中華太陽能聯誼會--認識太陽能電池

認識太陽能電池

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[壹 . 概述] [貳 . 單晶太陽能電池的生產介紹] [參 . 三種市場上流通的太陽能電池] [肆 . 應用實例]
[伍 . 應用入門] [陸 . 應用市場的發展] [柒 . 太陽能實驗室] [捌 . 太陽能電力系統]
[玖 . 教學與顧問] [拾 . 如何自製非晶太陽能電池] [拾壹 . 商業太陽能電池的認知範圍]
[拾柒 . 太陽能白手起家的神話] [拾捌 . 太陽能今非昔比]
[貳拾伍 . 太陽能當前危機 ] [貳拾陸 . 太陽能行業敗因] [貳拾柒 . 太陽能潛水艇]
[貳拾捌 . 柏林清潔技術園區] [貳拾玖 . 危機就是良機]
[參拾 . 太陽能海洋衛星站]

壹 . 概述

太陽能的法力無邊, 其中：由於在地球上的日照不平均, 所以造成冷熱溫度對流而生成風, 而風力亦可發電, 所以在美國風力發電也歸太陽能源的一種. - - - - - 其實:當陽光照耀於海洋、湖、河 , 將水氣蒸發上升形成於雲雨 , 降到山上 , 集水成溪河流下 , 人類將此位差能 , 製造成 "水力發電 "(不也是太陽能所形成的).

以太陽做為能源就是太陽能. 依材料來區分,太陽能可以蓄熱,也可以發電.
利用太陽的溫度,將水加溫,再將熱水儲蓄在保溫桶內,這樣的應用產品,泛稱為太陽能熱水器,所應用的技術產品是:深色的集熱板,或深色的集熱真空管, 所取得的是太陽的熱能.
利用太陽的光,把光轉換成小單位的電力,然後集合很多小單位的電力,加起來成為可供使用的大電力,這樣的產品叫做:太陽能板,而發出小單位電力的單一個體,叫做太陽能電池, 所應用到的技術產品是:半導體晶片,或半導體薄膜,而這樣子所取得的是太陽的光能.

太陽能電池係一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片, 它祇要一照到光, 瞬間就可輸出電壓及電流. 而此種太陽能光電池 (Solar cell)簡稱為太陽能電池,或太陽電池(在台灣的早期翻譯書籍上直接引用日文中的漢字,其實不是battery而是cell), 又可稱為太陽能晶片. 在中國大陸稱為硅晶片,因為中文"硅"是矽的古字, 矽為現代譯音字. 在物理學上稱為光生伏打(Photovoltaic),簡稱PV(photo=light光線,voltaics=electricity電力).

製圖:查丁壬 1997

矽(silicon)為目前通用的太陽能電池之原料代表, 而在市場上又區分為: 1.單結晶矽 2.多結晶矽 3.非結晶矽. 而目前消費市場應用(切割後封裝)上大多為單晶矽及非晶矽兩大類, 原因是：一.單晶效率最高. 二.非晶價格最便宜, 且無需封裝, 生產也最快. 三.多晶的切割及下游再加工較不易, 而前述兩種都較易於再切割及加工. 但是"模組封裝"(太陽能光發電工程應用板材)為單晶與多晶為主, 原因是：非晶效率太低, 產品壽命也太短.

太陽能電池的發電能源來自於光的波長,太陽光是一種全域波長, 而白熾燈的波長與日光燈的波長不同, 太陽能電池以陽光或白熾燈之波長為較適用, 而太陽能電子計算機上的太陽能電池是屬於 "室內型的非晶" 如果長期拿到戶外曝曬,且串並聯為較大電壓及電流時,將導致其內部連結組織燒斷而損壞,這是過去有人因錯用材料(以為太陽能電池只有一種), 卻誤以為所有的太陽能電池都不實用的原因.

