第三章太陽能電池的材料種類及其物性

第三章太陽能電池的材料種類及其物性

3-1 太陽能電池的材料種類3-2 太陽能電池的元件種類3-3 太陽能電池的基本物性

第三章　太陽能電池的材料種類及其物性　P

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內容大綱

本章節將討論以及探討的內容，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

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3

3-1 太陽能電池的材料種類

代表性太陽能電池材料的種類以及分類，如圖 3-1 所示的。

矽型

非晶系

結晶系

化合物型

III-V族

II-VI族

有機半導體型

有機薄膜太陽能電池

有機染料太陽能電池

單晶矽晶圓片

多晶矽晶圓片

多晶矽薄膜太陽電池

圖 3-1 代表性太陽能電池材料的種類以及分類

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3-1 太陽能電池的材料種類太陽能電池用多晶矽原材料的主要生產廠商：

德國 Socmic 公司挪威 REC 公司美國 Hemlock Semiconductor 公司日本 Tokuyama 公司德國 Wacker Chemie 公司日本 Mitsubishi Materials 公司美國 MEMC Electronic Materials 公司美國 ASiMi 公司 (Advanced Silicon Materials LLC) 等。

美國 Hemlock 公司，是由美國 Dow Corning 公司、日本Mitsubishi Materials 公司、以及日本 Shi-Etsu Handotai 公司所合資成立的公司。

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5

3-2 太陽能電池的元件種類

代表性太陽能電池元件的種類以及分類，如圖 3-1所示的。

矽型

非晶系

結晶系

化合物型

III-V族

II-VI族

有機半導體型

有機薄膜太陽能電池

有機染料太陽能電池

單晶矽晶圓片

多晶矽晶圓片

多晶矽薄膜太陽電池

圖 3-1 代表性太陽能電池材料的種類以及分類

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太陽能電池的元件種類，因其接面形態的不同：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，因其接面材質的不同：同質接面型 (Homo-Junction) 太陽能電池元件異質接面型 (Hetero-Junction) 太陽能電池元件

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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) 光波頻譜轉換型 (Spectral Conversion) 中間能帶型 (Intermediate Band) 熱載子型 (Hot Carrier)

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8


圖 3-2 　代表性太陽能電池元件的分類

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單能隙及單接面型太陽能電池的能量損失，其主要的型態：輻射損失 (Radiative Losses) 次能隙損失 (Sub Bandgap Losses) 熱游離損失 (Thermionic Losses)


太陽能電池能量損失型態

輻射能量損失

次能隙能量損失

熱游離能量損失

圖 3-3 　代表性太陽能電池元件的能量損失型態

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能量釋放方式的種類：能帶內的能量釋放 (Intra-Band Energy Relaxation) 能帶間的能量釋放 (Inter-Band Energy Relaxation)


圖 3-4 　代表性太陽能電池元件的能量釋放型態

太陽能電池能量釋放型態

能帶內能量釋放

能帶間能量釋放

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電子電洞對再復合的基本機制：光子的發射 (Light Emission) 聲子的發射 (Phonon Emission) 歐傑效應 (Auger Effect)


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圖 3-5 　代表性太陽能電池元件的電子電洞對再復合機制

p 型半導體 n 型半導體

電流

光線

：電洞：電子

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3-3-1 太陽能電池的材料物性

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

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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

z z z

y y y

xxx

(001)

(010)

[100]

a

a

a

o

a

ao

a [110]

a

a

ao

[111]

(100) (110) (111)

62


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45一次平切角

二次平切角

二次平切角

一次平切角

一次平切角

二次平切角

180

90

一次平切角

{111} n型 {100} n型半導體

{111} p型半導體 {111} p型半導體

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

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表 3-1 　不同種類太陽能電池，其基本物性的優點、缺點、以及發展方向

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表 3-1 　不同種類太陽能電池，其基本物性的優點、缺點、以及發展方向


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太陽能電池元件的基本特性：輸出特性 (Output Characteristics) 光譜感度特性 (Spectral Characteristics) 照度特性 (Illumination Characteristics) 溫度特性 (Temperature Characteristics) 非相配特性 (Miss Match Characteristics) 二極體特性 (Diode Characteristics)

3-3-2 太陽能電池的基本特性

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一、輸出特性 (Output Characteristics)


0.0 0.5 7.0 10.5 14.0 17.5 21.0 24.5 20.0 21.5 25.00.0

1.0

2.1

3.1

4.3

5.2

6.3

7.3

8.4

9.4

電壓 (v)

電流

(i)

(a) 標準電流 -電壓特性圖

圖 3-9 太陽電池元件的電流 (i) - 電壓 (v) 特性關係圖

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20


68


21


68


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太陽能電池元件示意圖

phidi shi

v v ir v

shr

v v irsr ph d shi i i i

光負載

圖 3-10 太陽能電池元件的等效電路示意圖

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sci

pmaxi

p(i,v)

ocvpmaxv

m maxp

maxp

電壓 (v)

電流

(i)

0

電功率或電力

(p)

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

70


24

300 500 700 900 11000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

波長 (Wavelength, nm)

相對光譜響應

(Rel

ative

Spe

ctra

l Res

pons

e)

0 200 400 600 800 1000

20%

40%

60%

80%

100%

2(Irradiance , W / m )照射強度

ocV

sI

sh

oc

IV：短路電流：斷路電流

二、光譜感度特性


圖 3-12 太陽能電池元件的光譜感度特性

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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


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1400.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8電壓 -電流特性 ( 照射強度 )

電壓 (V)

21000 W/m

2800 W/m

2600 W/m

2400 W/m2250 W/m

電流

(A)

圖 3-13 太陽能電池元件的照度特性

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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

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 1400.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8電壓 -電流特性 ( 溫度 )

電壓 (V)

電流

(A) 15 C

25 C35 C

45 C55 C

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五、非相配特性或不整合率特性六、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


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28


32112341

2

3

4

5

6

1

2

3

4

5

6

電流 (mA)

電壓 (V)

正向導通狀態

逆向崩潰狀態

圖 3-15 太陽能電池元件的二極體特

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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-Y Record Measurement) 電容負載方式 (Capacitance Loading Measurement) 偏電壓電源方式 (Bias Voltage Source

Measurement) 電子負載方式 (Electronic Loading Measurement)

3-3-3 太陽能電池的特性量測

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30

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-Y Record Measurement) ，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


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太陽能電池

V

電流計 (Y)

電壓計 (X)

負載(可變電阻 )

A

(a)電阻負載兩端子型的 (b)電源負載四端子型的

太陽能電池

負載(電源 )

A

V

圖 3-16 X-Y 記錄器量測方式的基本原理示意圖

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二、電容負載量測方式


V

電流計

切換式開關

電壓計電容器

A

太陽能電池

圖 3-17 電容負載量測方式的基本原理示意圖

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33

三、偏電壓電源量測方式


圖 3-18 偏電壓電源量測方式的基本原理示意圖

太陽能電池

V

電流計

電壓計偏壓電源

A

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四、電子負載量測方式


圖 3-19 電子負載量測方式的基本原理示意圖

V

電流計

電壓計偏壓電源

A

可變電阻

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第三章 太陽能電池的材料種類 及其物性

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