一中英文簡介(Introduction):

太陽能相較於其他能源，是一種較乾淨且對環境汙染較小的永續

能源，但是單純太陽的熱能無法廣泛被利用，透過太陽能電池的

轉換系統，可以將太陽能轉換為電能，電能是比較被廣泛被利用

的能源型態，可以供給給家庭或企業使用。

太陽能電池使太陽能能被以更多種方式去利用，以下就讓我們來

瞭解太陽能電池的原理與相關資訊。

Solar energy is cleaner and less pollution to environment than

any other energy. However, simple solar energy can't be widely

used. Through transfer system, we can transfer solar energy to

electronic energy, which is often used in our daily lives and

provide to family and corporations.

Batteries of solar energy enables solar energy to be used in

many different ways.

Let's understand the theory and relative information of solar

energy batteries in the followings.
　

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二實驗原理(Physics principle):

2-9 氫鈍化處理(Hydrogen Passivation Treatment)

2-10 CZ晶體提拉過程

2-11 Floating Zone Method(FZ)

構成太陽電池的半導體主要是 P型半導 (半導體內加入『硼』 )

體與N 型半導體 ( 半導體內加入『磷』 ) ，將PN 兩型半導體結

合在一起，PN 兩型半導體的接觸面會形成空乏區。

當太陽射入到空乏區時，擁有足夠能量的光子激發矽原子的電子

而產生自由電子與電洞，因為空乏區內電場作用，帶負電的電子

會往N 型半導體移動，帶正電的電洞會往P 型半導體移動，此時

兩型半導體存在電位差，以導線連接時，電子會經由導線跑道P

型半導體，因而產生電流。

2-2 太陽電池的種類及效率

2-3 CIGS薄膜太陽電池的原理

Copper Indium Gallium Diselenide簡稱為 CIGS

薄膜太陽電池中轉換效率最佳者，可使用軟性基板，與矽晶太陽

電池相比，只需極小部份的矽原料，轉換效率可以達到20%，在生

產過程中消耗的能源為傳統矽基太陽電池的一半。

2-4 染料敏化電池的原理

發電原理：

染料敏化電池是第三代太陽能電池，因傳統的矽晶電池需高純

度的矽成本太高,但染料敏化電池是用二氧化鈦製成，二氧化

鈦傳統稱為太白粉是白色油漆的材料，很便宜但二氧化鈦只吸

收紫外線波段的光，無法用可見光所以用染料當收光介質也就

是光敏劑,來吸收可見光。染料分子吸收太陽光能後，使電子

獲得足夠能量從基態變成激發態。

處於激發態的電子不穩定，此不穩定的電子易於被與之緊鄰的

奈米TiO2微晶所吸引，而選擇注入到TiO2內。失去電子的染

料，會從液態電解液中補充電子，以使染料恢復電荷平衡。進

入TiO2的電子，在互相連接的奈米TiO2 微晶網絡中，交互傳

遞導通彙集於透明電極上，最後將透過外部迴路傳遞到另一電

極基板表面的導電層，產生流通的電流。此電流我們稱之為光

電流。

2-5 結晶型態

圖5-14 非晶矽的、多晶矽的、以及單晶矽的三種不同的結晶型態

多晶矽太陽光電池則是以降低成本為優先考量，其次才是效

率。多晶矽太陽光電池降低成本的方式主要有三個，一是純化

的過程沒有將雜質完全去除，二是使用較快速的方式讓矽結

晶，三是避免切片造成的浪費。多晶矽太陽光電池結晶構造較

差主要的原因有兩個，一是本身含有雜質，二是矽在結晶的時

候速度較快，矽原子沒有足夠的時間形成單一晶格而形成許多

結晶顆粒。如果結晶顆粒越大則效率與單晶矽太陽光電池越接

近，結晶顆粒越小則效率越差。效率差的原因是顆粒與顆粒之

間存在著結晶邊界，結晶邊界存在許多的懸浮鍵，懸浮鍵會與

自由電子復合而使電流減少，而且結晶邊界的矽原子鍵結情況

較差，容易受紫外線破壞而產生更多的懸浮鍵。隨著使用時間

的增加，懸浮鍵的數目也會隨著增加，光電轉換效率因而逐漸

衰退；此外雜質多半聚集在結晶邊界，雜質的存在會使自由電

子與電洞不容易移動。結晶邊界的存在使得多晶矽太陽光電池

的效率低，懸浮鍵的增加使得光電轉換效率衰退。種類有塊

狀、薄膜狀、以及球狀等三種。

2-6 在薄膜狀太陽能電池的結構上差異：

單一接面式的，如圖5-6(a)所示
　

雙重接面式的，如圖5-6(b)所示
　

多重接面式的或堆疊式的，如圖5-6(c)所示

圖5-6 單一接面式的 (a)、雙重接面式的 (b)、以及多重接面式的 (c) 結構示意圖

2-7 多晶矽薄膜型太陽能電池的製程技術

球狀

圖5-7 代表性球狀矽太陽能電池的實體以及用於光學模擬計算的解剖體

2-8 製程

2-9 氫鈍化處理(Hydrogen Passivation Treatment):

