太陽能太陽能 Solar Energy太陽能太陽能 Solar Energy

太陽的能量地球每秒從太陽所接收到的能量有 1.743x1026 焦耳，約相當於 610 萬噸煤炭所產生的熱量。如果能將其能量轉換為可利用的能源，估計僅一小時的太陽能量，即可超過地球一年所消耗的化石資源所產生的能源。

太陽能的運用太陽能的運用，不外乎將太陽的能源轉換為熱、光源、熱水、電力給家庭、商業和工業使用。

太陽能的運用太陽能的運用

太陽能應用技術主要發展方向有：

太陽熱能系統 (Concentrating Solar Power CSP)使用碟型或弧型集熱器產生高溫利用熱能來推動渦輪機產生電力。

光電系統 (Photovoltaic Energy Systems PV)光電板組成太陽能發電系統 ( 陣列 array) ，經陽光照射產生電力。

太陽能加熱系統 (Solar Heating) 吸收太陽的熱能來加熱使用，如太陽能熱水器、太陽能屋、太陽能

游泳池。

照明系統 (Solar Lighting)

具有太陽光收集器，經光纖電纜導引至至屋內當照明及產生電力。

太陽能的應用

太陽熱能 Solar thermal energy

太陽熱能系統可說是太陽能集熱發電系統 (Concentrating Solar Power CSP) 。利用太陽能產生高熱來推動引擎或渦輪機發電，包括太陽能盤 (solar dishes) 、太陽能管 (solar troughs) 、太陽能塔 solar towers 和線性菲涅爾反射 (linear fresnel reflectors) 等集熱型式。

太陽能盤陽光擷取系統是一具太陽能電力系統，具有太陽自動追蹤和太陽能聚熱電力轉換單元，把高熱轉換成市電品質的電力系統。

此系統包括一個 38呎長的盤式機構，由 82個曲面玻璃反射鏡，每個鏡面約 3~4呎的範圍，主要作用是集中太陽能射入加熱頭。

發電部份是一個 4行程往復式史特林循環引擎，一具引擎可以產生 25KW 以上的電力。而每一年可提供 55,000~60,000kWh 的電力。

太陽能盤太陽能盤 solar dishes

史特林引擎 Solar Stirling Engine

史特林引擎有一項重要的優點，就是只要能夠產生熱，皆可用來做為推動的能源，因此並不僅限於可燃燒的燃料，像是太陽能、地熱等自然、潔淨的能源，都可以用來推動史特林引擎，目前史特林引擎的研究方向大多朝向發電的應用。

史特林引擎是一個將熱能轉換成動能的熱機 (heat engine) ，而史特林引擎的運作原理和汽車中的內燃機引擎最大不同。在於內燃機是指燃料在引擎內部燃燒產生動力，而史特林引擎卻是一部外燃機，也就是熱源在引擎的外部。內燃機引擎有一連串進氣－壓縮－燃燒－排氣的循環系統，其引擎中的氣體卻是完全密封在引擎中，作為熱能轉換成機械功的媒介，引擎在動作過程中汽缸內沒有爆炸或燃燒發生，也不需要進氣排氣閥來排放燃燒後的高壓廢氣，因此，史特林引擎的構造比較簡單，運轉也非常安靜。

太陽能盤 solar dishes ，，就是利用太陽的熱來推動史特林引擎進行發電。

太陽能的應用太陽能的應用 太陽能熱水系統 (Solar Heating)

太陽能熱水系統是利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能把水加熱的一種裝置，是目前太陽熱能應用發展中最具經濟價值、技術最成熟且已商業化的一項應用產品，其應用範圍廣泛包括：工業製程用水預熱和家庭、宿舍、旅館、醫院、餐廳、游泳池等的熱水使用。

太陽能發電 太陽光電的發電原理 ,是利用太陽電池吸收 0.3~3μm波長的太陽光 ,將光能直接轉換成電能輸出的一種發電方式 .

因為太陽電池所產生的電是直流電 , 因此需加裝直 /交流轉換器轉換成交流電 ,才能供給家庭用電或工業用電 .

