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第三章第三章 太陽能電池的材料種類太陽能電池的材料種類及其物性及其物性l3-1太陽能電池的材料種類l3-2太陽能電池的元件種類l3-3太陽能電池的基本物性第三章太陽能電池的材料種類及其物性P2內容大綱l本章節將討論以及探討的內容，主要有三大部分：太陽能電池的材料種類太陽能電池的元件種類太陽能電池的基本物性52第三章太陽能電池的材料種類及其物性P33-1太陽能電池的材料種類 l代表性太陽能電池材料的種類以及分類，如圖3-1所示的。矽型非晶系結晶系化合物型III-V 族II-VI 族有機半導體型有機薄膜太陽能電池有機染料太陽能電池單晶矽晶圓片多晶矽晶圓片多晶矽薄膜太陽電池圖3-1 代表性太陽能電池材料的種類以及分類 52第三章太陽能電池的材料種類及其物性P43-1太陽能電池的材料種類 l太陽能電池用多晶矽原材料的主要生產廠商：德國Socmic公司挪威REC公司美國Hemlock Semiconductor公司日本Tokuyama公司德國Wacker Chemie公司日本Mitsubishi Materials公司美國MEMC Electronic Materials公司美國ASiMi公司(Advanced Silicon Materials LLC)等。l美國Hemlock公司，是由美國Dow Corning公司、日本Mitsubishi Materials公司、以及日本Shi-Etsu Handotai公司所合資成立的公司。53第三章太陽能電池的材料種類及其物性P53-2太陽能電池的元件種類 l代表性太陽能電池元件的種類以及分類，如圖3-1所示的。矽型非晶系結晶系化合物型III-V 族II-VI 族有機半導體型有機薄膜太陽能電池有機染料太陽能電池單晶矽晶圓片多晶矽晶圓片多晶矽薄膜太陽電池圖3-1 代表性太陽能電池材料的種類以及分類 54第三章太陽能電池的材料種類及其物性P63-2太陽能電池的元件種類 l太陽能電池的元件種類，因其接面形態的不同：單接面型(Single-Junction)太陽能電池元件多重接面型(Multiple-Junction)太陽能電池元件l太陽能電池的元件種類，因其接面材質的不同：同質接面型(Homo-Junction)太陽能電池元件異質接面型(Hetero-Junction)太陽能電池元件54第三章太陽能電池的材料種類及其物性P73-2太陽能電池的元件種類 l第四世代太陽能電池的種類，依其元件結構體的設計分類：堆疊型(Tandem)光波頻譜轉換型(Spectral Conversion)中間能帶型(Intermediate Band)熱載子型(Hot Carrier)55第三章太陽能電池的材料種類及其物性P83-2太陽能電池的元件種類 圖3-2代表性太陽能電池元件的分類(a)太陽能電池單接面型的多重接面型的(b)太陽能電池同質接面型的異質接面型的(c)太陽能電池堆疊型的光波頻譜轉換型的中間能帶型的熱載子型的(d)矽型太陽能電池元件薄膜型矽基元件非晶質矽型元件微晶質矽型元件單層式微晶質矽型元件堆疊式微晶質矽型元件晶圓片型矽基元件單晶晶圓片矽型元件多晶晶圓片矽型元件55第三章太陽能電池的材料種類及其物性P9l單能隙及單接面型太陽能電池的能量損失，其主要的型態：輻射損失(Radiative Losses)次能隙損失(Sub Bandgap Losses)熱游離損失(Thermionic Losses)3-2太陽能電池的元件種類 太陽能電池能量損失型態輻射能量損失次能隙能量損失熱游離能量損失圖3-3代表性太陽能電池元件的能量損失型態 57第三章太陽能電池的材料種類及其物性P10l能量釋放方式的種類：能帶內的能量釋放(Intra-Band Energy Relaxation)能帶間的能量釋放(Inter-Band Energy Relaxation)3-2太陽能電池的元件種類 圖3-4代表性太陽能電池元件的能量釋放型態 