太陽能電池

太陽能電池 Solar cell

太陽能電池是一種直接將太陽光轉換成電能的裝置。

依照光電效應，當光線照射在導體或半導體上時，光子與導體或半導體中的電子作用，會造成電子的流動，透過適當的能階設計，便可有效的吸收太陽所發出的光，並產生電壓與電流。

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太陽能電池優點

1. 不用將能量轉變為熱能再轉換成電能，只要有光及可發電，這種只靠陽光產生電能的裝置，亦可利用到太陽的輻射。
2. 質量輕、無活動元件、無噪音、故障少。
3. 使用安全、無熱、無氣、無放射性、無污染、單位質量有相當大的輸出功率。
4. 適合大型或小型發電，可就地發電以減少輸配電系統的損失及設備費。
5. 無機械破損，可說是半永久性的發電設備。
6. 較其他發電設備的保養維護少。
7. 不需要能源的使用轉運費。
8. 入射太陽輻射的變化對輸出電壓的影響很小，適合蓄電池的充電。

太陽能電池缺點

1. 目前較其他發電設備的設備費高。
2. 大規模發電的收集面積大。
3. 較其他發電方式轉換效率低，平板收集其熱機的效率約3~5%，集中收集器熱機發電時約15~25%，光電約3~16%。
4. 必須有充電的蓄電池。

太陽能電池的構造與發電原理

太陽電池的基本構造是運用P型與N型半導體接合而成的，這種結構稱為PN接面。

從太陽來的光線，能量大部份落於1 – 3 eV之間，因此就單一PN接面而言，經適當地設計，使吸收光能的高峰落於約1.5 eV，則能有最好的效率。由於太陽電池產生的電是直流電，若需提供電力給家電用品或各式電器則需加裝逆變器。

太陽電池材料種類

太陽電池的材料種類繁多，可以有非晶矽、多晶矽、CdTe、CuIn_xGa_（1-x）Se₂等半導體、或三五族、二六族的元素鏈結的材料等。

其設計上主要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

太陽電池型式上可分作基板式與薄膜式 :

• 基板式在材料上又可分單晶式、或相溶後冷卻而成的多晶式基板。
• 薄膜式則可和建築物有較佳的結合性，它具有曲度，有可撓、可折疊等特性，材料上較常用非晶矽。

除前二者外，另有有機或奈米材料製作之太陽能電池，目前仍處研發階段。

薄膜太陽電池

在薄膜電池技術中，近年來BIPV（Building Integrated Photo Voltaic），即建築物集成太陽能電池技術特別引人注目。此技術把薄膜電池應用到建築物的圍護結構如屋頂、天窗、外觀、門窗等部分的建築材料之中；對於使用帷幕牆特別是玻璃幕牆的建築物，BIPV更可結合在帷幕牆的材料之中。被認為是太陽能電池工業中增長最大的技術之一。薄膜太陽能電池的好處在於可撓與低成本，但轉換效率不高，且有光衰退（因長期的光照使得材料功能性下降）現象，非晶矽太陽能電池具有非常寬的頻譜吸收，也可以做成可撓式的薄膜電池，對於綠建築等等需要將電池服貼於窗戶甚至是建築的表面具有相當大的幫助。

銅銦硒太陽電池

銅銦硒（CuInSe2, CIGS）薄膜太陽能電池具有以下特點：

❶銅銦硒薄膜的能隙為1.04 eV，通入適量的鎵取代銦可在1.04~1.67 eV之間連續調整能帶寬度。❷銅銦硒是一種直接能隙材料，其可見光的吸收係數高達105 cm^-1數量級，相較於矽基系列（mono-Si, a-Si），更多了約100倍以上的吸收，非常適合做為薄膜太陽能電池的吸收層。❸技術成熟後，製造成本和回收時間將遠低於晶體矽太陽能電池。❹抗輻射能力強。❺高光電轉換效率，目前銅銦鎵硒薄膜太陽能電池的最高轉換效率已達20.3%，是所有薄膜太陽能電池中的最高紀錄。❻電池穩定性佳，效率穩定幾乎不衰減。❼弱光特性好。

因此銅銦硒薄膜太陽能電池可望成為新一代太陽能電池的主流產品之一。

串疊型電池

串疊型電池（Tandem Cell）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，針對紅光和藍光區域的光譜會分別由兩個電池來吸收。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，但串疊型電池的技術困難處在於它必須要做到電流匹配（current match），因為上下兩層電池產生的電流串聯時，會以電流於較小的那一顆電池為主，就如同水管大小串接在一起，水量會被出口面積較小的水管給侷限住。此種高聚光太陽光發電（High Concentration Photovoltaic, HCPV）技術由於具有發電效率高、溫度係數低及最有降低發電成本的潛力等優勢，近年來逐漸受到國際的重視。

染料敏化太陽電池

染料敏化太陽能電池(DSSC)是最近被開發出來的一種嶄新的太陽電池。DSSC也被稱為格雷策爾電池，因為是在1991年由格雷策爾等人發明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），於上長有一層約10微米厚的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。雖然目前DSSC電池的最高轉換效率約在12%左右，但是製造過程簡單，所以一般認為降低生產成本會更多，能用更低的成本提供同樣的發電量。TCO是透明導電層，也可以減少光在穿透時被吸收的能量。

太陽能電池轉換效率

• 單晶矽電池效率為25.0%

• 多晶矽電池效率為20.4%

• CIGS薄膜電池效率為19.8%

• CdTe薄膜電池效率為19.6 %

• 非晶矽（無定形矽）薄膜電池的效率為10.1%

太陽能電池應用市場的發展

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。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，太陽能板需求量爆發大增，使市場嚴重缺貨，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迅速攀升，並帶動傳統製造業轉型，投入太陽能相關商品的開發、應用。

此外，太陽能電池除了硬體成本外，還有安裝、管理、資金等軟成本，許多國家在非硬體成本上都有很大的降價空間，只要改善非硬體的問題。