772010年

9月

編 者

話的 目

錄

編者的話

市場動脈

2 太陽能電池之原理與應用

8 風力發電介紹

11 地震預警技術之發展

產品新訊

16 地震P波感測儀

應用交流

18 LED製程及關鍵材料簡介

25 氣體感測器原理與應用

三聯科技股份有限公司

　林家慶

1

三聯技術

【轉載本刊圖文需經本基金會同意】

發　　行 / 財團法人三聯科技教育基金會　　　　 北市教六字第09131763200號　　　　 台北市復興南路一段390號5樓之3　　　　 TEL : 02-2708-1730　FAX : 02-2703-1561　　　　 http://www.sanlien.com　E-mail:ef@sanlien.com捐款帳號 / 台灣中小企銀復興分行（050） 070-12-05716-9

中華民國74年1月創刊

發 行 人 / 林榮渠執 行 長 / 林廷芳執行特助 / 陶文圖公共關係 / 陳育嫻主　　編 / 林家慶刊　　務 / 陳心慧

行政院新聞局出版事業登記證局版台誌第5151號．中華郵政北台字第2725號執照登記為雜誌交寄

編者的話 　1

2

16

18

午候裟裟蟬聲，遠方婆娑倒影，盜

汗的柏油，龜裂的泥土，有誰能想像，

幾天前還大雨成災，曾幾何時，風調雨

順變的如此遙遠，深處都市叢林，我們

或許感受到的，只有忽冷忽熱的不便，

但是對於看天吃飯的農民，農作物收成

節奏丕變，香蕉超豐收但乏人問津，葡

萄不敵天候紛欠收，耕耘了一年卻無所

穫，此情此景怎不傷農。

古有『吾雖不殺伯仁，伯仁由我而

死』，今有『我不直接污染，地球卻因

我而傷』，現今全球的氣候變遷已經不

是學術議題而是民生問題，在炎炎夏日

下，我們輕鬆的享受空調的舒適與欣賞

豔陽下的千事萬物，這強烈對比的背後

蘊藏著人類對生活的嚴重扭曲，你能理

解因為使用一度電而可能造成千里之外

的災難嗎？

本期三聯技術特別準備了綠色能源相

關的文章，雖然很多人都倡言再生能源

不切實際，但是如果讀者能思考到，少

用一度石化能源電力，卻可能減少遠方

生靈的損傷時，我想大家都會竭盡全力

來擁抱再生能源的；另外，我們也特別

邀請台灣大學地質系吳逸民教授為文介

紹『地震預警之發展』，吳教授在地震

預警的研究是全世界的先驅，相信大家

一定可以從中獲益良多，最後也在此感

謝大家長久對三聯技術的支持，這是一

個雙向交流的平台，希望有志一同的讀

者先進們大家一起來分享與灌溉這一園

地。

市市市場場場脈脈脈動動動動動

2 太陽能電池之原理與應用

一、前言

近年來由於全球環保意識抬頭，對於新

能源與潔淨能源（或再生能源）的需求極為殷

切，且台灣能源極為缺乏，因此尋求具有環保

的再生能源開發刻不容緩。依據經濟部之潔淨

能源開發規劃，至西元 2020 年預定達總能源供

給之 3%的目標。現階段再生能源之發展，以太

陽能與風力發電較能突破環境條件的限制，且

技術也較為成熟，故本文將就太陽能發電作一

簡介。

二、太陽能電池之原理與種類

（一）太陽電池之原理

圖1　太陽能電池工作原理•

太陽能電池的發電原理：太陽能電池的發

電能源來自太陽光，而太陽輻射的光譜主要是

以可見光為中心，波長從 0.3 微米的紫外光到

數微米的紅外光是主要的分佈範圍。如果換算

成光子的能量，則大約在 0.3 到 4 電子伏特之

間，因此能隙大小在這個範圍內的材料，像矽

太陽能電池之原理與應用 三聯科技股份有限公司　羅國文

材，會具有比較好的光電轉換效率。太陽電池

(solar cell)是以半導體製程的製作方式做成的，

其發電原理是利用太陽光照射在太陽電池上，

使太陽電池吸收太陽光能透過圖中的p-型半導

體及n-型半導體使其產生電子(負極)及電洞(正

極)，同時分離電子與電洞而形成電壓降，再經

由導線傳輸至負載。簡單的說，太陽光電的發

電原理，是利用太陽電池吸收0.2μm∼0.4μm

波長的太陽光，將光能直接轉變成電能輸出的

