近代光電技術 專題報告-1-目錄前言 P.3 P.4太陽能電池＆系統介紹太陽能電池轉換原理 一．矽太陽能電池簡介 二．光敏染料太陽能電池(DSSC) 太陽能電池的特性 太陽能發電系統簡介 一．獨立供電型系統 二．市電並聯型系統 太陽能發電系統的設計 一．多級太陽能照明系統 二．單級太陽能照明系統 三．太陽能充電系統 太陽能發電系統中重要的相關技術 一．最大功率追縱技術 二．市電並聯技術 三．孤島效應的防治 四．電能轉換技術 五．濾波技術 六．充放電技術 直流供電市電並聯系統P.7 P.11P.12P.17P.21 P.22 P.25 P.26 P.27 P.28 P.29 P.30 P.33 P.33 P.36 P.38 P.39太陽能產業介紹全球能源概況 全球太陽能光電產業概況 太陽能電池的製程（單晶矽） 太陽能產業發展關鍵 太陽能電池產業短期&長期競爭要素 太陽能電池業者擴產的考量 台灣太陽能產業概況與市場分析 台灣整體產業發展趨勢 太陽能應用與相關產品展望未來未來發展的可能性 心得與討論 參考資料：-2-前言在工業發達的現在，人的生活中電已經是不可獲缺的重要能源之一，但大多 數的發電方式幾乎都多多少少會照成污染，而環保意識高漲之後，人們開始想到 運用大自然的力量來產生能源，例如潮汐發電、水力發電、風力發電或太陽能發 電等，都是現在努力想要創造無污染能源。

其中以太陽能發電，是目前相對於其他無污染能原中限制最少的，他與其他 大多數的發電不同，大多數的發電方式都是以物質推動渦輪機來產生發電，而使 得發電系統本身有體積的限制，相對來說太陽能發電，就沒有相同的問題，因此 體積可大可小，小到可以讓人們帶在身上，隨時隨地都可以用，是一種汎用性很 廣的發電方式，而且只要太陽照的到的地方都可以使用這種方式發電，能量直接 由光轉成電能，不需要在經過任何的轉換，這也是一個很大的優點，在不久的未 來，應該可以讓全世界的人都使用這種半永久的能源，而讓人生活更進步，也讓 環境得以保存才是。

相信對於物理系來說，太陽能板的發電原理，大概都有一定程度的了解，而 在這份報告中，我們將重點放在整個太陽能發電系統的架構上，希望的是能真的 知道現在是如何運用太陽能板發電，而在這之中還有那些問題存在，雖然太陽能 發電的發展已經很久了，但仍然沒有相當的普及，我們也想探討其可能的原因。

報告中分成四個部份，首先是太陽能板的基本原理描述，然後是系統架構的 介紹，接著介紹目前太陽能產業的概況，最後是對於未來的發展，也許會有什麼 有趣的可能性等，希望由報告中可以了解最基本的太陽能發電系統。

-3-太陽能電池轉換原理太陽光電池主要的功能是將光能轉換成電能，這個現象稱之為光伏特效應 （Photo voltaic effect） ，而要將光能轉換成電能，最主要有兩個因素，第一個是 光電效應（photo conductive effect） ，第二個則是內部電場。

光照射在物質上時，部份的光會被材料吸收，進而產生電子電洞對或者產生 熱能，而部份的光則是以反射或透射的方式離開物質，因此選取太陽能電池材料 的第一個考量就是吸光效果要很好，如此才能使輸出的功率增加，第二個考量就 是光電效應的效果好，而效果的好壞則是跟照射光的組成有關係，所以在不同環 境中使用的材料會不同，其中矽與 Ga-As(鎵-砷)是相當好的材料。

內部電場的產生方式有很多，例如使用半導體的 PN 接面，當Ｐ型半導體與 Ｎ型半導體接合時，會在接面上產生空乏區，並且在空乏區中形成電場，當光射 入空乏區，其能量足以產生電子電洞對時，產生的電子電洞對受到電場的影響， 會馬上分開，分別往Ｐ或Ｎ極移動，而不至於在吸收光能後又馬上因為碰撞等因 素而損耗掉能量而再度結合，如此一來就可以產生光電轉換的效果。

一．矽太陽能電池簡介矽是一個相當重要的原料，其除了可以做成太陽能面板外，目前最大的用途 就是半導體產業，也就是ＩＣ晶片等材料，但也因為需求量大，所以對於太陽能 產業來說，目前是缺乏材料的狀態，在後面的產業部分，我們會再做說明矽的用途［圖片來源：茂迪電子］由矽元素為原料所組成的太陽能電池，其中可以分成三大類，單晶矽、多晶 矽與非晶矽三種。

單晶矽的結構完整不容易破壞，光電轉換效率是矽太陽能板中最高，壽命也 比較長，是相當好的太陽能電池，不過因為需要的純度高，處理時間長，所以相 當的費時費力，成本也就相對的很高，目前單晶矽發電效率最高約２５％左右。

-4-多晶矽則是為了降低成本而產生的，純度與結構的完整度都比單晶矽低一 些，不過製做時間也比較短，因為結構不完整而使的產生了懸浮鍵（dangling bond） ，懸浮鍵的存在會阻礙自由電子的移動而使轉換效率降低，而且結構不完 整，容易遭到紫外線破壞結構，而使壽命也減少許多，不過成本相對的比單晶矽 低上許多，目前多晶矽發電效率最高約２０％左右。