太陽能電池能量釋放型態能帶內能量釋放能帶間能量釋放57第三章太陽能電池的材料種類及其物性P11l電子電洞對再復合的基本機制：光子的發射(Light Emission)聲子的發射(Phonon Emission)歐傑效應(Auger Effect)3-2太陽能電池的元件種類 59第三章太陽能電池的材料種類及其物性P123-2太陽能電池的元件種類 圖3-5代表性太陽能電池元件的電子電洞對再復合機制 p 型半導體n 型半導體電流光線：電洞：電子59第三章太陽能電池的材料種類及其物性P133-3-1太陽能電池的材料物性圖3-6代表性鑽石立方晶格結構(a)以及閃鋅礦立方晶格結構(b)的示意圖 62第三章太陽能電池的材料種類及其物性P143-3-1太陽能電池的材料物性圖3-7代表性結晶方向 100、結晶方向族、結晶面(100)、以及結晶面族 100 的示意圖 zzzyyyxxx(001)(010)100aaaoaaoa110aaao111(100)(110)(111)62第三章太陽能電池的材料種類及其物性P153-3-1太陽能電池的材料物性45一次平切角二次平切角二次平切角一次平切角一次平切角二次平切角18090一次平切角111n型100n型半導體111p型半導體111p型半導體圖3-8代表性晶圓片的 111 n型矽半導體、100 n型矽半導體、111 p型矽半導體、以及 100 p型矽半導體等示意圖 63第三章太陽能電池的材料種類及其物性P163-3-1太陽能電池的材料物性表3-1不同種類太陽能電池，其基本物性的優點、缺點、以及發展方向65第三章太陽能電池的材料種類及其物性P173-3-1太陽能電池的材料物性66表3-1不同種類太陽能電池，其基本物性的優點、缺點、以及發展方向第三章太陽能電池的材料種類及其物性P18l太陽能電池元件的基本特性：輸出特性(Output Characteristics)光譜感度特性(Spectral Characteristics)照度特性(Illumination Characteristics)溫度特性(Temperature Characteristics)非相配特性(Miss Match Characteristics)二極體特性(Diode Characteristics)3-3-2太陽能電池的基本特性 64第三章太陽能電池的材料種類及其物性P19l一、輸出特性(Output Characteristics)3-3-2太陽能電池的基本特性0.00.57.010.5 14.0 17.5 21.0 24.5 20.0 21.5 25.00.01.02.13.14.35.26.37.38.49.4電壓(v)電流(i)(a)標準電流-電壓特性圖圖3-9太陽電池元件的電流(i)-電壓(v)特性關係圖 67第三章太陽能電池的材料種類及其物性P203-3-2太陽能電池的基本特性10200304050024681075 C50 C25 C0 C25 C電壓(v)電流(i)(b)不同測試溫度條件下的電流-電壓特性圖照射條件，AM 1.5,1000 W/m102003040024681021000W/m2800W/m2500W/m2300W/m電壓(v)電流(i)(c)在不同照射強度條件下的電流-電壓特性圖25 C太陽能電池胞溫度，68第三章太陽能電池的材料種類及其物性P213-3-2太陽能電池的基本特性10200304050024681075 C50 C25 C0 C25 C電壓(v)電流(i)(b)不同測試溫度條件下的電流-電壓特性圖照射條件，AM 1.5,1000 W/m102003040024681021000W/m2800W/m2500W/m2300W/m電壓(v)電流(i)(c)在不同照射強度條件下的電流-電壓特性圖25 C太陽能電池胞溫度，68第三章太陽能電池的材料種類及其物性P223-3-2太陽能電池的基本特性太陽能電池元件示意圖phidishivvirvshrvvirsrphdshiiii光負載圖3-10 太陽能電池元件的等效電路示意圖 69第三章太陽能電池的材料種類及其物性P233-3-2太陽能電池的基本特性scipmaxip(i,v)ocvpmaxvm