Solar Cell

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Solar Cell

  1. 1. 太陽電池 太陽電池介紹 林義成 彰化師範大學 機電系/顯示所 2007.11.02 太陽是能源之母 全球再生能源發展機會 ‧這張合成圖片向我們呈現出地球夜晚的樣子 太陽是地球上所有能源的源頭,目前已知的能源幾 ‧城市的燈光輝映出我們這個星球比較繁榮的區域 乎都直接或間接來自太陽。 – 石油、煤、天然氣、水力、太陽能、風力、光合作 用、海洋能等等,核能、地熱除外。 太陽光照射整個地球表面1小時內的能量(~5×1020 J),約可供全人類使用1 年。 太陽還可以繼續發光至少50 億年以上。 太陽能是免費、取之不盡、用之不竭之潔淨能源, 但必須找到有效的使用法。 自強基金 10/12/207 3 自強基金 10/12/207 4
  2. 2. 2000到2100年全球主要能源需求預測 太陽能的形成 自強基金 10/12/207 5 自強基金 10/12/207 6 太陽能發電應用 The Large Concentrated PV System PV系統容量:1.7 MW (Sonnen, Bayern, Germany) 自強基金 10/12/207 7 自強基金 10/12/207 8
  3. 3. 太陽能發電應用 太陽能發電應用 自強基金 10/12/207 9 自強基金 10/12/207 10 Building Integrated Photovoltaics 太陽能發電應用 (BIPV) 自強基金 10/12/207 11 自強基金 10/12/207 12
  4. 4. BIPV應用 BIPV應用 自強基金 10/12/207 13 自強基金 10/12/207 14 太陽能發電應用 太陽光電系統在落後地區的應用 南非獨立型太陽光電系統應用在 通訊 太陽光電系統在印度汲水應用 自強基金 10/12/207 15 自強基金 10/12/207 16
  5. 5. 太陽光電在沙漠上的應用 太陽能電池的工作原理 自強基金 10/12/207 17 太陽能電池的工作原理 Semiconductor- pn homojunction A. K. Chu, National Sun Yat-sen University 自強基金 10/12/207 19 自強基金 10/12/207 20
  6. 6. Photovoltaic effect A. K. Chu, National Sun Yat-sen University A. K. Chu, National Sun Yat-sen University 自強基金 10/12/207 21 自強基金 10/12/207 22 Operation of photovoltaic device(I) Operation of photovoltaic device(II) The operation of the photovoltaic device follows by e-h pairs creation by photons absorption Separation of e-h pairs before recombination Transportation of free e and h to electrodes A. K. Chu, National Sun Yat-sen University 自強基金 10/12/207 23 自強基金 10/12/207 24
  7. 7. Operation of photovoltaic device(III) Fundamentals Photovoltaic effect results from incident light on some materials PV effect promotes electrons into higher energy conduction bands, leaving holes behind Separation of carriers, electrons (- ve) and holes (+ve) important to Surface solar cells recombination +ve and –ve carriers transported through material in all directions Bulk Surface A. K. Chu, National Sun Yat-sen University recombination recombination 自強基金 10/12/207 25 自強基金 10/12/207 26 Metal-semiconductor contact A. K. Chu, National Sun Yat-sen University A. K. Chu, National Sun Yat-sen University 自強基金 10/12/207 27 自強基金 10/12/207 28
  8. 8. 串聯與分流(並聯)電阻 Rs:串聯電阻 Rp:分流(並聯)電 阻 自強基金 10/12/207 29 自強基金 10/12/207 30 太陽能電池的等效電路 The Laws of Geometric Optics A. K. Chu, National Sun Yat-sen University 自強基金 10/12/207 31 自強基金 10/12/207 32
  9. 9. Reflection and Refraction of Waves Reflection of Lights at Different Surfaces 自強基金 10/12/207 33 自強基金 10/12/207 34 Total Internal Reflection (TIR) Reflection and Transmission Coefficients 自強基金 10/12/207 35 自強基金 10/12/207 36
