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[信息] 太阳能电池

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发表于 2008-12-10 04:56:28 | 显示全部楼层

太阳能电池

太阳能电池

  

  太阳能电池

  

  太阳能电池板

  太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片,它只要一照到光,瞬间就可输出电压及电流。而此种太阳能光电池(SolarCell)简称为太阳能电池,或太阳电池(在台湾的早期翻译书籍上直接引用日文中的汉字,其实不是battery而是cell),又可称为太阳能晶片。在中国大陆称为硅晶片,因为中文\"硅\"是硅的古字,硅为现代译音字。在物理学上称为光生伏打(Photovoltaic),简称PV(photo=light光线,voltaics=electricity电力)。

  太阳电池发电是一种可再生的绿色发电方式,发电过程中不会产生二氧化碳等有害气体,不会对环境造成污染。按照製作材料分为硅基半导体电池、染料敏电池、有机材料电池等。对于太阳电池来说最重要的参数是转换效率,目前硅基太阳能电池中的单晶硅电池的最高转换效率(实验室)为29%,多晶硅电池为24%,非晶硅为17%。

  历史

  以太阳能发展的历史来说,光照射到材料上所引起的「光起电力」行为,早在19 世纪的时候就已经发现了。到了1930 年代,照相机的曝光计广泛地使用这一个原理。

  接着,到了1950 年代,随着半导体物性的逐渐了解,以及加工技术的进步,第一个太阳能电池在1954年诞生在美国的贝尔实验室。

  1973 年发生了石油危机,让世界各国察觉到能源开发的重要性。

  自1960 年代开始,美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池做为能量的来源。

  到了70 年代能源危机时,人们开始把太阳能电池的应用转移到一般的民生用途上。目前,在美国、日本和以色列等国家,已经大量使用太阳能装置,更朝商业化的目标前进。

  在这些国家中,美国于1983 年在加州建立世界上最大的太阳能电厂,它的发电量可以高达16 百万瓦特。南非、波札那、纳米比亚和非洲南部的其他国家也设立专桉,鼓励偏远的乡村地区安装低成本的太阳能电池发电系统。

  而推行太阳能发电最积极的国家首推日本。1994 年日本实施补助奖励办法,推广每户3,000瓦特的「市电併联型太阳光电能系统」。在第一年,政府补助49%的经费,以后的补助再逐年递减。「市电併联型太阳光电能系统」是在日照充足的时候,由太阳能电池提供电能给自家的负载用,若有多馀的电力则另行储存。当发电量不足或者不发电的时候,所需要的电力再由电力公司提供。 到了1996年,日本有2,600 户装置太阳能发电系统,装设总容量已经有8百万瓦特。一年后,已经有9,400户装置,装设的总容量也达到了32百万瓦特。近年来由于环保意识的高涨和政府补助金的制度,预估日本住家用太阳能电池的需求量,也会急速增加。

  在台湾方面,目前生产太阳能电池的主要厂商有茂迪、昱晶、益通、旺能、新日光、科冠能源等公司。 在1999年,茂迪公司开始在台南科学工业园区设厂,以生产单晶硅和多晶硅的太阳能电池为主。士林电机也曾经派研发团队到美国接受训练,学习卫星所使用的太阳能电池板的製造和封装技术,同时在1999 年成功发射中华卫星一号后,更进一步投入民生用途的太阳能电池研发。

  此外,工业技术研究院材料所也成功地开发出太阳能电池的製造与封装技术,并把技术转移给茂迪公司及士林电机公司,以推广国内的太阳能发电事业。

  科冠能源公司从2005年,就以生产多晶硅太阳能电池为主,主要应用在消耗性电子产品上,像手錶、计算机等。

  近年来,台湾厂商对太阳能电池事业的投资也逐渐感到兴趣,主要原因除了国际市场的供不应求外,另一因素则是台湾官方从1999 年起,开始大力推展太阳能电池发电,并且着手推动各项奖励措施,因此投入这一个事业的业者也明显增加。

  太阳能电池构造与发电原理

  