太陽能製造廠商將太陽能電池稱為cell,國內業者則慣稱晶片,把晶片(或依設計所需要的電流進行晶片切割後)焊上箔條導線(焊帶)再將許多焊好的晶片用箔條串聯成一組,再和EVA、Tedlar與低鐵質強化壓紋玻璃(白玻璃)層層疊疊,一同放入層壓機(Laminate)的機台上做真空封裝, 製成 module ( panel)稱之為模組或稱太陽能板,將若干太陽能板組成方陣(列陣array),接配上過充放保護控制(controller)及深(循環)放電蓄電池(鉛鈣) 以及逆轉變流器(inverter直流轉變為交流)合稱為：太陽能電力系統,又稱：太陽能發電站.

一般太陽能光電商品,其太陽能輸出電流如果在300毫安(mA)以下時,都只會在太陽能板正極輸出端,接裝一個負載極微小的防逆二極體 (schottky diode消基二極體)以防止蓄電池內的電流逆流回到太陽能板,如此就可以接上蓄電池使用.

太陽能板的規格除了外形尺寸之外,另有一些特性數據,其中 Voc=開路電壓, Isc=短路電流, Vmp(Vop)=最大工作電壓, Imp(Iop)= 最大工作電流, Vmp x Imp= W瓦 / (最大)功率.在太陽能商品說明書上所看到的數據均以" 國際通用標準光源條件 " : 100mW / cm2(即夏季無雲晴天中午的照度12萬LUX) 及攝氏溫度25度,為測試條件(各地氣候不同,一天中符合如此條件的機會很少, 台北1年365天中也沒幾天符合這樣子的環境條件).所以實際上的應用數據是達不到商品型錄上所號稱那麼高的.

太陽能電池的功能係以其轉換效率作為分等, 以單結晶矽來說: 商業級 (印刷式) 晶片從11% ~16%, 特殊定製品從17% ~20%, 太空級 (蒸鍍式) 晶片從16%~24%, 當然效率愈高其價格就愈貴,較高效率的晶片要預付款排隊訂購但不一定買得到, 在澳洲1996年世界太陽能車競賽前,Honda就將效率達24%的晶片全部契約買斷,而21%~23%也被其他集團高價包下,當時地面用太空級晶片只有效率17% ~20%的晶片較有機會買得到,但要預約排到6 ~10個月之後.

值得一提的是：經過幾年來世界太陽能車3000公里競賽的經驗,發現唯有太空式晶片,才能經得起長途跋涉的顛簸震動(焊接點不易脫落),這就是以焊接來說:蒸鍍式晶片與印刷式晶片在移動環境(車用)使用下的效果差異. 換句話說:固定式(靜止)的太陽能電池模組,可以採用較便宜的印刷式晶片. 但以當今現有的焊接科技而言,在移動(震動)的環境下使用太陽能電池時,目前還是以太空級(蒸鍍式)的太陽能電池較為持久可靠.

由於太陽能電池的應用,大多要與充電電池配合,所以對一般蓄電池的概念,有基本了解的必要. ----蓄電池概述

貳 . 單晶太陽能電池的生產介紹

拉晶：主原料為二氧化矽, 經純化後(2010年之前,全球僅有少數純化原料廠, 供不應求), 再用拉晶爐成長成晶柱(Ingot).
修角：早期製造太陽能電池的晶柱因無修角, 直接將圓晶柱切片, 所以成品為圓形晶片現在大多先將晶柱修角成近似四方柱形.
切片：用切片機將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),一般切到約0.3~0.4mm的厚度.(2006年以後更薄)
刻蝕:化學刻蝕及拋光成為0.25 ~0.3mm(2006年以後0.20 ~0.24)的薄片(wafer).
清洗：用純水將薄片洗淨.
擴散及銀漿印刷：經由擴散爐處理後,製成N型上層及P型下層, 再將晶片表面及背面分別用銀漿印刷成輸出電路, 一般表面為負極, 背面為正極, 經由摹擬陽光儀作功率檢測及品管分級後,即為商業成品.
蒸鍍：如將表面及背面不經過絲網印刷, 而改採光刻及坩鍋蒸鍍式製造抗反射層與表面的輸出導線, 再加上其他特殊技術, 如此可提高太陽能電池的轉換效率. 但坩鍋的容納有限生產量較少, 蒸鍍耗時生產速度較慢, 其成本及售價將提高許多; 太空式單晶片即採用此法. (製造常規商業級的薄片電阻約0.5 ~3歐姆,有些太空式的薄片電阻需低於0.01歐姆以下---澳洲的馬丁格林電池E大於24%.)