  10. 10. Example: Single-layered Examples: AR coating A. K. Chu, National Sun Yat-sen University 自強基金 10/12/207 37 自強基金 10/12/207 38 太陽光能發電材料分類 PV Materials 自強基金 10/12/207 40
  11. 11. 結晶矽太陽電池至2020 年仍是市場主流 PV Materials Si: monocrystalline, polycrystalline, and amorphous III-V semiconductors: GaAs and InP II-VI and I-III-VI: CdTe and CuIn1-xGaxS1-ySey(CIGSS) Organic materials: dyes, polymers, and small molecules 自強基金 10/12/207 41 自強基金 10/12/207 42 資料來源:PVNET European Roadmap for PV R&D 2004年,工研院材料所2005年9月 Semiconductors Elemental and Classification of PV Devices Compound First generation (crystalline solar cells) Si solar cells III-V GaAs solar cells Second generation (thin film solar cells) CIGS-based CdTe α-Si Third generation novel ideas for high-efficiency cells 自強基金 10/12/207 43 自強基金 10/12/207 44
  12. 12. Theoretical Prediction of 不同太陽電池材料對應太陽光譜波長 PV Efficiencies 自強基金 10/12/207 45 自強基金 10/12/207 46 Optical Absorption Coefficients of The Types of Photovoltaic Cell PV Materials Source:工研院 葉芳耀 自強基金 10/12/207 47 自強基金 10/12/207 48
  13. 13. 傳統單傳統單/多晶矽太陽電池製程 標準太陽電池製程 自強基金 10/12/207 49 自強基金 10/12/207 50 非晶矽薄膜太陽電池構造 CIS 薄膜太陽電池構造 自強基金 10/12/207 51 自強基金 10/12/207 52
  14. 14. Dye-sensitized solar cell (DSSC) 1991年M. Grätzel發展出利用TiO2奈米結晶多孔膜作為 DSSC的電極,成功製備出高效率、低成本的新型太陽能 電池,並成為令人注目的研究新方向。 有機染料敏化太陽電池 目前研發之DSSC整體效率可達約12%,在瑞士及澳洲已 有小規模的商業應用。近年DSSC著重在固態電解質的研 (DSSC) 究,以及應用於柔軟可塑的材質上。 自強基金 10/12/207 54 Various colors in a series-connected dye 太陽光電 (BIPV)興建案例 solar cell modules Source: STI, AU 自強基金 10/12/207 55 自強基金 10/12/207 56 Courtesy Dr. Winfried Hoffman, CEO, RWE, SCHOTT Solar GmbH
  15. 15. 染料敏化太陽電池 vs 矽基太陽電池 入射光角度與溫度對太陽電池發電量影響 製程容易、成本低 轉換效率隨溫度上成而提升 模板二面皆可吸收光線-有利於吸收散射光 轉換率對入射光角度影響較小 具有的透明性可直接使用於窗戶- 模板顏色因使 用的染料顏色而變 染料太陽電池光電轉換效率受入射光角度影響較小,隨溫 度上升轉換率提升。 矽晶太陽電池光電轉換效率受入射光角度影響較大,隨溫 度上升轉換率下降。 自強基金 10/12/207 57 自強基金 10/12/207 58 Basic ideas of the photocurrent Basic ideas of the photocurrent Source: 中山大學 黃文堯 氧化 D→D+ + e- (失去電子→HOMO or IP) 還原 A + e- →A- (得到電子→LUMO or EA) LUMO orbital electrons: S+ n = principal EA quantum number n=3 2 1 HOMO So IP 自強基金 10/12/207 59 自強基金 10/12/207 60
  16. 16. Basic ideas of the photocurrent Natural solar cell—chlorophyll 自強基金 10/12/207 61 自強基金 10/12/207 62 LHC (Light Harvesting Complex) & Reaction Center Artificial photosynthesis — Grätzel cell SWEF—Small Work Function Electrode 自強基金 10/12/207 63 Actually, we call this effect as Photoelectrochemical effect rather than Photovoltaics effect. 自強基金 10/12/207 64
  17. 17. 染料太陽電池原理與關鍵技術 Cell Structure of DSSC 工研院太陽光電科技中心 蔡松雨 自強基金 10/12/207 65 自強基金 10/12/207 66 Basic Structure of DSSC (Glass Substrate) Working Principle of DSSC Source: 中山大學 黃文堯 自強基金 10/12/207 67 自強基金 10/12/207 68