太陽能發電的應用型態 太陽能發電系統主要考慮在發電效益 ,依發電方式有獨立式、混合式、市電併聯式，系統容量從個別住戶數千瓦至數百萬瓦的太陽光電發電廠系統。

太陽能光電太陽能光電 (PV)(PV)Photovoltaic Energy Systems

6000KW 2000mx600m

在 1954 年貝爾實驗室製造出第一個太陽電池來的，當時是為了替偏遠地區的通訊系統提供電源，由於效率太低 ( 只有 6%) ，而且造價太高 (357美元 / 瓦 ) ，缺乏商業價值。而在當時，太空計畫也正在如火如荼地展開中；太陽電池具有不可取代的重要性，使得太陽電池得以找到另一片發展的天空。從 1957 年當時的蘇聯發射第一顆人造衛星開始，太陽電池就肩負著太空飛行任務中一項重要的角色，一直到 1969年美國人登陸月球，太陽電池的發展可以說到達一個顛峰的境界。但因為太陽電池造價昂貴，相對地使得太陽電池的應用範圍受到限制。

太 陽 電 池 發 展 史

到了 1970 年代初期，由於中東發生戰爭，石油禁運，使得工業國家的石油供應中斷造成能源危機，於是再度重視如何把太陽電池應用於電力系統的可行性。 1990 年以後，才開始將太陽電池發電與民生用電結合，市電併聯型太陽光電發電系統 (grid-connected photovoltaic system) 因而開始推廣，此觀念是把太陽電池與建築物的設計整合在一起，並與傳統的電力系統相連結，如此就可以從這兩種方式取得電力，除了可以減少尖峰用電的負荷外，剩餘的電力還可儲存或是回售給電力公司。此一發電系統的建立可以舒緩籌建大型發電廠的壓力，避免土地徵收的困難與環境的破壞。近年來，太陽電池新的結構與製造技術不斷被研發出來，其目的不外乎是降低成本，提高效率。如此太陽電池才可能全面普及化，成為電力系統的主要來源。

太 陽 電 池 發 展 史

• 矽 Silicon (Si)

單晶矽 single-crystalline Si ，多晶矽 multicrystalline Si ，非晶矽 amorphous Si (a-Si)

• 多晶薄膜 Polycrystalline thin films硒化銦銅 copper indium diselenide (CIS), 碲化鎘 cadmium telluride (CdTe) ， thin-film silicon

• 單晶薄膜 Single-crystalline thin films high-efficiency material such as 砷化鎵 gallium arsenide (GaAs)

太陽能電池的型式與材質 Solar Cell Devices & MaterialsSolar Cell Devices & Materials

太陽能電池的種類繁多，

依材料種類區分，可分為 :

GaAs 、 GaInP 、 InGaAs 、 CdTe 、CuInSe ２ (CIS) 、 CuInGaSe ２ (CIGS) 等。這些都是屬於製作太陽電池的高效率材料。

矽晶光電池的種類矽晶光電池的種類

Silicon Solar CellSilicon Solar Cell

矽晶光電池的種類矽晶光電池的種類

Silicon Solar CellSilicon Solar Cell

單晶矽 (single crystal) 轉換效率 18-23% 發電力與電壓範圍廣，轉換效率高，使用年限長

20-25 年，但製作成本高 , 製作時間長。 多晶矽 (poly crystalline) 轉換效率 15-18% 製程步驟較簡單，不須使用 CZ 法或 FZ 法成長的

單 晶圓，故成本較單晶矽太陽電池低約便宜 20%，效率較單晶矽低。

非晶矽 (amorphous) 轉換效率 8-14% 非晶矽乃是指矽原子的排列非常紊亂，沒有規則

可循，非晶矽電池為目前成本最低的商業化太陽能電池，無需封裝， 生產也最快 ，產品種類多，使用廣汎，多用 於消費性電子產品。缺點是放置戶外後會產生光劣化現象輸出功率減少 15~20%。

由於材料特性上的限制，對於結晶矽太陽電池的效率，幾乎已經達到最佳的水準，要再提升的空間有限，目前比較具有成長潛力的應屬多接面的串疊型太陽電池，將太陽電池製成串疊型電池 (tandem cell) ，把兩個或兩個以上的元件堆疊起來，能夠吸收較高能量光譜的電池放在上層，吸收較低能量光譜的電池放在下層，透過不同材料的電池將光子的能量層層吸收。預測未來多接面的串疊型太陽能電池效率將可達 40%以上。