maxpmaxp電壓(v)電流(i)0電功率或電力(p)圖3-11 太陽能電池元件的電壓、電流、以及電功率的曲線關係示意圖70第三章太陽能電池的材料種類及其物性P24l二、光譜感度特性 3-3-2太陽能電池的基本特性圖3-12 太陽能電池元件的光譜感度特性 71第三章太陽能電池的材料種類及其物性P25l三、照度特性 在照度特性方面，太陽光的照度大小，將影響太陽能電池元件的電流-電壓特性 3-3-2太陽能電池的基本特性0102030405060708090100 110 120 130 1400.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8電壓-電流特性(照射強度)電壓(V)21000 W/m2800W/m2600W/m2400W/m2250W/m電流(A)圖3-13 太陽能電池元件的照度特性 72第三章太陽能電池的材料種類及其物性P26l四、溫度特性在溫度特性方面，半導體元件的能隙大小，將因材料、元件、以及製程等因素，而有所差異性的，如圖3-14所示 3-3-2太陽能電池的基本特性圖3-14 太陽能電池元件的溫度特性 0102030405060708090100 110 120 130 1400.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8電壓-電流特性(溫度)電壓(V)電流(A)15 C25 C35 C45 C55 C73第三章太陽能電池的材料種類及其物性P27l五、非相配特性或不整合率特性 l六、二極體特性太陽能電池胞是由兩種不同屬性的半導體所構成的二極體元件，而此一二極體元件特性即是太陽能電池的二極體特性，如圖3-15所示 3-3-2太陽能電池的基本特性74第三章太陽能電池的材料種類及其物性P283-3-2太陽能電池的基本特性3211234123456123456電流(mA)電壓(V)正向導通狀態逆向崩潰狀態圖3-15 太陽能電池元件的二極體特 74第三章太陽能電池的材料種類及其物性P29l在太陽能電池胞及其模組的輸出量測方面，其輸出量測輸出量測是一種可變負載方式的，而其主要的量測方式：X-Y記錄器方式(X-Y Record Measurement)電容負載方式(Capacitance Loading Measurement)偏電壓電源方式(Bias Voltage Source Measurement)電子負載方式(Electronic Loading Measurement)3-3-3太陽能電池的特性量測76第三章太陽能電池的材料種類及其物性P30l一、X-Y記錄器方式 在X-Y記錄器方式量測上，有電阻負載兩端子型的(a)以及電源負載四端子型的(b)等兩種，如圖3-16所示 X-Y記錄器量測方式(X-Y Record Measurement)，是測量太陽電池元件輸出特性的最簡單的方法。在圖3-16(a)所示 3-3-3太陽能電池的特性量測76第三章太陽能電池的材料種類及其物性P313-3-3太陽能電池的特性量測太陽能電池V電流計(Y)電壓計(X)負載(可變電阻)A(a)電阻負載兩端子型的(b)電源負載四端子型的太陽能電池負載(電源)AV圖3-16 X-Y記錄器量測方式的基本原理示意圖 76第三章太陽能電池的材料種類及其物性P32l二、電容負載量測方式3-3-3太陽能電池的特性量測V電流計切換式開關電壓計電容器A太陽能電池圖3-17 電容負載量測方式的基本原理示意圖 77第三章太陽能電池的材料種類及其物性P33l三、偏電壓電源量測方式3-3-3太陽能電池的特性量測圖3-18 偏電壓電源量測方式的基本原理示意圖 太陽能電池V電流計電壓計偏壓電源A78第三章太陽能電池的材料種類及其物性P34l四、電子負載量測方式3-3-3太陽能電池的特性量測圖3-19 電子負載量測方式的基本原理示意圖 V電流計電壓計偏壓電源A可變電阻79
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