  太阳能电池的结构图

  太阳电池是一种可以将能量转换的光电元件,其基本构造是运用P型与N型半导体接合而成的。半导体最基本的材料是「硅」,它是不导电的,但如果在半导体中掺入不同的杂质,就可以做成P型与N型半导体,再利用P型半导体有个电洞,与N型半导体多了一个自由电子的电位差来产生电流,所以当太阳光照射时,光能将硅原子中的电子激发出来,而产生电子和电洞的对流,这些电子和电洞均会受到内建电位的影响,分别被N型及P型半导体吸引,而聚集在两端。此时外部如果用电极连接起来,形成一个迴路,这就是太阳电池发电的原理。简单的说,太阳光电的发电原理,是利用太阳电池吸收0.4μm~1.1μm波长(针对硅晶)的太阳光,将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。由于太阳电池产生的电是直流电,因此若需提供电力给家电用品或各式电器则需加装直/交流转换器,换成交流电,才能供电至家庭用电或工业用电。

  太阳能电池的充电发展

  太阳能电池应用在消费性商品上,大多有充电的问题,过去一般採用镍氢或镍镉乾电池来充电,但是镍氢乾电池无法抗高温,镍镉乾电池有环保污染的问题。近年来超级电容发展快速,容量超大,面积反缩小,加上韩国产品价格低廉,因此有部份太阳能产品开始应用超级电容来充电,因而改善了太阳能充电的许多问题:1.充电较快速, 2.寿命长5倍以上, 3.充电温度范围较广, 4.减少太阳能电池用量(可低压充电)。

  太阳电池材料种类

  太阳电池(Solar Cell)的材料种类非常的多,可以有非晶硅(Amorphous Silicon)、多晶硅(PolyCrystalline)、CdTe、CuInse2等半导体的、或三五族、二六族的元素链结的材料,简单的说,凡光照后,而产生电能的,就是太阳电池寻找的材料。主要是透过不同的製程和方法,测试对光的反应和吸收,做到能隙结合宽广,让短波长或长波长都可以全盘吸收的革命性突破,来降低材料的成本。太阳电池型式上也分有,基板式或是薄膜式,基板在製程上可分拉单晶式的、或相溶后冷却结成多晶的块材,薄膜式是可和建筑物有较佳结合,如有曲度或可挠式、折叠型,材料上较常用非晶硅。另外还有一种有机或奈米材料研发,仍属于前瞻研发,目前仅运用于太空上面。因此,也就是目前可听到不同世代的太阳电池:第一代基板硅晶(SiliconBased)、第二代为薄膜(ThinFilm)、第三代新观念研发(New Concept)。

  单晶太阳能电池的生产介绍

  拉晶:主原料为二氧化硅,经纯化后(目前全球仅有少数纯化原料厂,供不应求),再用拉晶炉成长成晶柱。

  修角:早期製造太阳能电池的晶柱因无修角,直接将圆晶柱切片,所以成品为圆形晶片,现在大多先将晶柱修角成近似四方柱形。

  切片:用切片机将修成近似四方柱形的晶柱,一片片的切成薄片(像切方形火腿片),一般切到约0.4~0.5mm的厚度。

  刻蚀:化学刻蚀及抛光成为0.3mm的薄片(wafer)。

  清洗:用纯水将薄片洗淨。

  扩散及银浆印刷:经由扩散炉处理后,製成N型上层及P型下层,再将晶片表面及背面分别用银浆印刷成输出电路,一般表面为负极,背面为正极,经由摹拟阳光仪作功率检测及品管分级后,即为商业成品。

  蒸镀:如将表面及背面不经过丝网印刷,而改採光刻及坩锅蒸镀式製造抗反射层与表面的输出导线,再加上其他特殊技术,如此可提高太阳能电池的转换效率。但坩锅的容纳有限生产量较少,蒸镀耗时生产速度较慢,其成本及售价将提高许多;太空式单晶片即採用此法。(製造常规商业级的薄片电阻约0.5~3欧姆,有些太空式的薄片电阻需低于0.01欧姆以下---马丁格林电池E~24%,澳洲)

  超高效率太阳电池(第三代太阳电池[1])

  目前市场上大量产的单晶与多晶硅的太阳电池平均效率约在15%上下,也就是说,这样的太阳电池只能将入射太阳光能转换成15%可用电能,其馀的85%都浪费成无用的热能。所以严格地说,现今太阳电池,也是某种型式的「浪费能源」。当然理论上,只要能有效的抑制太阳电池内载子和声子的能量交换,换言之,有效的抑制载子能带内或能带间的能量释放,就能有效的避免太阳电池内无用的热能的产生,大幅地提高太阳电池的效率,甚至达到超高效率的运作。而这样简易的理论构想,在实际的技术上,却可以用不同的方法来执行这样的原则。超高效率的太阳电池的技术发展,除了运用新颖的元件结构设计,来尝试突破其物理限制外,也有可能因为新材料的引进,而达成大幅增加转换效率的目的。