一種發電方式。由於太陽電池產生的電是直流

電，因此若需提供電力給家電用品或各式電器

則需加裝直/交流轉換器，將直流電轉換成交流

電，才能供電至家庭用電或工業用電。

光電轉換原理：讓我們用構造最簡單的單

晶矽太陽能電池，來說明太陽能電池的光起電

力原理。首先由材料方面談起，矽是現在各種

半導體產業中最重要，而且使用最廣泛的電子

材料。它的來源是矽砂（二氧化矽），原料取

得很容易，成本也比較低。

當 P 型及 N 型半導體互相接觸時，N 型半

導體內的電子會湧入 P 型半導體中，以填補其

內的電洞。在 P-N 接面附近，因電子－電洞的

結合形成一個載子空乏區，而 P 型及 N 型半導

體中也因而分別帶有負、正電荷，因此形成一

個內建電場。當太陽光照射到這 P-N 結構時，

3

77

太陽能電池之原理與應用

P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－

電洞對。由於空乏區所提供的內建電場，可以

讓半導體內所產生的電子在電池內流動，因此

若經由電極把電流引出，就可以形成一個完整

的太陽能電池。

（二）太陽電池材料種類

矽系太陽能電池的材料，主要可以分為單

晶矽、多晶矽和非晶矽 3 大類。在單晶矽的材

料中，矽原子具有高度的周期性排列。目前，

成長單晶矽最重要的技術是利用柴氏長晶法，

把高純度的多晶矽熔融在坩鍋中，再把晶種插

入矽熔融液，用適當的速率旋轉並緩慢地往上

拉引做成矽晶柱，然後再把晶柱加以切割，就

可以得到單晶矽晶圓。

至於多晶矽是指材料由許多不同的小單晶

所構成，它的製作方法是把熔融的矽鑄造固化

而形成。而非晶矽則是指整個材料中，只在幾

個原子或分子的範圍內，原子的排列具有周期

性，甚至在有些材料中，根本沒有周期性的原

子排列結構。它的製作方法通常是用電漿式化

學氣相沈積法，在基板上長成非晶矽的薄膜。

由於材料的晶體結構不同，因此，用不同的材

料設計出太陽能電池時，它們的光電特性也會

有所不同。

至於多晶矽太陽能電池，因為它的多晶特

性，在切割和再加工的手續上，比單晶和非晶

矽更困難，效率方面也比單晶矽太陽能電池的

低。不過，簡單的製程和低廉的成本是它的最

重要特色。所以，在部分低功率的電力應用系

統上，便採用這類型的太陽能電池。對於非晶

矽的太陽能電池來說，由於價格最便宜，生產

速度也最快，所以非晶矽太陽能電池也比較常

應用在消費性電子產品上，而且新的應用也在

不斷地研發中。

太陽能電池除了可以選用矽材料外，還可

以採用其他的材料來製作，例如碲化鎘、砷化

鎵銦、砷化鎵等化合物半導體的材料，也可以

製作高效率的太陽能電池。但是，因為這些材

料的成本比較高，製成的元件只適用在一些比

較特殊的應用上。

．表1　太陽電池材料種類

太陽電池種類 半導體材料市場模組發電轉換

效率

矽(硅)silicon 目前太陽光電系統中應用最為廣泛

晶矽Crystalline

單晶矽 Single Crystallin 12~20%

多晶矽Poly Crystallin 10~18%

非晶矽Amorphous

Si、SiC、SiGe、SiH、SiO 6~9%

多化合物Compound 應用於太空及聚光型太陽光電系統

單晶Single Crystallin

GaAs、InP 18~30%

多晶Poly Crystallin

CdS、CdTe、CuInse 10~12%

奈米及有機Nano & Organic應用於有機太陽電池，屬研發階段

TiO2 1%以下

市市市場場場脈脈脈動動動動動

4 太陽能電池之原理與應用

常見的太陽電池及模板外觀：

圖2　常見的太陽電池及模板外觀•

砷化鎵材料太陽能電池：

聚光型太陽能(砷化鎵)高達40%的轉換效

率，在太陽能領域居於相對領先地位，但相對

目前主流的矽晶體太陽能，其製造成本以及

系統建置成本則居高不下，以系統建置成本來

說，即比矽晶體太陽能電池高出2-3成之譜。

能量轉換率比較：