在球狀矽太陽能電池之內，所存在缺陷、晶界、雙晶、以及差排

的分佈，可以經由射頻氫氣電漿處理，使得接面區域的懸吊鍵結

失去活性化而產生鈍化效應，此種方式稱之。

一般氫鈍化處理的製程條件，是1.5 Torr氣壓、125 mWatt/cm2

射頻功率密度、以及400℃，進行兩個小時的氫電漿化處理。

一般球狀矽太陽能電池的製作流程

製造時讓矽以點滴的方式落下形成球狀的快速凝固。球形矽太陽

能電池的矽使用量只有多晶矽太陽能電池的1/5-1/7。

(目前的轉換效率約11.7%)

上圖為Solarfan採用了四塊聚光型球形矽太陽能電池板,可以通過

USB接口為數位產品進行充電,在陽光下準備10分鐘可以為手機充

入約進行3分鐘通話的電量。售價都為22050日元

2-10 CZ晶體提拉過程:

2-11 Floating Zone Method(FZ):

懸浮帶區法(FZ法)

‧

‧1.因CZ法缺點，乃因坩鍋內的氧原子會滲入單晶錠長晶過程中。

‧2.FZ法可以生產含氧量非常低的單晶錠。

‧3.先以模子鑄出含摻雜物多晶矽棒。

‧4.種晶被熔融並接合於棒的下端。

‧5.射頻(RF)加熱線圈沿軸向上移動，多晶棒熔融，原子排成種晶方向。

‧6.缺點:

–無法生成大直徑晶錠。

–差排(dislocation)密度較高。

‧7.生成的晶錠以製造:

–功率晶體(thyristor) 。

–大功率整流元件(rectifier) 等為主要目的。

2-12集熱發電系統:

集熱發電系統-由於太陽光輻射的能流密度低,為了得到足夠的能量,通常必須採用集熱器,來採集太陽能

A.塔式集熱系統:
在中央吸收塔的四周佈滿數千片的反射鏡子,自動追蹤太陽,將反射光投射到吸收塔的集熱裝置

B.改良式塔式集熱裝置:
把塔頂的集熱裝置改成拋物鏡,再將陽光向下反射讓光源更集中

C. 拋物線槽式聚焦系統:
主要是利用拋物線彎曲鏡面,能夠以大於80倍的聚焦比率,將輻射聚焦到管狀的接收器上

D. 碟式系統:
和塔式集熱系統差不多,只是將地面上反射的平面鏡改成拋物面反射鏡

2-13光觸媒:

光觸媒反應」的原理如圖一所示,光子具有一定能量，當照射到某些物質上（如半導體），原子的電子吸收一定的能量後，便會從價帶躍升到導帶，原本電子存在的地方就會出現一個帶正電的電洞，電洞會將附近水分子游離出的氫氧基(OH-)氧化(即奪取其電子），使其成為活性極大的氫氧自由基H2O ↔ H+ + OH−；氫氧自由基一旦遇上有機物質，便會將電子奪回，有機物分子因鍵結的潰散而分崩離析。一般的污染物或病源體多半是碳水化合物，分解後大部份會變成無害的水及二氧化碳，因此可以達到除污及滅菌的目標。

2-14太陽能製氫:

氫氣為很乾淨的能源，有一種方法為光生物製氫法
生物光解制氫步驟：光合作用和利用氫化酶比如綠藻和藍綠藻催化制氫
另外的選擇是利用人工光合作用來完成這兩步。
光合作用： 2H₂O → 4H⁺ + 4e^- + O₂
產氫： 4H⁺;+ 4e^-→ 2H₂;

另一種為光電解水製氫
可通過光電池產生電力或通過電解池產生氫。水光解的過程就是利用光直接將水分解為氫氣和氧氣。至今轉換效率可達15%

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三演示項目(Demonstration of Experiments):

請勿在家自行做危險的實驗(Please do not do the dangerous experiment in your house)

將四驅車電池座拆除後，以太陽能電池作為動力來源，並用少許

的保麗龍方塊墊高太陽能板並且固定。當太陽光直射時，車子將

會跑動，當太陽光斜射時，車子動力將會有明顯落差，藉由固定

角度斜放太陽能電池的設計演示光照角度對於發電量的影響。

實驗材料：

太陽能電池４Ｖｘ２

玩具四驅車

玩具馬達

保麗龍方塊

製作步驟：

1.確定太陽能電池與馬達工作效率:

首先我們應該先確定手上的玩具馬達工作電壓數值，因此才能尋

找能夠供應足夠電壓給馬達的太陽能板。（小提示：我們可以利

用串聯並聯的技巧達到足夠的電壓以及電流。)

2.完成接線，並檢查接線：

接著就可以將太陽能電池以及馬達接上並查看是否接好且符合接

線原理。

3.固定太陽能板:

剪裁保麗龍方塊，堆疊滿意的高度後用膠帶將之纏繞並繞過車底

盤加強固定。(這個步驟你可以調整自己喜歡的太陽能板擺放角

度)

4.完成:

安裝太陽能電池，用透明膠帶固定並纏繞過車底盤，大功告成。

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四相關影片連結:

太陽能板原理　

太陽能板製造　

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五歷年演示影片:

2014中山物理演示實驗能源物理-太陽能電池(中文)

2014中山物理演示實驗能源物理-太陽能電池(英文)

2013中山物理演示實驗能源物理-太陽能電池(中文)

2013中山物理演示實驗能源物理-太陽能電池(英文)

2012中山物理演示實驗能源物理-太陽能電池(中文)

2012中山物理演示實驗能源物理-太陽能電池(英文)

2011中山物理演示實驗能源物理-太陽能電池(中文)

http://www.youtube.com/v/CR39wXrE6ww?version=3

2011中山物理演示實驗能源物理-太陽能電池(英文)

http://www.youtube.com/v/9dEfMSad3cA?version=3

2010中山物理演示實驗能源物理-太陽能電池

http://www.youtube.com/v/DsbIbwX_bS8?version=3
2009中山物理演示實驗能源物理-太陽能電池
http://www.youtube.com/v/vYC8lK5FsDY?version=3
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六家中小實驗(DIY Experiment):

請勿在家自行做危險的實驗(Please do not do the dangerous experiment in your house)　

除了上述的玩具太陽能車外，同學們不妨想一想還有哪些原本使

用電池作為電力來源的電器，也可以用太陽能電池驅動呢？

比如說掌上型的風扇

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七新鮮人創意實驗:

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八問題與討論(Questions and discussions):

1. 目前太陽能電池在生活中的應用?

2. 太陽能電池的主要原料?

3. 何為P型半導體，N型半導體?

4. 太陽射入到P-N鍵結時，電子和電動會分別往哪種半導體移動?

5. 單晶矽和多晶矽哪種太陽能電池發電效率較低?

6. 同上題，為什麼?

7. 太陽能電池所產生電流為A.C 或D.C?

8. 太陽能電池發電是根據愛因斯坦的什麼效應?

9. 目前太陽能電池主要以哪兩種為主?

10.太陽能電池須照射多久才能發電?

11.製作太陽能車需要注意什麼?

12.你可以說太陽能板是0汙染的產業嗎?

13.(同上題)為什麼你這麼說?

14.太陽能板相對於其他能源的競爭優勢?

15.試想一種電器適合太陽能板應用?

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九相關英文字彙(English Vocabulary):

1.Panels 面板

2.Photovoltaic 太陽能

3.Module 模組

4.Crystalline 結晶

5.Silicon 矽

6.glisten 閃光

7.soldering 焊接

8.ultrasound 超音波

9.assembled 組裝

10.dexterity 靈巧

11.voltmeter 電壓表

12.verified 驗證

13.metallic 金屬

14.strip 地帶

15.transparency 透明

16.sheets 張

17.rigidity 剛性

18.sealing 密封

19.laminate 層壓板

20.vacuumed 真空

21.hermetically 密封

22.simulators 模擬器

23.amorphous 無定形

24.illumination 照明

25.components 元件

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十參考資料(References):

10-1 相關普物課本章節:

Halliday:Principle of Physics (9th edition)

CH:38 Photoelectric effect photons and matter waves

相關普化課本章節:

Zumdahl:International Student Edition(Eight Edition)

CH7:Atomic Structure and Periodicity

10-2 歷年看板:

10-3 歷年選票:

十一其他(Others):

	多晶矽太陽能	單晶矽太陽能
價格	低	高
用途	家用太陽能發電	太空
顏色	不一定	多為藍色
轉換效率	低	高
切割	難	易
產量	超越單晶矽	被多晶矽超越
製作方式	簡單(熔融的矽鑄造固化製成)	難(柴氏長晶法)
優點	不須使用CZ或FZ法，故較單晶矽便宜約20%	發電力與電壓範圍廣，轉換效率高，使用年限長(一般保證可達20-25 年)
缺點	效率低	製作成本較高 , 及製作時間冗長
市售轉換效率	10~18%	12~20%

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十二中山大學相關研究:

