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Solar Cell
- 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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