影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法

影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法【 摘要 】 ：影响天阳能电池转换效率的因素，主要可规划为制作电池的材料，太阳能电池的制程，太阳能电池的表面处理以及太阳光板的角度处理。【关键字】 ：太阳能电池转换效率 材料 制程 表面处理 太阳光板角度。一、 影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法1. 材料1.1 厚度半导体芯片受光过程中， 带正电的电洞往 p 型区移动， 带负电的电子往 N型区移动；受光后，电池若接有负载，则负电子由 N区负电极流出负电再由 P 区正电极流入形成一太阳能电池。 ( 图一 ) 图一 ( 受光后的太阳能电池 ) 依据此原理我们可以知道，太阳能电池愈薄，电子、电洞的移动路径愈短。2 . 制程2.1 电池与接线的电阻电池与接线间的电阻对太阳能电池转换效率的高低影响十分显著。尤其太阳能电池模块是由多个电池串联而成，因此接点电阻影响甚巨。 ( 表一 ) 表 一 、 硅 晶 电 池 之 光 电 转 换 效 率 ( 资 料 来 源 ： 太 阳 光 电 实 验 室 ：http://diau08.ac.nctu.edu.tw) 电池元件光电转换效率 电池模块光电转换效率( 一 ) 单晶硅 24-30 % 10-15 % ( 二 ) 多晶硅 18-21 % 9-12 % ( 三 ) 非晶硅薄膜 13 % 7 % 因此，可在采用模块设计时改进横向布线及电池极板等布线结构，以降低电阻。并透过缩小电池单元间隔、加大电池单元的排列密度，提高模块的转换效率。此外，也可将金属电极埋入基板中，以减少串联电阻。 ( 图二 ) 图二 ( 图片来源：益通光能 )( 注五 ) 2.2 串叠型电池将太阳电池制成串叠型电池 (tandem cell) 。把两个或两个以上的元件堆栈起来， 能够吸收较高能量光谱的电池放在上层，吸收较低能量光谱的电池放在下层，透过不同材料的电池将光子的能量层层吸收，减少光能的浪费并获得比原来更多的光能。3. 表面处理 ( 影响可用之阳光量 ) 3.1 抗反射层在太阳能电池的表面，会镀上一层抗反射层，主要的作用在于让太阳能吸收的过程当中，仅少量的反射造成光能流失。抗反射层做得越好，所能运用的光能自然更多，这也是太阳能电池的制造关键。抗反射膜的意思就是在基板上镀上一层比基板低折射率的材质，太阳能电池所采用的抗反射膜材质不尽相同，如果能发展出最适合的材质，在太阳能电池转换效率的提升上必是一大进步。3.2 表面粗化处理将表面制成金字塔型的组织 (Pyramid Texture) 结构，可增加表面积，吸收更多太阳光。3.3 电极形状将不透光的金属电极作成手指状 (finger)( 图三 ) 或是网状，经过层层反射，可使大部分的入射阳光都能进入半导体材料中。图三 ( 图片来源：益通光能 ) 4. 太阳光版角度4.1 固定式太阳能光电版不当的装设太阳能光电板会让光电板的日照效益事倍功半，由于所处纬度的不同，太阳照射角度不同，因此太阳能光电板的架设角度也会影响到光电板吸收阳光的效益。若是处于赤道上，光电板须平放在水平面上的日照效益最高，而台湾位于北回归线上，纬度为北纬 23.5 度。加上白天太阳由东方升起后，行进的轨道会在台湾的南方，所以架设太阳能光电板将板面朝南并将仰角设定为 23.5 度，将可以得到最大的日照效益。另外要注意的是，在架设太阳光电板的场地周围，须避免建筑物、植物或其他可能会遮蔽太阳光照射太阳能光电板的遮蔽物，以利太阳能光电板可以完全接收太阳光达到最大的发电效益。4.2 转动式太阳能光电版太阳日出日落，太阳能光电板在一天中每个时段所能接收的最大太阳光因而不同，无法保持在最大值，因此有人设计出随着太阳的方向、角度而转动的太阳能光电版，比固定式太阳能光电板更能接收最多的太阳光，达到最大的发电效益。二、 实例1. 表面结构组织化与抗反射层德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。并在表面把一 13nm 厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合。在电镀过程中增加栅极的宽度和高度的比率，制得的电池转化效率超过23%，最大值可达 23． 3％。2. 奈米技术与太阳能电池结合2004 年新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室研究人员利用奈米技术对太阳能板的线性效率产生了一项重大突破，入射能量转换成电力的高水平从 32 %提升到 60 %。