太陽電池的架構Solar Cell Structures

太陽能電池發電原理太陽能電池發電原理 ( I( I ) ) Principle of Solar CellPrinciple of Solar Cell

太陽能電池本身是以矽為材料，而矽的原子序是 14，屬於第 IV族元素，其外層具有四個電子 (價電子 ) ，而矽是鑽石晶體結構，每個矽原子與鄰近的四個矽原子形成共價鍵，如果在純矽之中摻入三價的雜質原子，例如硼原(B) ，此三價的雜質原子，將取代矽原子的位置，因為硼原子只有三個價電子可與鄰近的矽原子形成共價鍵，所以在硼原子的周圍會產生一個空缺，此空缺即稱為電洞。電洞可視為一可移動帶正電的載子 (carrier) ，所以摻入的三價雜質原子又稱為受體 (acceptor) ，而一個摻入三價雜質提供電洞的半導體稱為 p 型半導體。

p 型半導體：

同理，如果在純矽中摻入五價的雜質原子，例如磷原子 (P) ，此種雜質原子，將取代矽原子的位置，因磷原子具有五個價電子，其中四個價電子分別與鄰近的四個矽原子形成共價鍵，而多出一個自由電子，該電子為一帶負電的載子，故稱提供一個自由電子的五價雜質原子為施體(donor) ，而摻了此施體的半導體稱為 n 型半導體。

n 型半導體：

太陽能發電原太陽能發電原 ( II( II ) )

一般太陽電池是以摻雜少量硼原子的 p型半導體當作基板 (substrate) ，然後再用高溫熱擴散的方法，把濃度略高於硼的磷摻入 p型基板內，形成一 p-n 接面，而 p-n 接面是由帶正電的施體離子與帶負電的受體離子所組成，在該正、負離子所在的區域內，存在著一個內建電位 (built-in potential) ，此內建的電位，可驅趕此區域中的可移動載子，故此區域稱之為空乏區 (depletion region) 。

當 p-n結構的半導體受到陽光照射時，光子能量把半導體中的電子激發出來，產生電子 -電洞對，電子與電洞均會受到內建電位的影響，電洞往電場的方向移動，而電子則往相反的方向移動。如果我們用導線將此太陽電池與一負載連接起來，形成一個迴路 (loop) ，就會有電流流過負載，這就是太陽電池發電的原理。

在光 -電轉換的過程中，事實上，並非所有的射入光譜都能被太陽電池所吸收，並完全轉成電流。有一半左右的光譜因能量太低 ( 小於半導體的能隙 ) ，對電池的輸出沒有貢獻，而另外一半被吸收的光子中，除了產生電子 -電洞對所需的能量外，約有一半左右的能量以熱的形式釋放掉，所以單一電池的最高效率約在 25%左右。

能 隙 energy bandgap

太陽輻射之光譜，主要以可見光為主，其範圍從 0.3微米 (μm)之紫外光到數微米之紅外光為主，換算成光子的能量，則約在 0.4eV( 電子伏特 )到 4eV之間，當光子的能量小於半導體的能隙 (energy bandgap) ，則光子不被半導體吸收，此時半導體對光子而言是透明的。當光子的能量大於半導體的能隙，則相當於半導體能隙的能量將被半導體吸收，產生電子 -電洞對。因此製作太陽電池材料的能隙，必須要仔細地選擇，才能有效地產生電子 -電洞對。一般來說，理想的太陽電池材料能隙必須在 1.1eV 到 1.7eV之間。

能 隙 energy bandgap

光電池製造流程 Manufacturing Solar Cell

單晶

多晶

鑄錠

修角 矽晶 柴氏長晶法

晶圓切片

鑄錠

模塊

光電池

電極形成

抗反射 接面形成底部形成

質材蝕刻

抗反射層

透明傳導層

兩種不同的半導體材質 (p 型、 n型 ) 形成接面

接面層

光電板功率

一般太陽能光電板的技術資料，都是依據 STC (Standard Test Conditions ASTM E1036) 標準條件來測試取得。其標準如

下： 日 照 量 (irradiance) ： 1000 W/m2

光電板溫度 (PV Module Temperature) ： 25℃ 太 陽 光 譜 (Solar spectrum Air Mass) ： AM1.5

最大電流 Imp=0.93A 最大電壓 Vmp=17.4V 最大功率 Pmax=16.182W PV 長度 =0.517m PV 寬度 =0.27m PV 面積 =0.14m2

功率 Pmax/PV 面積 =115.586 W/m2( 每平方米輸出功率 PV power) PV power/ 標準日照量 =115.586W/1000W=11.558 %

* 光電板的效率主要決定於所採用太陽能電池的效率等級，亦受到表面材質及封裝技術影響。* 電流是由 PV 面積大小、轉換效率和光的強度 ( 日照強度 ) 來決定。

從一塊 16W 光電板技術資料計算轉換效率 :