  染料感光太阳电池dye-sensitized solar cell (DSSC)

  染料感光太阳电池是最近被开发出来的一种崭新的太阳电池。DSsC也被称为Grätzelcell,因为是在1991年由Grätzel等人发表[2]的构造和一般光伏特电池不同,其基板通常是玻璃,也可以是透明且可弯曲的聚合箔(polymer foil),玻璃上有一层透明导电的氧化物(transparent conducting oxide TCO)通常是使用FTO(SnO2:F) ,然后长有一层约10微米(µm;micron)厚的porous奈米尺寸的TiO2 粒子 (约10~20nm)形成一nano-porous薄膜。然后涂上一层染料附着于TiO2的粒子上。通常染料是採用ruthenium polypyridylcomplex。上层的电极除了也是使用玻璃和TCO 外,也镀上一层铂当电解质反应的催化物 (platinum catalyst),二层电极间,则注入填满含有iodide/triiodide电解质(electrolyte)。虽然目前DSC电池的最高转换效率约在10%左右,但是製造过程简单,所以一般认将大幅降低生产成本,也同时将低每度电的电费。

  串叠型电池(Tandem Cell)

  串叠型电池属于一种运用新颖原件结构的电池,藉由设计多层不同能隙的太阳能电池来达到吸收效率最佳化的结构设计。目前由理论计算可知,如果在结构中放入越多层数的电池,将可把电池效率逐步提升,甚至可达到50%的转换效率。[3]

  应用实例

  

  
  现在的太阳光电板可以配合造型做变化,在德国,一艘以太 阳电池作为遮阳板的游艇,不但造型流线美观也环保。

  有太阳能屋. 太阳能灯. 太阳能电厂. 太阳能发电厂. 太阳能飞机...等 .

  应用市场的发展

  由于封装技术,焊接材料与加工方法及晶片上的改良,在1991年太阳能系统的寿命约5到10年。到了1995年则增加到10~20年,而到公元2000年更可延长使用年限到25年以上。于1995年仅美国市场的太阳能电池销售额为35亿美元。由于石油及环保(全球温室效应)的问题,以及外交上对落后地区的援助,使得在公元2000年后全球的太阳能电池销售额成数倍的成长。到了2005年后,由于德国等环保先进国家新建筑法规的因素,造成太阳能板需求量爆发大增,瞬间市场严重缺货,造成全球太阳能电池产业的蓬勃发展,许多太阳能电池厂的股价,一夕之间冲到最高点。同时也带动洞悉商机的传统製造业转型,投入太阳能相关商品的开发、应用。

  展望

  夜间不能发电是太阳能电池的一大缺点,但是针对这一个缺点有2种方式可以克服。

  第一种方式是把白天的太阳光能转成其他的能量形式加以储存,例如蓄电池、飞轮装置、抽蓄发电厂等,到黑夜的时候再把储存的能量释放出来。

  另外一种方式是美国和日本两国正在进行的「卫星太阳能发电厂」计画(Satellite SolarPowerStation,SPSS),这一个计画的工作项目就是在太空中找到一个能够不断接受太阳光的地方,例如在赤道附近上空,发射具有太阳能电池或热能发电系统的卫星,利用人造卫星在太空中吸收太阳能来发电。由于免除了昼夜、温差及气候等因素影响,人造卫星可以连续不停且稳定地接收太阳能,再把它转换为电能,然后以微波的方式传回地球,经过地球微波接收站接收后,再转换回来成为电能,输送到各个地方。

  在目前,由于科学家们不断的研究,再加上半导体产业技术的进步,太阳能电池的效率也逐渐增加,而且发电系统的单位成本也正逐年下降。因此,随着太阳能电池效率的增加、成本的降低以及环保意识的高涨,太阳能电池的使用也会愈来愈普遍。

  现在,太阳能电池已经被广泛运用在日常生活中,例如手錶、计算机、汽车、飞机等,可见它有很大的发展潜力,相信未来太阳能电池可以在能源的运用上扮演重要的角色。

  世界的节约能源概念普遍下,绿色科技已是目前的产业新星。而这波绿色科技潮流,又首推太阳能最为行情看涨,有可能成为全球红透半边天的明日之星。面对国际油价不断飙高,第三次石油危机即将到来的危机,一股全世界重新洗牌的能源卡位战,已经响起咚咚战鼓,蓄势待发了。
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