光波頻譜轉(zhuǎn)換型的太陽能電池

光波頻譜轉(zhuǎn)換型的太陽能電池第一頁，共38頁。內(nèi)容大綱 本章節(jié)將討論以及探討的內(nèi)容，主要有三大部分：太陽能電池的材料種類太陽能電池的元件種類太陽能電池的基本物性522*第二頁，共38頁。3-1太陽能電池的材料種類

太陽能電池材料的種類，依其外觀形態(tài)區(qū)分，塊狀型(Bulk)

單晶矽半導體多晶矽半導體薄膜型(ThinFilm)

矽系列銅銦硒(CIS)系列染料光敏化系列有機半導體系列523*第三頁，共38頁。

矽系列的半導體材料，是目前太陽能光電發(fā)電系統(tǒng)中，應用領域最為廣泛的材料；而化合物半導體材料，則是以應用於太空衛(wèi)星系統(tǒng)以及聚光型太陽能光電發(fā)電系統(tǒng)為主要的領域.圖3-1代表性太陽能電池材料的種類以及分類544*第四頁，共38頁。 太陽能電池用多晶矽原材料的主要生產(chǎn)廠商：德國Socmic公司挪威REC公司美國HemlockSemiconductor公司日本Tokuyama公司德國WackerChemie公司日本MitsubishiMaterials公司美國MEMCElectronicMaterials公司美國ASiMi公司(AdvancedSiliconMaterialsLLC)等。美國Hemlock公司，是由美國DowCorning公司、日本MitsubishiMaterials公司、以及日本Shi-EtsuHandotai公司所合資成立的公司。535*第五頁，共38頁。太陽能電池的元件種類，因其接面形態(tài)的不同：單接面型(Single-Junction)太陽能電池元件多重接面型(Multiple-Junction)太陽能電池元件太陽能電池的元件種類，因其接面材質(zhì)的不同：同質(zhì)接面型(Homo-Junction)太陽能電池元件異質(zhì)接面型(Hetero-Junction)太陽能電池元件543-2太陽能電池的元件種類6*第六頁，共38頁。圖3-2代表性太陽能電池元件的分類557*第七頁，共38頁。

第四世代太陽能電池的種類，依其元件結構體的設計分類：堆疊型(Tandem)光波頻譜轉(zhuǎn)換型(SpectralConversion)中間能帶型(IntermediateBand)熱載子型(HotCarrier)此發(fā)展歷程，不外乎是著眼於降低成本以及提升效率等為重要研究項目.558*第八頁，共38頁。 單能隙及單接面型太陽能電池的能量損失，其主要的型態(tài)：輻射損失(RadiativeLosses)次能隙損失(SubBandgapLosses)熱游離損失(ThermionicLosses)圖3-3代表性太陽能電池元件的能量損失型態(tài)579*第九頁，共38頁。 能量釋放方式的種類：能帶內(nèi)的能量釋放(Intra-BandEnergyRelaxation)能帶間的能量釋放(Inter-BandEnergyRelaxation)圖3-4代表性太陽能電池元件的能量釋放型態(tài)5710*第十頁，共38頁。

光波頻譜轉(zhuǎn)換型的太陽能電池(SpectralConversionCell)是使用光波頻譜方式將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的一種新型太陽能電池元件。 就光波頻譜轉(zhuǎn)換層的設計型態(tài)而言，其主要的種類可分為:光波頻譜上段轉(zhuǎn)換式(SpectralUp-Conversion)光波頻譜下段轉(zhuǎn)換式(SpectralDown-Conversion)光波頻譜聚集轉(zhuǎn)換式(SpectralConcentration)

5811*第十一頁，共38頁。中間能帶型的太陽能電池(IntermediateBandCell)是利用元素摻雜技術，以使價電帶以及導電帶之間，置入中間能帶，進而促使能量小於能隙的光子充份地吸收，以增加了其光電流。熱載子型的太陽能電池(HotCarrierCell)倘若載子或載體在能帶與能帶的遷移過程之中，能帶間由外部環(huán)境所獲得的能量速率，是遠大於能帶間所釋放出去的能量速率，則此些載子的平均能量將會增加，相對地載子的溫度也提升許多，此時所衍生的載子即是熱載子。5912*第十二頁，共38頁。電子電洞對再復合的基本機制：光子的發(fā)射(LightEmission)聲子的發(fā)射(PhononEmission)歐傑效應(AugerEffect)圖3-5代表性太陽能電池元件的電子電洞對再復合機制5913*第十三頁，共38頁。 3-3-1太陽能電池的材料物性

一般太陽能電池的製作方式，是以摻雜微量的硼原子(Boron,B)，以形成p型半導體，並用於作為基板材料；然後，使用高溫熱擴散的或低溫離子佈植的方式，將濃度高於硼的磷原子(Phosphor,P)摻雜於p型基板之內(nèi)，以形成p-n的接面。太陽能電池的基本材料是矽(Silicon,Si)。623-3太陽能電池的基本物性