  18. 18. Glass Dye Sensitizer Source: 中山大學 黃文堯 ‘Plus’-Electrode Elektrolyte Graphite Ion TCO Titanium dioxide Dye Electrons (Current) ‘Min’-Electrode Light 自強基金 10/12/207 69 (Photons) 自強基金 10/12/207 70 Glass Glass ‘Plus’-Electrode ‘Plus’-Electrode Elektrolyte Elektrolyte Graphite Graphite Ion Ion TCO TCO Titanium dioxide Dye Titanium dioxide Dye Electrons Electrons (Current) (Current) ‘Min’-Electrode ‘Min’-Electrode Light Light (Photons) 自強基金 10/12/207 71 (Photons) 自強基金 10/12/207 72
  19. 19. Glass Glass ‘Plus’-Electrode ‘Plus’-Electrode Elektrolyte Elektrolyte Graphite Graphite Ion Ion TCO TCO Titanium dioxide Dye Titanium dioxide Dye Electrons Electrons (Current) (Current) ‘Min’-Electrode ‘Min’-Electrode Light Light (Photons) 自強基金 10/12/207 73 (Photons) 自強基金 10/12/207 74 Glass Glass ‘Plus’-Electrode ‘Plus’-Electrode Elektrolyte Elektrolyte Graphite Graphite Ion Ion TCO TCO Titanium dioxide Dye Titanium dioxide Dye Electrons Electrons (Current) (Current) ‘Min’-Electrode ‘Min’-Electrode Light Light (Photons) 自強基金 10/12/207 75 (Photons) 自強基金 10/12/207 76
  20. 20. Glass Glass ‘Plus’-Electrode ‘Plus’-Electrode Elektrolyte Elektrolyte Graphite Graphite Ion Ion TCO TCO Titanium dioxide Dye Titanium dioxide Dye Electrons Electrons (Current) (Current) ‘Min’-Electrode ‘Min’-Electrode Light Light (Photons) 自強基金 10/12/207 77 (Photons) 自強基金 10/12/207 78 Start: two glass plates TCO DSSC實作 Glass ‘Min’-Electrode 自強基金 10/12/207 80
  21. 21. Titanium dioxide Dye TCO TCO Titanium dioxide Titanium dioxide Dye Glass ‘Min’-Electrode Glass ‘Min’-Electrode 自強基金 10/12/207 81 自強基金 10/12/207 82 Glass WF=4.7 Glass ‘Plus’-Electrode ‘Plus’-Electrode Elektrolyte Elektrolyte Graphite Graphite Ion Ion Electrolyte Counter / C WF=4.4 TCO TCO Titanium dioxide Dye Titanium dioxide Dye ‘Min’-Electrode ‘Min’-Electrode 自強基金 10/12/207 83 自強基金 10/12/207 84
  22. 22. Glass ‘Plus’-Electrode Elektrolyte Graphite Ion TCO Titanium dioxide Dye Conclusions ‘Min’-Electrode Electrons (Current) Light (Photons) 自強基金 10/12/207 85 自強基金 10/12/207 Source: Solar Conference, February, 15 2006. University at Albany 87 自強基金 10/12/207 Source: Solar Conference, February, 15 2006. University at Albany 88
  23. 23. 自強基金 10/12/207 Source: Solar Conference, February, 15 2006. University at Albany 89 自強基金 10/12/207 Source: Solar Conference, February, 15 2006. University at Albany 90 Roll-toRoll Coating Thank You A route to taking the costs below $50/m2 and keeping efficiency > 10 %. 英國Boathouse Boathouse太陽能 遊艇太陽能遊艇 Solar shuttle 自強基金 10/12/207 91 自強基金 10/12/207 92 P. Fairley, IEEE Spectrum. Jan. 2004 p.28

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