參 . 三種市場上流通的主流太陽能電池

單結晶矽太陽電池
SINGLECRYSTAL

多結晶矽太陽電池
POLYCRYSTAL

非結晶矽太陽電池
AMORPHOUS

許多年前,在美國有一位華裔李姓科學家,採用銅銦亞鹽酸(copper indium diselenide)製成新的太陽能電池, 其轉換效率與結晶矽太陽能電池相當,而價格與重量卻下降了許多.(但是,距上市可能還要一段時間)

另外,德國 ISE 以矽粉製成較低價的："結晶薄膜太陽能電池"

商業市場的明日之星
單晶薄膜太陽能電池 .太陽能電池實用化的最重要的問題,就是要開發出性能與價格比"能量更高的晶片"，實際上太陽能電池成份中參與光電轉換的,僅是半導體表面上幾微米的薄薄一層。目前科學家們已經能成功的利用外延生長技術製成p－n結合，與傳統晶片材料中的p－n結合相比,面積減少了很多倍。用此種p－n結合製作積體電路時可大量減小寄生電容與基片和佈線間的電容，較利於高速化,又組件之間的間隔減少，也利於高密度化,組件之間沒有相互影響，更便於設計和佈置。有了這些特點更加符合大型積體電路的高速度、與高密度的要求。
目前最常用也是最成功的製成技術,是採用熱分解SiH4氣體的氣相沈積法，在藍寶石上沈積得到單晶矽薄膜,拜研究IC業界努力之賜,單晶薄膜太陽能電池搭此便車,將會加快商品化,及早問世.

此外， CIGS坩鍋蒸鍍式的薄膜太陽能電池，近年來發展漸入佳境，可能數年內即可商品化量產推出，唯，『應用的歷史印證』，是其產品行銷上的罩門，因為晶體矽產品已經有25年以上成熟產品的全球歷史印證(長期使用的歷史證明)，CIGS(銅銦鎵硒)卻是個新產品，是否能在大氣環境下耐用20年，尚需要時間考驗來證明。

肆 . 應用實例 : 有太陽能屋. 太陽能燈. 太陽能電廠. 太陽能系統安裝. 太陽能飛機. ...等 .
<--(點圖可放大) * 詳看原始網頁--> solarimpulse
古今結合-----1800年前的古董加上太陽能------ - -> 太陽能龍骨水車
零碳排放-----最佳能源教育典範------ - -> 紐約科學駁船

澳洲太陽能浮島

伍 . 應用入門

如何實際體驗到太陽能一見光就來電的動力呢? 將一片教學晶片(1V 150mA )焊接上一個太陽能專用馬達(0.5V ~6V. 10mA起動)及一個風扇葉片, 再加上您寶貴的創意即可發明一件新產品了. **本產品** 售價NT.160元一組, 太陽能科技島會員特價: 120元 , 加上掛號郵資30元=150元. 劃撥帳號:19034485 戶名:強而青科技開發有限公司.