光電模組技術規格Specifications

光電模組特性圖 characteristics

不同溫度的電壓一電流特性圖 不同照度的電壓一電流特性圖

直流獨立供電系統

ChargeControlChargeControl DC/AC

InverterDC/AC

Inverter

BatteryBattery

直流 /交流獨立供電系統

BatteryBattery

ChargeControlChargeControl

DC/ACInverter

DC/ACInverter

DC LoadPanelDC LoadPanel

AC LoadPanelAC LoadPanel

市電併聯供電系統

DC/ACInverterDC/AC

Inverter

AC LoadCenter

AC LoadCenter KWH

MeterKWHMeter

發電組混用獨立供電系統

ChargeControlChargeControl

DC/AC InverterDC/AC

InverterBatteryBattery

AC GeneratorAC Generator

Transformerswitch

Transformerswitch

BatteryChargeBatteryCharge

To AC LoadTo AC Load

AC LoadCenter

AC LoadCenter

To AC LoadTo AC Load

To AC LoadTo AC Load

To AC LoadTo AC Load

To DC LoadTo DC Load

發電機直接交流負載

Solar Module

Solar Module

Solar Module

Solar Module

太陽能光電系統種類

To the gridTo the grid

獨立型 (Stand-Alone)

太陽光電系統

具備蓄電池，白天由 PV光電系統發電，提供負載及電池充電，夜間由電池供電，自給自足。

使用蓄電池，轉換器 (Inverter)無逆送電功能之光電發電系統。

適用於市電無法送達地點，如高山、離島、基地台…等。

ChargeControlChargeControl DC/AC

InverterDC/AC

Inverter

BatteryBattery

To AC Load

Solar Module

市電併聯型 (Grid- Connected)

太陽光電系統

與市電併聯負載，平時與太陽光電系統併聯發電，並供負載，不足的由台電供電。好比將市電電力系統當作一個無限大、無窮壽命的免費蓄電池。

轉換器 (Inverter) 具有逆送電功能，可操作於併聯模式之太陽光電發電系統。

適用電力正常送達之任何地點。 白天由 PV系統併聯發電、夜間由台電供電。

DC/ACInverterDC/AC

Inverter

AC LoadCenter

AC LoadCenter KWH

MeterKWHMeter

To AC Load

Solar Module

To the grid

緊急防災型 (獨立 /併聯混合型 )太陽光電系統

和市電及蓄電池搭配。平時光電系統與市電併聯發電，並供負載及充電，夜間由台電供電。當電力中斷時，蓄電池即可以供給緊急使用，待到市電回復。

具有蓄電池及轉換器 (Inverter) 有逆送電功能，因此可同時用於併聯模式或獨立模式之光電發電系統。

有防災需求 ( 照明、汲水、通信… .)之公共設施 平時 PV併聯發電、效率高、利用率高、夜間由台電供電。 視需要建置足夠之防災用電池，長時間停電時白天 PV 發電供負載並充電、夜間

由電池供電，適合作為救災用電力來源。 蓄電池平時 (或定時 )浮充保養，不需每日深度充放電，壽命可以延長。

太陽能發電系統參考圖 ( 獨立式 300W)

太陽能發電太陽能發電系統組件系統組件

戶外匯流箱 (junction box) 充電控制器 (charge controller) 蓄電池 (battery) 直交流轉換器 (inverter )

@ 蓄電池式 :從蓄電池轉換出 AC 電力 @ 併 聯 式 :從太陽能陣列直接與市電倂聯 變壓器 (transformer) 避雷器 (surge protector)

充電控制器一般使用於有蓄電池的發電系統中，其功能為保護蓄電池、防止過充電。在太陽能獨立型發電系統中均包含了充電控制器，主要當蓄電池飽滿時切斷充電電流；不同型式的蓄電池有不同的充電特性，應依據電池型式慎選適當的充電器。

除了蓄電池的型式外，選擇充電控制器應注意操作電壓以及充電電流大小，因此系統設計前應先確認發電最大電流以及操作電壓，以確保蓄電池的壽命。

高功能的充電控制器還具有防逆充、電力量測、溫度補償以及 LDV(低壓斷電 功能 )等功能。

充電方式具有全充、 PWM、均質充及浮充等方式，並依據蓄電池的狀態自動調整充電方式。

太陽能發電系統組件 充電控制器 ( charge controll

er)

太陽能發電系統組件 蓄電池 (battery)

在太陽能發電系統最常使用的是鉛酸電池 (Lead-Acid Batteries) ，因為其價格較低廉，分為淺循環式 (Shallow cycle) 及深循環式 (deep cycle) 兩種。

淺循環式鉛酸電池主要給短時間需要大電流的設備使用，像是馬達的設備；但是這種電池在使用超過 20%(額定容量 )的電力而無法不補充電時，壽命將非常短，因此不適合作為儲存電力的電池。

