綠能科技-太陽能電池簡介

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  發刊期數:第0112期/ 發布日期:2015/03/06

太陽能電池分類_pic

  人類文明可謂是建立在大量消耗能源和資源的基礎上,沒有了能源的消費,人類的生活方式可能會倒退到中世紀,而能源問題之首要係人們對石油似乎已經沒有信心,開始認真的考慮石油的替代品了。究竟是什麼促使人們去這樣思考?是對地緣政治和經濟原因的擔憂?還是出於環境保護的考慮?或是憂心石油總有耗盡的那一天?不論原因如何,後石化時代我們靠什麼─清潔的、可持續利用的能源究竟在哪裏?

  依能源分類概可分為再生能源與非再生能源,再生能源包括:太陽能、風力能、水力能、海洋能、地熱能等;非再生能源包括:石油、天然氣、煤炭、化學能、核能等。而太陽能電池即是為因應能源問題所產生之能源替代產物。
  太陽能電池(Solar Cell)可大致分為三代,第一代為晶電池,又可大致分為單晶與多晶兩種,商業應用之歷史最悠久,已被廣泛應用於家庭與消費性商品;第二代產品為薄膜太陽能電池,主要構成材料為非晶(Amorphous)與二六族化合物半導體,常被運用於建築塗料;第三代即為砷化鎵三五族太陽能電池,砷化鎵(GaAs)被運用於太空作為發電用途已有很長的歷史,主要因為砷化鎵具有良好的耐熱、耐輻射等特性,因此被廣泛利用在太空發電用途,惟價格過於高昂,故過去未被使用於地面及家庭消費性用途。然隨著人類對半導體材料的認識益深,搭配上聚光光學元件,如今三接面砷化鎵電池之轉換效率已可高達40%,製造成本亦大幅降低,在全球熱切尋找永續替代能源的今日,高效率砷化鎵太陽能電池將是光能發電的另一項重要選擇。

  從太陽表面所放射出來的能量,換算成電力約3.8×1023kW,太陽光經過一億五千萬公里的距離,穿過大氣層到達地球的表面,也約有1.8×1014kW,大約為全球平均電力的十萬倍,若能夠有效的運用此能源,不僅能解決消耗性能源的問題,連環保問題也可一併獲得解決。

  太陽能電池是一種能量轉換的光電元件,經由太陽光照射後,把光的能量轉換成電能,太陽能電池最早在1954年由Bell實驗室所發明,當時研發的動機是希望能提供偏遠地區供電系統的能源,但是當時太陽能電池的效率只有6%,而且造價太高(357美元/瓦),缺乏商業上的價值,後來太陽能電池在太空應用中有重要的地位,從1957年蘇聯發射第一顆人造衛星開始,一直到1969年美國太空人登陸月球,乃至於近年來蓬勃發展的通訊衛星,都廣泛應用太陽能電池,太陽能電池工作原理能將光能轉換成電能,也稱為光伏電池(Photovoltaic,PV),是以半導體材料製作的光電元件,一般採用n+/p同質結的結構,即在約10公分見方面積的p片上用擴散法製作出一層很薄經過重摻雜的n型層,然後在n型層上面製作金屬柵線,作為正面接觸電極,在整個背面也製作金屬膜,作為背面接觸電極,為了減少光的反射損失,一般會在整個表面上再覆蓋一層抗反射塗層,太陽能電池發電原理是利用光伏效應(Photovoltaic Effect),當p-n半導體材料吸收0.2~2.4微米波長的太陽光,產生電子電洞對,接通電路後就形成從n型區到p型區的電流,在光電轉換的過程中,並非所有的入射光譜都能被太陽能電池所吸收,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28%左右,且因製造過程複雜量產不易,太陽能電池價格普遍過高,效率和價格也是目前太陽能電池發展最大的瓶頸。

  原油總有耗盡的一天,發展太陽能產業刻不容緩,除了多晶太陽能電池外,薄膜太陽能電池、聚光型太陽能電池也異軍突起,形成百花齊放的盛況,各種替代能源的研發就更熱門了,替代能源的研發取代石油,台灣才有機會迎接潔淨產業的曙光。

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