14*第十四頁，共38頁。圖3-6 代表性鑽石立方晶格結構(a)以及閃鋅礦立方晶格結構(b)的示意圖6215*第十五頁，共38頁。圖3-7代表性結晶方向[100]、結晶方向族<100>、結晶面(100)、以及結晶面族{100}的示意圖62一個物質(zhì)的結晶結構，可以使用米勒指數(shù)(MillerIndices)

來表示其結晶方向、結晶面、以及結晶面族等.16*第十六頁，共38頁。圖3-8代表性晶圓片的{111}n型矽半導體、{100}n型矽半導體、{111}p型矽半導體、以及{100}p型矽半導體等示意圖6317*第十七頁，共38頁。表3-1不同種類太陽能電池，其基本物性的優(yōu)點、缺點、以及發(fā)展方向6518*第十八頁，共38頁。66表3-1不同種類太陽能電池，其基本物性的優(yōu)點、缺點、以及發(fā)展方向19*第十九頁，共38頁。 太陽能電池元件的基本特性：輸出特性(OutputCharacteristics)光譜感度特性(SpectralCharacteristics)照度特性(IlluminationCharacteristics)溫度特性(TemperatureCharacteristics)非相配特性(MissMatchCharacteristics)二極體特性(DiodeCharacteristics)3-3-2太陽能電池的基本特性6420*第二十頁，共38頁。一、輸出特性(OutputCharacteristics)

圖3-9 太陽電池元件的電流(i)-電壓(v)特性關係圖6721*第二十一頁，共38頁。6822*第二十二頁，共38頁。6823*第二十三頁，共38頁。圖3-10 太陽能電池元件的等效電路示意圖6924*第二十四頁，共38頁。 在最佳化動作點(JustFitPoint)上，其所對應的電壓狀態(tài)稱之為開路電壓，而所對應的電流狀態(tài)稱之為短路電流，其所表示的式子，如下所列的。

入射光所對應的單位面積單位時間的光子數(shù)外部收集效率

入射光波長7025*第二十五頁，共38頁。圖3-11太陽能電池元件的電壓、電流、以及電功率的曲線關係示意圖7026*第二十六頁，共38頁。二、光譜感度特性

圖3-12 太陽能電池元件的光譜感度特性7127*第二十七頁，共38頁。

空氣透過量(AirMass,AM)，是大氣中的吸收、反射、散射等效應，對於入射光光譜影響的一項重要指標?？諝馔高^量(AM)的基本定義，是量測時的大氣壓(b)與標準大氣壓(bo)(101.3KPa)的比值，再乘以太陽天頂角(z)的餘弦值。

在世界各國以及各地，空氣透過量大小，將因太陽的移動以及經(jīng)緯度的不同，而有所不相同的。7128*第二十八頁，共38頁。三、照度特性

在照度特性方面，太陽光的照度大小，將影響太陽能電池元件的電流-電壓特性圖3-13 太陽能電池元件的照度特性7229*第二十九頁，共38頁。四、溫度特性在溫度特性方面，半導體元件的能隙大小，將因材料、元件、以及製程等因素，而有所差異性的，如圖3-14所示圖3-14 太陽能電池元件的溫度特性7330*第三十頁，共38頁。五、非相配特性或不整合率特性 由太陽能電池胞或太陽能電池模組，將因製造過程之中，所可能產(chǎn)生的因素，而影響此些元件特性的不均勻性。在太陽能電池胞的陣列配置組合時，將會有非相配性的不整合率特性產(chǎn)生。無論是串聯(lián)式或並聯(lián)式的太陽能電池胞或太陽能電池模組，在均勻的入射光照射、同一照度大小、或同一溫度等條件之下，進行量測太陽能電池元件及其模組的輸出特性，則將各個單元所量測的結果合計地以總合比率表示之。7331*第三十一頁，共38頁。 六、二極體特性

太陽能電池胞是由兩種不同屬性的半導體所構成的二極體元件，而此一二極體元件特性即是太陽能電池的二極體特性，如圖3-15所示圖3-15 太陽能電池元件的二極體特7432*第三十二頁，共38頁。在太陽能電池胞及其模組的輸出量測方面，其輸出量測輸出量測是一種可變負載方式的，而其主要的量測方式：X-Y記錄器方式(X-YRecordMeasurement)電容負載方式(CapacitanceLoadingMeasurement)偏電壓電源方式(BiasVoltageSourceMeasurement)電子負載方式(ElectronicLoadingMeasurement)

763-3-3 太陽能電池的特性量測

33*第三十三頁，共38頁。一、X-Y記錄器方式在X-Y記錄器方式量測上，有電阻負載兩端子型的(a)以及電源負載四端子型的(b)等兩種，如圖3-16所示X-Y記錄器量測方式(X-YRecordMeasurement)，是測量太陽電池元件輸出特性的最簡單的方法。在圖3-16(a)所示7634*第三十四頁，共38頁。圖3-16 X-Y記錄器量測方式的基本原理示意圖7635*第三十五頁，共38頁。二、電容負載量測方式(CapacitanceLoadingMeasurement)，是在可變