[量子效率、模擬器IV量測入門] 一看就懂的太陽能電池基礎原理

[量子效率、模擬器IV量測入門]一看就懂的太陽能電池基礎原理

何謂太陽能電池?

太陽能電池是一種器件,可吸收太陽光透過光生伏打效應(Photovoltaic)將光能轉換成電能。
利用半導體的二極管結構,將P型半導體與N型半導體接合形成PN結的設計,可以有效地吸收太陽光以產生電流與電壓。


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圖一、P型與N型半導體接合後形成PN結與其能階示意圖。


太陽能電池工作原理
太陽能電池的運作大致可分為四個過程

1.吸收光子(Absorption)

光子能量大於材料帶隙即能激發半導體材料,以本徵吸收(Intrinsic absorption)、外在吸收(Extrinsic absorption)、自由載子吸收(Free carrier absorption)等過程來吸收光子能量。

2.光生載流子(Photocarrier Generation)

半導體材料吸收光子後會產生電子-空穴對,此過程成為光生載流子過程。

3.電荷傳輸(Transport)

電子-空穴對若在PN結中的空乏區(Depletion region)產生,會受到PN結的內部電場拆解成電子與空穴,受到電場的驅動(Drift)而向兩端的正負電極移動;若在P型半導體或是N型半導體的本徵區(Intrinsic region),電子-空穴對會以擴散(Diffusion)的型式傳輸,到達空乏區後再被空乏區電場拆解成電子與空穴,再由電場驅動到兩端電極。

4.電荷收集(Collection)

當電子或空穴到達了電極附近的金屬-半導體接面時,再傳輸到外部電極過程。


圖二、太陽能電池的運作過程-能階圖示意圖。


太陽能電池材料對於不同能量的光子有不同的吸收特性。波長較短的光子具有較高的能量如UV光,再入射到電池後,立即就能激發半導體材料產生光生載子;波長較長的光子能量較低如IR近紅外光,具有較長的穿透深度,一般會穿透到較深層的材料而被吸收產生光生載子。而中間波長的光子一般會在PN結的空乏區被吸收。因為空乏區內部電場具有強大的作用力,可以立即將電子-空穴對拆解成自由的電子-空穴,並利用電場的電動勢將電荷傳導到金-半接面,因此具有較高的轉換效率。


▲圖三、不同波長能量的光子具有不同穿透深度與被吸收的區域。在空乏區被吸收形成光生載子,被PN結內部電場拆解後,被電場驅動往正負電極;而在本徵區域形成的光生載子,會先以擴散漂移的方式,移動到PN結後被拆解,形成自由電子與空穴再傳輸。電荷累積在金-半接面,形成光伏效應(Photovoltaic)。


太陽能電池電流-電壓曲線特性
在我們介紹太陽能電池電流-電壓曲線前,我們先了解兩個太陽能電池最簡單與最常用的狀態:短路與開路。
短路條件:當太陽能電池照光後,將電池的正、負極直接連接,使得外部負載R_L=0,成為短路狀態。此時,電池兩端電壓V_(a )=I∙R_L,只有電流流過太陽能電池,為短路電流 I_sc(Short-Circuit Current)
開路條件:當太陽能電池照光後,使用一個無窮大外部負載R_L=∞(最常見就是電池兩端不接任何東西),此時流過太陽能電池的電流 I_out=0,太陽太陽能電池輸出的電壓最大,稱為開路電壓V_oc (Open-Circuit Voltage)

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圖四、太陽能電池短路電流與開路電壓等效電路示意圖。

太陽能電池的I-V電流電壓曲線:

短路條件與開路條件給我們一個概念:改變太陽能電池外部的阻抗,就能改變太陽能電池輸出的電流與電壓特性。想像我們在電池正負兩端掛上一個可變電阻RL,改變這個電阻大小我們就能控制電池輸出電流。RL=0時,電池兩端電壓沒有電壓呈短路現象,輸出電流最大,稱為短路電流Isc。RL=∞ 時,電池兩端因為阻抗太大,沒有電流可以流出,因此,能量聚集在電池的正負兩端形成電壓,稱為開路電壓Voc。在RL=0~∞間不斷變化,每一個RL值就會在電池兩端產生一個電壓Va,迴路上也就有一個電流Iout=Va/RL,如圖五,就能畫出一條連續的電流與電壓(I-V)曲線。在這條I-V曲線上任一點對應的電流I與電壓V的乘積就是輸出的電功率 Pmax=I∙V。因此,我們改變外部輸出的阻抗,可以不斷的改變輸出的功率,其中最大的輸出功率稱為最大功率點Pmax,對應的電流定義為Imax,電壓定義為Vmax

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圖五、太陽能電池電流-電壓I-V曲線圖。


對於短路電流、開路電壓、最大功率點有所了解後,我們接著介紹評價一個太陽能電池好壞的其他幾個重要參數。

轉換效率PCE:PCE (Power Conversion Efficiency)是太陽能電池將光能轉換成電能的能力。
Pmax為最大功率,E為輸入的光能量。由公式可知,若E的值不同,計算出來的PCE就會不同。在赤道的光強度與在北極的光強度確實是不相同的,到底我們該以何地的光強度來做為轉換效率計算的標準呢?這個問題,國際上都有體認並有共識,以訂定共同依循的國際規範,如IEC 60904系列規範來解決這些的問題。其中在地表用的太陽能電池轉換效率是以AM1.5G的太陽光強度1000 W/m2 (100 mW/cm2)來做為評價的標準。
填充因子FF (Fill-Factor)
研發、生產太陽能電池最大的目的就是要將光能轉電能來做功,依照功率P的定義,在短路(Vout = 0) 或是開路條件(Iout = 0)下,太陽能電池的輸出功率均為零。因此,在實際應用上,太陽能電池是無法操作在輸出為零的條件下。必須要操作在最大功率點,才能產生最大功效。理想上,太陽能電池若是可以操作在Imax=Isc, Vmax=Voc上,Pmax=Isc•Voc是太陽能電池理論上最高可以產生的輸出功率。但因為結構設計、工藝條件等因素,電池無法達到這樣的輸出功率,因此,我們定義了填充因子FF


Imax=Isc, Vmax=Voc時,FF=100%
藉由FF的數值,我們可以很快的量化了解這個太陽能電池的特性好壞,作為改進或是比較優劣的依據。


相關連結:AM1.5GAM1.5D

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標準電池 QE-R SS-F5-3A