在做實驗當中如果您串聯兩片晶片,則電力將改變成2V, 150mA 馬達會轉得快一點.如果您串聯四片晶片,則電力會變成4V, 150mA 馬達轉速更快. 這個太陽能專用馬達最高可承受6片晶片,也就是6V. 如果您想在弱光下就能驅動馬達,那就請您改用並聯的方法,兩片並聯也就是 1V, 300mA. 將四片並聯,則為1V, 600mA(0.6A)可以承載較大的扭力. 串、並聯的不同,會影響太陽能發電的效果,等您親自來做實驗,就會明白太陽能電池的應用原理了.

陸 . 應用市場的發展

由於封裝技術,焊接材料與加工方法及晶片上的改良,在1991年太陽能系統的壽命約5到10年.到了1995年則增加到10 ~20年, 而到公元2000年更可延長使用年限到25年以上. 於1995年僅美國市場的太陽能電池銷售額為35億美元.由於石油及環保(全球溫室效應)的問題,以及外交上對落後地區的援助,使得在公元2000年後全球的太陽能電池銷售額成數倍的成長.
到了2005年後,由於德國等環保先進國家新建築法規的因素, 造成太陽能板需求量爆發大增,瞬間市場嚴重缺貨,造成全球太陽能電池產業的蓬勃發展,許多太陽能電池廠的股價,一夕之間衝到最高點. 同時也帶動洞悉商機的傳統製造業轉型,投入太陽能相關商品的開發、應用.
太陽能電池的充電發展:
太陽能電池應用在消費性商品上,大多有充電的問題,過去一般採用鎳氫或鎳鎘乾電池來充電,但是鎳氫乾電池無法抗高溫,鎳鎘乾電池有環保污染的問題. 近年來超級電容發展快速,容量超大,面積反縮小,加上韓國產品價格低廉,因此有部份太陽能產品開始應用超級電容來充電,因而改善了太陽能充電的許多問題:1.充電較快速, 2.壽命長5倍以上, 3.充電溫度範圍較廣, 4.減少太陽能電池用量(可低壓充電).

柒 . 太陽能實驗室

太陽能光電教學(增進學生創造力及研究發明用)實驗室組件:

測試負載用電源供應器：6A,30V,一台.
陽光摹擬器：600W,一組.
逆轉變流器：一組.
實驗用分離式太陽能板：4.5W, 8片.
零件箱：專用中小馬達,小晶片,風扇,焊具,電線,電壓表,電流表.
示範品：太陽能碳纖車、月球車、船、機器人、LED燈.

**以上整組約值台幣48,000.元(含安裝及指導),強而青科技提供.

**另有產業轉型升級用的專業太陽能實驗室,為台幣50萬元(含軟硬體, 及3個月技術轉移).

捌 . 太陽能電力系統

製圖:查丁壬

一.太陽能電力系統在大型應用上一般以"發電站"為主,其設立流程如下:

設立太陽能發電站的立案.
用途及電力容量規模的設定.
設置日期及場所的預定. **以上為企劃 / 以下為執行**
細部設計者的委託確認.
光影模型製作
設置場所的氣象調查.
設置方向及仰角的現場放樣.
列陣配置及基礎結構的設計.
發電量的預估.
周邊器材的配置設計.
總工程費用及完工日期預估.
工程發包.
施工校正.
完工測試.
保養維修技術的轉移.
追蹤記錄.

**備註:

當串聯十片模組以上時,因電壓會高達180V以上,應由專業經驗技術人員安裝,以避免疏失傷亡.

二.太陽能電力系統的種類:

國外大型太陽能電力系統的設立,一般多由能源公司(電力公司或石油公司)出資及裝置, 以相應環保回饋社會,或轉投資.在系統種類上可區分為:
1.獨立蓄電系統: 於白天將太陽光產生的電力經由控制電路,儲存到聯結蓄電池組內,再視需要經由逆轉變流器,將蓄電池內的直流電轉變為交流電,供電器使用.
2.返饋式電力系統: 當用電負載較大時,太陽能電力不足就向電力公司(市電)購買電力,而負載較小或不使用電器時,就可以將多餘的電力賣回給市電.
3.市電併聯系統: 直接將太陽能電力經由市電併聯轉換器(與inverter不儘相同)轉為交流電, 供一般電器使用.一旦太陽能電力不足時,瞬間即跳接到市電,不影響一般電器的正常使用, 而達到節約用市電的目的.(本系統為不使用多數蓄電池的二次電源)

