第二章 太陽能電池的基本原理及其結構

2-1 太陽能電池的基本原理2-2 太陽能電池的基本結構2-3 太陽能電池的製作

第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P

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內容大綱本章節的內容，主要地是簡述式討論

太陽能電池的基本原理 太陽能電池的基本結構 太陽能電池的製作

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第二章　太陽能電池的基本原理及其結構　P

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2-1 太陽能電池的基本原理

表 2-1 物理式電池以及化學式電池的種類以及其分類

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一般太陽能電池所使用的核心材料是半導體材料，在自然界中的半導體材料種類： 有機半導體材料 無機半導體材料

在無機半導體材料方面： 矽系列半導體材料 化合物系列半導體材料 陶瓷系列半導體材料

2-1-1 量子力學以及光電效應

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在矽材料之中，摻雜第五族的元素於其內，則所形成的半導體是帶有較多電子的 n 型半導體

倘若摻雜第三族的元素於其內，則所形成的半導體是帶有較多電洞的 p 型半導體

當 p 型半導體以及 n 型半導體接合在一起的時候，因為兩端的自由電子以及電洞濃度不同而產生擴散現象， p 型半導體中的電洞濃度較高的，而向 n 型半導體方面擴散

2-1-1 量子力學以及光電效應

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2-1-1 量子力學以及光電效應

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p n

空間電荷區域

pX nX

bi(qV )電位能障礙

dqN

pX

biV ( )電位能

aqN

nX

(E)電場

Fi

F

(E )(E )

本質費米能階費米能階

(1) 元件結構

(2) 能帶

3(3) Coul / cm )電荷密度( ,

nX

nX

pX

pX

(4) 電場分佈

(5) 電位能分佈

FiE

圖 2-2p-n 接面型半導體元件結構、能帶、位能、以及電場分布的示意圖

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太陽電池元件以及發光二極體元件，均是含有兩個電極的二端子型元件 太陽電池元件是光電效應 發光二極體元件是電光效應

2-1-1 量子力學以及光電效應

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2-2 太陽能電池的基本結構

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(a)矽晶型太陽能電池構造

n p

受光面電極背面電極

抗反射膜 p-n接合

(b)非晶矽型或疊積型 ( 堆疊型 ) 太陽能電池構造

n i p p

受光面電極背面電極

抗反射膜

n i

圖 2-3 p-n 接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成

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2-2 太陽能電池的基本結構

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圖 2-3 p-n 接面型太陽能電池元件的基本結構及其組成

(c)可繞曲非晶矽型太陽能電池構造

a-p a-i a-n

保護膜

透明電極 金屬電極

集電極 塑膠膜基板

保護膜

光

(d)附有本質膜異質接面 HIT 型太陽能電池構造

n-Si a-i a-pa-p a-i光 光

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2-2 太陽能電池的基本結構

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圖 2-4 p-n 接面型太陽能電池元件的能帶示意圖

bi(qV )電位能障礙

導電帶

價電帶

接面區域

p型半導體

電洞

能隙 (Eg)n型半導體

電子

費米能階

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太陽能電池附有負載的等效電路 (Equivalent Circuit) ，包含： 電流源 (IL)

二極體飽和電流 (IS)

電阻 (RL)

2-2 太陽能電池的基本結構

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圖 2-5 太陽能電池元件附有負載的 (a) 以及無負載的 (b) 等效電路

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太陽能電池沒有負載的等效電路圖如圖 2-5(b)

2-2 太陽能電池的基本結構

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圖 2-5 太陽能電池元件附有負載的 (a) 以及無負載的 (b) 等效電路

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太陽能電池元件的理想電流 - 電壓 (I-V) 特性，可表示為：

此一公式所繪製的曲線，分布於直角座標第四象限所圍的區域

所得四方形的面積大小即是最大輸出功率，如圖 2-6(a) 所示

2-2 太陽能電池的基本結構

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(qV / kT)S LI I [exp 1] I

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由圖 2-6(b) 可以得知： 短路電流 (Short Circuit Current, ISC) 開放電路或斷路電壓 (Open Circuit Voltage,

VOC) 最大電流值 (Maximum Current, Im) 最大電壓值 (Maximum Voltage, Vm)

2-2 太陽能電池的基本結構

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2-2 太陽能電池的基本結構

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(a) 電流 -電壓示意圖 (b) 元件參數示意圖

太陽能電池特性曲線

二極體特性曲線

電流 (I)電流 (I)

電壓 (V) 電壓 (V)00 opV ocV

opI

shI

maxI

shI

maxV ocV

op op

oc sh

V I

V I

：操作電壓 ：操作電流

：斷路電壓 ：短路電流max

max

V

I

：最大電壓值：最大電流值

圖 2-6

太陽能電池元件的電流電壓關係曲線 (a) 以及短路電流、斷路電壓、最大電流值、以及最大電壓值等參數 (b) 示意圖

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太陽能電池元件的理想光電轉換效率或能量轉換效率 ( ) 為：

形狀因子 (Fill Factor, FF) 的定義為：

2-2 太陽能電池的基本結構

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m in

m m in

L OC in

P / P 100%

(I )(V ) / P 100%

(FF)(I )(V ) /(P ) 100%

m m L OCFF (I )(V ) /(I )(V )

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若太陽能電池有串聯電阻負載的時候，則其等效電路示意圖，如圖 2-7 所示

2-2 太陽能電池的基本結構

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電流 (I)

負載

sR串聯電阻

入射太陽光線

二極體

LI

電壓

(V)

並聯電阻

shR

圖 2-7 太陽能電池有串聯電阻負載的等效電路示意圖

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因接面使用材料的種類而區分，則太陽能電池元件的種類： 同質接面型太陽能電池元件 (Homo-Junction

Solar Cell) 異質接面型太陽能電池元件 (Hetero-Junction

Solar Cell)

2-2 太陽能電池的基本結構

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單晶圓片型矽太陽能電池的生產流程，其內容如下：

2-3 太陽能電池的製作

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拉 晶

修 角

切 片

蝕刻及拋光

清 洗

擴 散

銀漿印刷

蒸 鍍

圖 2-9 單晶圓片型矽太陽能電池的生產流程