訪問對像：中山大學物理系博士班張菁文學姊

問：請問學姊研究的太陽能電池與一般市售的有什麼不同？

答：現在目前市售的太陽能，但板都是用Si當作原料我們實驗室的主要發展是利用氮化物，因為Si的發展已經趨近理論極限，且Si為間接能隙，而氮化物為直接能隙，直接能隙可以減少我們轉換過程所損耗的能量，又氮化物的吸收係數大，其吸收係數會因不同波長而有不同的吸收係數，意指能吸收光波長的程度，而氮化物的吸收係數大，理所當然能吸收更多的光。氮化物是我們原料的部分，另外我們的結構也有所不同，現在的太陽能板都是利用薄膜製程，而我們的研究目標是想在基板上以奈米柱的型式養成，然後在放上一層ITG(透明導電膜)，這樣不但能增加收收光的面積，也希望能在奈米柱之間做反射，而不是反射出來。

問：請問學姊在發展太陽能電池中遇到最大的問題是什麼？

答：原料部分，因為之前都是利用GaInP2/GaAs/Ge當原料，其3.5族具有抗輻射性佳的特性，可以將太陽能電池做成聚光型，但以我所知目前效率也只有3.03%，而我們採用的GaN/InN/InGaN效率更低。另外可能會造成效率低是因為磊晶不佳，有太多缺陷，以薄膜為例，在養晶的過程中會出現許多線缺陷，但我們發現當我們做成奈米柱，其寬度小於100奈米，線缺陷的現象就會消失，但也因為接觸面積增加，導致面缺陷的地方也增加，另外我們在奈米柱上面放上電極時，奈米柱彼此可能會相連而導通，這樣就失去功能了。

問：市售的太陽能電池有許多規格，那我們在製程時如何去控制它的輸出電壓？

答：電壓的不同是因為太陽能電池的材料不同，其產生的能隙就會不同，另外因為吸收係數不同，所以在接收不同光波長時，其太陽能電池的端電壓也會不同。而我們市售的太陽能電池規格都是已太陽輻射光譜做為基準，其中又分為AM1.5D與AM1.5G。其AM1.5D為在美國直接照射下的結果，因為美國現在最大所以以美國為標準，而AM1.5G是在陽光直接照射下又加上地表反射的輻射結果，其實我們通常都是用AM1.5G居多。

自行補充：

Q.什麼是AM1.5？

A.AM1.5指的是目前被慣以使用的太陽光譜制度。當太陽照射到地球表面時，由於大氣層和地表景物的散射與折射的因素，會多增加百分之二十的太陽光入射量，抵達地表上所使用的太陽電池表面，其中這些能量稱之為擴散部份。因此針對地表上的太陽光譜能量有AM1.5G(global)與AM1.5D(direct)之分，其中AM1.5G即是有包含擴散部分的太陽光能量，而AM1.5D則沒有。

Q.什麼是串聯式(多層次)有機太陽能電池？

A.因為不同的材質在對於太陽光譜都有不同的吸收係數，我們利用這個特性，選擇吸收特性互補的材料，當作串聯式太陽能電池的兩個主動層(又稱吸收層)物質，而電池可透過中間層串聯起來。而奈米柱的結構亦可在中間加入一個吸收係數較大的材質當作主動層(i層)。而這種串聯式太陽電池具有兩大優點，第一，因為它是將兩個獨立太陽電池串聯起來，其開路電壓大約等於兩太陽電池的電壓相加，電壓提高可以提高電池的功率。第二，因為為兩種不同的材質串聯而成，其兩者的吸收係數不同，能吸收的太陽光波長就不同，而能增加我們接收的光波長範圍，所以可以做成更有效的吸收，提高效率。在未來的發展上，因目前市售的的太陽電池多為矽晶圓式太陽電池，雖然技術成熟轉算效率高，但成本高、不可撓、質量重、容易碎、不耐撞等，使技術上已到達極限，但可撓式太陽電池的特性剛好彌補矽晶圓式的缺點，成本低、可撓、質量輕、不易碎等，所以現在的研究方向多以可撓式太陽電池為主。

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年度	小組組成
2016	08級陳彥廷 08級陳昱豪 09級任成允
2015	07級陳品全 08級項之悅 08級陳柏宏
2014	06級蔡霆 06級張皓淯 07級陳亭宇 07級
2013	05級林麟傑 05級梁爾介 06級李孟展 06級余俊霖
2012	04級黃文亮 04級王靖仁 05級陳立揚 05級李偉豪 05級李冠翰
2011	03級莊博仁 05級林季萱 04級王家祥 04級曹俞慶
2010	02級盧富鵬 02級曾致堯 02級劉冠廷 03級林家齊 03級林忠佑
2009	01級洪健珉 01級林建宏 02級林子評 02級盧富鵬