針對各種常見之發電方式之能量轉換率分

述如後：薄膜型太陽能(7%∼12%)、晶矽型太

陽能(12%∼20%)、傳統核能電廠(30%)、火力

發電(36.8%)、聚光型太陽能(31%∼40.7%)、

新式核能電廠(42∼57%)。

聚光型太陽能電池可通過使用透鏡將光聚

集到狹小的面積上來提高發電效率。不過因聚

光引起的溫度上升會損傷太陽能電池單元及發

電系統，因此往往必須要抑制聚光率才可以。

聚光型太陽電池假如使用聚光倍率為1000倍的

透鏡時，單位模組的太陽能電池單元的成本可

降至結晶矽類電池單元的1/10左右，而所需的

面積僅矽晶圓的1/2.5，另外聚光型太陽能電池

必須要在位於透鏡焦點附近時才能發揮功能，

因此為使模組總是朝向太陽的方位，必須搭配

使用太陽追蹤系統，此設計雖然可以提高轉換

效率，但卻存在透鏡、聚光發熱釋放槽以及太

陽光追蹤系統的重量及體積較大⋯等問題，因

此不適於裝在日式住宅的屋頂使用。

5

77

太陽能電池之原理與應用

三、太陽能應用發電系統之型態

（一）市電併聯型太陽能發電系統 ( G r i d -

connected PV Power System)

1.用途

住宅併聯系統、辦公建築物、工廠、醫院

等所有耗電量大且必須節電之場所。

圖3　市電併聯型太陽能發電系統•

2.系統說明

太陽能光電模組經過串併聯設計所組成之

太陽能光電陣列，吸收太陽光能後產生電力，

其所產生之直流電，透過變頻器轉換成交流電

力後，直接併入市電，立即可提供原本迴路之

電器使用。由於系統經設計，故太陽能光發電

系統所產生之電力將優先被負載使用，提供負

載所需之電力；因此本系統所產生之電力即為

優先省下之電力及費用。

太陽光發電系統與市電並存，故無系統切

換問題，不會產生電力不穩而使電器損壞之情

況。負載端供電與市電互補，不需額外考量負

載總耗電多寡，若系統供電不足負載使用時，

市電將補足系統發電量不足的部份。

系統整體之轉換效率達94%以上，變頻器

本身具各項安全保護，當台電停電時，將自動

斷電以維人員及設備安全，因此市電斷電時，

太陽光發電系統停止提供電力。

3.特點

主要訴求為省電，於電費日益高漲的未

來，將可省去不少之費用，因不需經蓄電池儲

存與釋放之能量耗損，轉換效率可達94%以

上，為最具效率之系統類型。且其無蓄電池作

為儲電裝置，故建構成本相對較低。

（二）獨立型太陽能發電系統 (Stand-Along PV

Power System)

系統可獨立提供電源，可分為交流電源型

與直流電源型，可於市電無法供電時，適時提

供電力。

圖4　獨立型太陽能發電系統•

1.用途

高山、離島缺電或燃料補給不易的地區、

燈塔、太陽電力站、太陽能路燈、交通號誌及

訊息顯示看板等，以及大哥大基地台、無線

通信站、使用直流電力之獨立監測設備及燈具

等，皆適用獨立型系統。

市市市場場場脈脈脈動動動動動

6 太陽能電池之原理與應用

2.系統說明

(1)交流電源型

太陽能光電模組經過串併聯設計所組成之

太陽能光電陣列，吸收太陽光能後產生電力，

其所產生之直流電，透過充電控制器充入電池

組，經變頻器轉換成交流電力後，供特定迴路

使用(依需求設計)。此系統無市電備援，如蓄電

池電力不足則無法供電，供電受變頻器出力影

響，轉換效率達90%以上。

(2)直流電源型

太陽能光電模組經過串併聯設計所組成之

太陽能光電陣列，吸收太陽光能後產生電力，

其所產生之直流電，透過充電控制器充入電池

組，供特定直流負載使用(依需求設計)。此系統

無市電備援，如蓄電池電力不足則無法供電，

負載供應為蓄電池與台電，供電受變頻器出力

影響，轉換效率達92%以上。太陽能路燈屬此

類。

3.特點

建構此系統即可提供電力，裝設於偏遠或

高山地區，只要日照良好即可提供電力，太陽

能路燈也屬此類，不需配電拉線即可提供適當

之照明。

（三）混合型太陽能發電系統 (Backup PV

Power System)