玖 . 教學與顧問

專業顧問
現有中小電器製造業升級.
1. 新增太陽能應用產品開發.
2. 產品上市前專業美化.
3. 太陽能光發電專業 Know-how 技術轉移.

太陽能應用講習會:
一. 太陽能生活應用入門班
      課程大綱
   1.太陽能入門基本概念.
   2.太陽能應用基本原則.
   3.太陽能風扇的操作實習.
   4.太陽能抽水機的操作實習.
   5.改裝太陽能船.
   6.其他太陽能產品介紹.

      魚菜共生 的介紹 (最新生態科技)

二. 太陽能生活應用實習班 ( 入門班後 )
   A. 太陽能陽台魚菜共生的理念與操作實習.
   B. 太陽能呼吸住宅的理念與操作實習.

教育向下扎根的 : 能源教育教材網

拾 . 如何自製非晶太陽能電池

美國加州有一個 Sol Ideas科技開發的網站,以中,英,德,法,日,西班牙等六國語文教大家自製(非結晶)太陽能電池,有興趣者可以到他的網站看一看:
*如何自製太陽能電池--- 1 *
註:高中或國中生請向化學老師請教,在師長指導下,注意實驗安全,不可單獨摸索.本實驗較適合大專化學系程度者操作研究,如有疑問,請以流利的英文向美國原作者查詢.
(因為這一套美國實驗,會長沒親手做過,所以原文中,部份語言不詳的材料--#哇瑪畝栽秧!)

*如何自製太陽能電池--- 2 *

拾壹 . 商業太陽能電池的認知範圍

如欲投資進入太陽能商業市場,必須對以下範圍有一定程度的了解,才能成功.

了解學術原理----就能知道太陽能電池目前可應用的能力範圍.
了解生產製造----就能知道太陽能電池的成本估算及素材選用.
了解加工技巧----就能知道太陽能電池的品質評鑑.
了解市場通路及行情----選擇產品開發的方向與種類.
了解國際同業情報----決定產品的量產與價位的定位.

* * 國際情報摘要 * *

1. 美國國防部與白宮國家安全局合作發展一種太陽能高空飛船，作為長期飄浮在大氣層上方的偵察與通訊平臺。此種飛船可以攜帶重達兩噸的雷達、感應器、無線電通訊設備等在7萬到8萬呎的高空長期飄浮。成本低於一般人造衛星的這種飛船，也和目前美國南部邊界的十一具飄浮空中的雷達平臺不同。五角大廈飛彈防禦署將在2003年元月要求業者提出此一飛船原型設計參加甄選，隨後發包。目前美國陸軍、北美防空司令部與白宮國家安全局都將參與預計耗資5仟萬至一億美元、需要3年完成的此一計劃。美軍已有一系列部署在波多黎各到加州沿岸與地面通訊站相連的空飄雷達，對邊界地區進行偵察.

2. 到德國弗萊堡，走出火車站，就可以看到一個巨大的太陽能電池陣列。該城市還有零排放維多利亞飯店（Zero Emissions Hotel Victoria），這是歐洲第一個完全使用替代能源的飯店，甚至連弗萊堡的足球場也使用太陽能供電。目前已有450多家和環境有關的公司和機構在弗萊堡成立，形成環保太陽城.

3. google位於美國加州 Mountain View 的總部裝置了1百60萬瓦(1.6mw)的太陽能發電陣列-------(西班牙文介紹 www.ison21.es/index.php/2006/10/18/google-apuesta-por-la-energia-solar).