传统太阳能电池吸收光子，每一光子被分开进入到电子及质子，所剩余的振动能量会生成热。洛斯阿拉莫斯所发展的太阳电池是用铅 - 硒奈米晶体做成，具有特殊的效应，称为撞击游离化 (impact ionization) ，照射到电池上的每一个光子会生成两个或三个电子3. 非晶硅钝化技术和 n型沉底HIT 电池技术主要为日本三洋公司所有，通过充分利用非晶硅钝化技术和 n型沉底的优越性，其 HIT电池商业转换效率可以达到 19.5%。4. 全背电极澳大利亚 SunPower 公司利用全背电极提高电池正面光利用率， 其位于菲律宾的生产线商业化电池转换效率已达到 19.9%。5. 深槽电极深槽电极电池也是为了增加吸收光的表面积而设计，在此方面新南威尔士大学和北京太阳能研究所的转换效率分别为 19.8%和 18.6%。6. 香港汇丰银行 -- 太阳自动追踪方式采光装置将信息处里完毕交由 CRT 显示并计算出导光版需要的角度，再将该因应的动作透过传送控制传回智慧末端处里后，由采光装置控制器具发出动作调整角度以让阳光透过导光版被折射进入室内控制型态。( 资料来源： :Shopia and Stefan Berhling ,2000 Solar power: The evolution of sustainable Architecture. Munich: Prestel) 三、讨论1 太阳能电池转换效率表 ( 自制 ) ( 单位： %) 理论极限效率 实验室最高效率产量最高效率 产量最高效率( 模块 ) 单晶硅 29 24.7 17-18 15-17 多晶硅 24 20.3 16-17 14-16 由表中数据可以看出，不论是单晶硅或多晶硅，在量产的效率上都还有相当幅度的进步空间。2 2.1 薄型加工目前世界各大厂商皆致力于减低太阳能电池的厚度， 如夏普在 1997 年所产出的太阳能电池模块的厚度约为 380μ m，到了 2005年就能将 Cell 的厚度减少到 180μ m，将来夏普期望降低到 100μ m。虽然厚度对转换效率的影响是相对小的，然而重要的是，太阳能电池的厚度越小，成本的消耗越少，也意味着太阳能电池模块的成本能够下降，同样的硅材所能产生的太阳能电池增加。2.2 串叠型电池串叠型电池把不同能硅的材料组合在一起，提高可吸收的光能，此外，由于非晶硅的能隙为 1.7eV，材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了非晶硅太阳能电池的转换效率，使用串叠型太阳能电池也能解决此一问题。2.3 表面处理尝试各种表面处理无非是为了将反射逸失的太阳光能减到最低，许多方法业界也以行之有年，若结合串叠型电池，不仅增加适合的能隙范围，更能减缓光致衰退 S─ W 效应。结论要判别一个太阳电池性能的好坏，最重要的就是转换效率，目前实验室所制造出的太阳电池，其转换效率几乎可以达到最佳的水平，只可惜他们的制造过程多半过于复杂，量产不易；且实验室是在最佳条件之下制造太阳电池，实际量产则须考量许多不可抗拒因素。而要如何制造才能提升太阳电池的转换效率，一直是学术界努力的目标。主要的做法有：减少太阳能电池的厚度、降低电池与接线的电阻以提高模块的转换效率、将太阳电池制成串叠型电池 (tandem cell) 、抗反射层技术的提升、电池外型的改变 ( 如表面粗化处理、电极形状 ) 以增加阳光入射量、太阳光版的角度调整等。然而，在研究过程中发现，许多影响太阳能电池转换效率的因素与改善方法中，理论和实际运用上会有不小的冲突 ( 如：太阳能电池的薄度在制造上的困难 ) ，所以不难看出，在太阳能电池效率的提升上仍须仰赖更密切的产学合作，商讨能够达到最佳经济效益，并且有效提升太阳能电池转换效率的方法。参考资料注一、太阳光电实验室： http://diau08.ac.nctu.edu.tw 注二、哈尔滨晨怡热管技术公司：http://www.hhmz.net/news/11/2005-11-29_0221726769.html 注三、绿色能源与环保：http://www.ds.mlc.edu.tw/ec-ds/09/f005.files/frame.htm#slide0019.htm 注四、益通光能： http://www.e-tonsolar.com/company.htm 注五、 Shopia and Stefan Berhling ,2000 Solar power: The evolution of sustainable Architecture. Munich: Prestel