當台電停電時，仍可由系統蓄電池繼續供

電，直到電池內電力用盡，但當日照持續太陽

能光發電模組便可發電並充入蓄電池中，延續

電池使用時間。

圖5　混合型太陽能發電系統•

1.用途

可當作不斷電系統使用，對不能臨時缺電

的場所：如醫院、特殊生產線、及大陸輪流限

電區域之廠房等特別適用。

2.系統說明

太陽能光電模組經過串併聯設計所組成之

太陽能光電陣列，吸收太陽光能後產生電力，

其所產生之直流電，透過充電控制器充入電池

組，再經由變頻器轉換成交流電後，供特定迴

路用電。

此系統與市電併聯，平時可視為併聯型

系統，故太陽能光發電系統所產生之電力將優

先被負載使用，不足之處才由市電供應。因此

本系統所產生之電力即為優先省下之電力及費

用。當市電無法供電時，透過變頻器電源自動

切換開關(A.T.S.)的切換，可將系統轉換由電池

7

77

太陽能電池之原理與應用

供電，供電受變頻器出力大小限制(亦即迴路負

載大小不可大於變頻器最大輸出功率)，系統的

轉換效率可達90%以上，台電停電系統仍會以

電池繼續供電。

減少 9公斤氧化亞氮( NOχ )、16公斤氧化硫

( SOχ )及2300公斤二氧化碳( CO2 )的排放

（相較於礦物能源）。若裝置3kW的家庭，

相當於3,000平方公尺森林（6個網球場) 的

綠化效果。因為太陽能是最環保又用不盡的能

源，太陽能有許多優點：豐富、清潔、安全且

不受任何壟斷。它不從地球上帶走任何東西，

也不會導致污染，卻默默地發出光和熱，推動

生命的成長。它確實是無後顧之憂的能源。

五、參考文獻

（一）經濟部能源局節能服務網http://www.

ecct.org.tw/

（二）太陽光電資訊網http://solarpv.itri.org.tw/

memb/main.aspx

3.特點

綜合市電併聯型及獨立型系統之優點，正

常情況可視為併聯型系統，停電則由蓄電池提

供電力，仍然有電可用不致匱乏，使用時間需

視蓄電池設計容量而訂。

表2　太陽能發電系統組成元件比較表

類型 市電併聯型獨立型

混合型交流電源型 直流電源型

太陽能光電模組 ○ ○ ○ ○

變頻器 ○ ○ ╳ ○

突波吸收器 ○ ○ ○ ○

防逆二極體 ○ ○ ○ ○

充放電控制器 ╳ ○ ○ ○

深循環蓄電池 ╳ ○ ○ ○

支架工程 ○ ○ ○ ○

配線工程 ○ ○ ○ ○

結構技師簽證 ○ ○ ○ ○

市電併聯申請 ○ ╳ ╳ ○

四、結論

傳統的電力來自於火力發電，而火力發

電燃燒煤碳將造成空氣污染與全球暖化。而

全球暖化導致海平面的上升，造成沿岸溼地

的流失，海岸線的侵蝕，增加沿岸的水患。

區域性的氣候變遷也對生態及農業造成嚴重

的衝擊。溫室效應及全球暖化，將造成全球

的大災難，包含大颶風、龍捲風、海嘯、洪

水及下一個冰河期。太陽能發電系統在運作

時，不會產生空氣污染，太陽能系統不會產

生溫室氣體，所以它能夠減緩全球的暖化，

並且不需要運送燃料，由於這樣的好處，太

陽光電能夠在減緩地球暖化的問題上扮演一

個重要的角色。 每Kw的PV(太陽光電)每年可