深循環式則適合經常充、放電，可用電力達到 80%(額定容量 ) ，比較適用於太陽能發電系統。雖然是深循環式的設計，但使用較低百分比仍然會使壽命長些，在每一個循環後若不能完全充電，此型電池將會永久損壞。現在許多電池設計成密封式 (sealed) ，因為它們不需要保養、不會溢出及結凍，又能放置在各種位置，因此太陽能系統要放置在野外或者不常去維護的地方，密封式電池是不錯的選擇。

並聯式接法單顆電池容量 100A-H／ 12

V ，總容量為 400A-H／ 12V

串聯式接法單顆電池容量 100A-H／ 6V ，總容量為 100A-H／ 24V

並聯式接法單顆電池容量 100A-H／ 12V ，總容量為 400A-H／ 12V

電池的接線示意圖

蓄電池 (battery)

太陽能發電系統組件 直交流轉換器 ( inverte

r)太陽光電板與蓄電池中的電力均為直流型式，必須由直交流轉換器將直流電轉換成交流電，才能供應給一般電器設備使用。轉 換 器 型 式：有電池式直交流轉換器 (inverter with batteries) 單體式轉換器，從蓄電池轉換出 AC 電力供電力設備使用。 切換型轉換器，除將 DC 電力轉換成 AC 電力外，並能在電池 蓄電力不足時，自動切換由電力公司、或者柴油發電機供電。 併聯型 ( 同步 ) 轉換器，屬多功能式 (multifunction) 轉換器， 後端輸出電壓、頻率與公用電力線完全一致，除了能供應 局部用電外，能將多餘電力回售給電力公司。並聯式直交流轉換器 (grid-tie inverter) 不配備蓄電池，通常具有最大功率追蹤功 (Max Power Point Tracking MPP

T) ，能從太陽能陣列或者風力發電機中獲得最大輸出，電力須與市電同步，即電流、頻率、相位都與市電相同，才能與電力公司電力線併聯使用。使用同步式轉換器的系統，將電力公司當成備用系統，當陽光足夠時，電力來自太陽能，當超過所需時甚至可回賣給電力公司，計費方式只要安裝一個二次電表即可。

　 2008 年全球太陽能電池產業產量預估 單位：百萬瓦 2006 年產量 2007 年產量 2008 年目標Q-Cells 253 398.2 565至 590夏普 434.7 363 N/A

尚德 160 360 545

Source :PHOTON International與各廠商， 2008 年 2月

至於台灣地區， 2007 年台灣太陽能電池廠商整體產值合計約達新台幣 430億元。一般預估， 2008 年台灣太陽電池生產量將成長至 1,148MW ，產值超過新台幣 880億元，整體太陽光電產業產值更將突破新台幣 1,000億元。

根據統計， 2006 年全球太陽電池安裝規模已達 1,744百萬瓦 (MW) ，市場規模正式突破 100億美元，而在產能上， 2006 年全球太陽電池產能 同樣已擴增至 2,204MW ，較 2005 年成長 33%。

太陽電池產能

國內太陽能電池三雄茂迪、益通、昱晶。

在 1997 年夏普所產出太陽能電池模組 Cell 的厚度約為 380μm ，而到了 2004 年便已經降低到 200μm左右，2005 年就已將 Cell 的厚度減少到 180μm ，在不久的將來期望降低到 100μm 。這樣的技術進步，其所代表的意義就是，能夠在同樣輸出功率和轉換效率的條件下，減少了約 40％左右的矽材料，而再進一步也就意味著太陽能電池模組的成本能夠得以下降。所以預估，從同樣數量昂貴的材料中，獲到更大產量是可以被期待的，根據計算，如果技術依照這樣的速度發展，相信在 2010 年，利用同樣數量的矽材料，所生產出來的 Cell數量將會是 1997 年的兩倍之多。

太陽電池未來的發展

提高「轉換效率／成本」比　 如何降低矽材料使用的比例，利用球型矽作為次世代材料技術已經被業者提出來研究，根據業者的預估，球型矽材料太陽能發電系統預計在 2007 年以後，將可以達到實用化的階段，而在矽材料使用量方面，僅有傳統結晶矽的 1/5左右，這對於矽材料價格日漸增加的情況，無非是令人高興的事情。當然，如果要以降低矽材料使用量技術來看的話，與結晶矽相比較，薄膜矽製程只需要 1/100 以下的使用量，而 CIS材料更是完全無須使用到矽，利用玻璃基板配合薄膜製程便可達到發電的能力。但是，面對需求量與日俱增的太陽能發電市場，並非只有材料成本這一項考慮而已，轉換效率也是相當重要的，也就是說，能夠達到最高的「轉換效率 /成本」比，才是最佳的方法。

太陽電池未來的發展