非晶矽與上面兩種材料上有所差異，大多使用四氫化矽為材料，其吸光效果 與光電轉換效果都很好，曾因特性類似絕緣體而被認為無法使用，但這問題已經 被克服，只是厚度會薄很多，此外因為其結構比多晶系更差，懸浮鍵的問題更大， 而且無法使用 PN 接面的方式產生電場，比較長見的做法為 P-I-N 的方式，Ｉ即 是本質層，也就是產生光電效應的地方，P 與 N 則為單純的產生電場的角色，非 晶矽的優點是成本更低，但因為厚度薄發電效率低，且壽命也很短，所以常使用 在小電力發電，而無法使用在大型的太陽能發電，市面上可以買到比較便宜的太 陽能面板，大多屬於這種的，目前非晶矽發電效率最高約１０％左右。

目前可使用的太陽能面板壽命最長約約２５年左右。

二．光敏染料太陽能電池(DSSC)光敏染料太陽能電池的做法使將具有可吸光的染料與半導體結合，目前常用 的是具碳酸基的釕(Ru)錯化合物與奈米等級的二氧化鈦(TiO2)結合，由染料吸收 光而產生自由電子，在透過半導體導電，其特性是可以吸收的光譜更寬，自由電 子存在的時間也更長，且本身輕便便宜容易攜帶，且不如矽一般，是可以彎曲的， 所以在使用上更便利等等的優點，是目前太陽能電池上一個發展的主軸，但其效 率仍然不高（最高約１０％左右） ，且與地表太陽光光譜匹配度不夠，所以仍有 許多研究持續中。

單晶矽與薄膜太陽能電池的特性 [資料來源：IEK 整理，2007/08]-5-註：薄膜太陽能電池多是以非晶矽為材料，光敏染料也是薄膜太陽能電池的一種 新材料。

形形色色的太陽能電池，從單晶矽與多晶矽厚膜，一直到薄膜類型設計種類 單晶矽 多晶矽 非晶矽 GaAs CIGS 多接面串疊型(InGaP/GaAs//InGaAs, multijunction tandem cell)目前太陽能面板轉換效率(益通光能)轉換效率 24.7% 19.8% 14.5% 25.7% 18.8% 33.3%。

-6-太陽能電池的特性太陽能光電池的等效電路如下圖片來源：參考資料［１］I ph ：太陽能電池所產生的電流。

R j ：PN 接面產生的非線性阻抗。

D j ：PN 接面的等效二極體。

Rsh 、 Rs ：內部產生的等效串聯（小）與並聯電阻（很大） ，通常可以忽略。

V 、 I 、 Ro ：負載的電壓、電流與電阻。

把原本線路簡化後如下圖：-7-我們可以將輸出電流 I 表示成下式（與ＰＮ型二極體相同的方式） ：I = n p I ph − n p I sat (exp[eV ] − 1) kTAns註:PN 二極體在順向偏壓時主動態(Forward-biased)時，電流大小通常可以表示為I = I sat (exp[其中eV ] − 1) ， I sat 為飽合電流，是溫度的函數 kTAn p ：並聯太陽能電池個數，並聯會增加電流ns ：串聯太陽能電池個數，串聯會加高電壓 I sat ：反向飽和電流ｋ：波茲曼常數 ｅ：電子電量 Ａ：太陽能電池理想因子，跟面板製成有關（P 型或 N 型中 3、5 價離子的散布 方式有關） Ｔ：太陽能電池面板的溫度 而上式中的反向飽和電流可寫成I sate × E gap 1 1 ⎡T ⎤ ( − )] ， = I rr ⎢ ⎥ exp[ Tr ⎦ kA Tr T ⎣3電流大小跟溫度有關係，而光電流大小可以寫為I ph = [ I sso + K i (T − Tr )]Si 100光電流大小與材料本身特性有關Tr ：太陽光電池參考溫度 I rr ：溫度為參考溫度時的反向飽和電流E gap ：半導體的 energy gap(矽為 1.1eV)I sso ：參考溫度與日照條件 100mw/cm^2 時的短路電流 K i ：短路電流與溫度的系數(mA/度)-8-Si ：太陽的日照強度(mw/cm^2)而根據上面的式子，在固定的規格下，我們可以繪出輸出電壓與功率（Ｐ＝ ＩＶ）的關係圖，來了解一下太陽能面板其特性（跟溫度與日照強的關係） ，這 對於太陽能發電系統的設計有不少幫助。

Characteristics Typical peak power Voltage at peak power Current at peak power Short-circuit current Open-circuit voltage Temperature coefficient of Open-circuit voltage Temperature coefficient of Short-circuit current Approximate effect of temperature on power 60W 17.1V 3.5A 3.8A 21.1V -73mV/度 3mA/度 -0.38W/度49 度 Nominal Operating Cell temperature 太陽能面板規格(Solarex MSX60，1Kw/m^2，25 度)[1]一．在固定光照強度之下，溫度變化，輸出電壓與輸出功率的關係圖圖片來源：參考資料［１］-9-二．固定溫度，改變光照強度時，輸出電壓與輸出功率的關係圖圖片來源：參考資料［１］我們可以看到最大輸出功率會隨溫度升高而下降，也會隨日照強度而改變， 所以我們可以知道這環境對於太陽能電池會有很大的影響，在設計系統時，會希 望可以將輸出功率最大化，讓能源有效的使用，且也希望在輸出功率不足時不會 使負載損壞或無法運用，所以在整個系統設計上會需要追縱太陽能板當下所能輸 出的最大功率是多少，讓控制系統參考並修正其工作模式，來使之最有效率並保 護負載安全。

- 10 -太陽能發電系統簡介上述所有特性皆為太陽能電池本身所擁有，其與環境之間的關係，但如果只有這樣，充其量不過是一個可以產生電位差的電池，而不是真的實際的使用，接下來的內容中，將著墨於具有實用性的太陽能發電系統介紹，對其設技與相關的技術做一概述，使得與所學之理論可以結合。