.電光效應(Electro-OpticalEffect)」是一種將電能轉換成光能的物理現象.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33第二章太陽能電池的基本原理及其結構P122-2太陽能電池的基本結構

33圖2-3 p-n接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成歐姆接觸(OhmicContact)，是一層金屬薄膜蒸鍍於半導體的表面，所形成的一種導電特性。

第二章太陽能電池的基本原理及其結構P1334圖2-3 p-n接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成第二章太陽能電池的基本原理及其結構P1434圖2-4 p-n接面型太陽能電池元件的能帶示意圖第二章太陽能電池的基本原理及其結構P15 太陽能電池附有負載的等效電路(EquivalentCircuit)，包含：電流源(IL),二極體飽和電流(IS),電阻(RL)35圖2-5太陽能電池元件附有負載的(a)以及無負載的(b)等效電路第二章太陽能電池的基本原理及其結構P16太陽能電池沒有負載的等效電路圖 如圖2-5(b)35圖2-5太陽能電池元件附有負載的(a)以及無負載的(b)等效電路第二章太陽能電池的基本原理及其結構P17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；它是相當於此一太陽能元件所輸出的功率，所得四方形的面積大小即是最大輸出功率，如圖2-6(a)所示的。35第二章太陽能電池的基本原理及其結構P18由圖2-6(b)可以得知：短路電流(ShortCircuitCurrent,ISC)開放電路或斷路電壓(OpenCircuitVoltage,VOC)最大電流值(MaximumCurrent,Im)最大電壓值(MaximumVoltage,Vm)如圖2-6(b)所示的。代表著太陽光輻射於太陽能電池元件，其內部產生過量載體而形成的電流源；而代表著二極體元件的飽和電流。35第二章太陽能電池的基本原理及其結構P19 倘若選擇最佳化的負載(Load)，則此一太陽能電池可以輸出()()功率的80%。是此一電池的短路電流並等於，而則是電池的開路或斷路電壓。 當時，36第二章太陽能電池的基本原理及其結構P2036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)示意圖第二章太陽能電池的基本原理及其結構P21 對於一定的，將隨著其飽和電流的減少，而呈現指數式的增加： 當，其輸出電功率是最大的，而最大輸出電功率為。 最大輸出電功率為：37第二章太陽能電池的基本原理及其結構P22 最大輸出電功率為： 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(FillFactor,FF)的定義為：37第二章太陽能電池的基本原理及其結構P23 若太陽能電池有串聯電阻負載的時候，此時，太陽能電池元件的電流-電壓(I-V)特性以及能量轉換效率，可表示為：38圖2-7 太陽能電池有串聯電阻負載的等效電路示意圖第二章太陽能電池的基本原理及其結構P2439第二章太陽能電池的基本原理及其結構P25 太陽電池的能量轉換效率()為：39第二章太陽能電池的基本原理及其結構P26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-JunctionSolarCell)異質接面型太陽能電池元件(Hetero-JunctionSolarCell)在接面型太陽能電池元件的特性上，有金屬-半導體接觸特性(Metal-SemiconductorContact)以及金屬-絕緣體-半導體接觸特性(Metal-Insulator-Semiconductor)等兩種；而金屬-半導體接觸特性，稱之為蕭特基能障(SchottkyEnergyBarrierorSchottkyBarrier)。39第二章太陽能電池的基本原理及其結構P27蕭特基能障或金屬-半導體接觸，乃是由極薄的金屬薄膜以及半導體薄膜等所構成的界面，其界面處存在有空乏區，亦就是沒有任何載體存在的區域，其元件以及能帶示意圖，如圖2-8(a)所示的。就金屬-半導體接觸型太陽能電池元件而言，其飽和電流密度以及開放電壓為A：半導體基板材料常數。40第二章太陽能電池的基本原理及其結構P28圖2-8 蕭特基能障或金屬-半導體接觸(a)以及金屬-絕緣體-半導體接觸(b)，其元件以及能帶示意圖41第二章太陽能電池的基本原理及其結構P29 就金屬-絕緣體-半導體接觸型太陽電池元件而言，其飽和電流密度以及開放電壓為：A：半導體基板材料常數；a：常數；：絕緣體薄膜厚度。

48第二章太陽能電池的基本原理及其結構P302-3太陽能電池的製作太陽能電池的製作，可以分為晶圓片型的以及薄膜型的兩種不同的製程技術。晶圓片型的太陽能電池，因為原材料的短缺而供應不足以及其單價是較高的，以致於大面積而高效率的薄膜型的太陽能電池，成為未來發展的重點所在。緣邊膜進料長晶的方式(