1、太陽(yáng)能電池發(fā)電原理與實(shí)驗(yàn)壹、 相關(guān)知識(shí)1、 什麼是太陽(yáng)能電池？太陽(yáng)能電池與一般的電池不同。太陽(yáng)能電池是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，且不需要透過電解質(zhì)來傳遞導(dǎo)電離子，而是改採(cǎi)半導(dǎo)體產(chǎn)生 PN 結(jié)來獲得電位。在光-電轉(zhuǎn)換的過程中，事實(shí)上，並非所有的入射光譜都能被太陽(yáng)電池所吸收，並完全轉(zhuǎn)成電流。有一半左右的光譜因能量太低(小於半導(dǎo)體的能隙)，對(duì)電池的輸出沒有貢獻(xiàn)，而再另一半被吸收的光子中，除了產(chǎn)生電子-電洞對(duì)所需的能量外，約有一半左右的能量以熱的形式釋放掉，所以單一電池的最高效率約在25%左右，目前實(shí)驗(yàn)室所發(fā)出來的效率，幾乎可達(dá)到理論值的最高水準(zhǔn)。唯因製造過程複雜量產(chǎn)不易，因此價(jià)格普遍過高，不符合經(jīng)濟(jì)

2、效益。這也是目前太陽(yáng)電池發(fā)展最大的瓶頸。2、太陽(yáng)能電池發(fā)電原理太陽(yáng)能電池與一般的電池不同。太陽(yáng)能電池是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，且不需要透過電解質(zhì)來傳遞導(dǎo)電離子，而是改採(cǎi)半導(dǎo)體產(chǎn)生 PN 結(jié)來獲得電位。當(dāng)半導(dǎo)體受到太陽(yáng)光的照射時(shí)，大量的自由電子伴隨而生，而此電子的移動(dòng)又產(chǎn)生了電流，也就是在 PN 結(jié)處產(chǎn)生電位差。因此，太陽(yáng)能電池需要陽(yáng)光才能運(yùn)作，所以大多是將太陽(yáng)能電池與蓄電池串聯(lián)，將有陽(yáng)光時(shí)所產(chǎn)生的電能先行儲(chǔ)存，以供無陽(yáng)光時(shí)放電使用。讓我們用構(gòu)造最簡(jiǎn)單的單晶矽(single crystal silicon)太陽(yáng)能電池，來說明太陽(yáng)能電池的光起電力原理。首先由材料方面談起，矽是現(xiàn)在各種半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中

3、最重要，而且使用最廣泛的電子材料，原料取得很容易，成本也比較低。矽(Si)的原子序是 14，晶體是鑽石結(jié)構(gòu)，在它的外層電子軌域上，有 4 個(gè)電子環(huán)繞原子核運(yùn)行，而這 4 個(gè)電子又稱為價(jià)電子。每個(gè)矽的 4 個(gè)外層電子，分別和 4 個(gè)鄰近矽原子中的一個(gè)外層電子兩兩成對(duì)，形成共價(jià)鍵。N 型半導(dǎo)體：如果在純矽中摻入擁有 5 個(gè)價(jià)電子的原子，例如磷(P)原子，這個(gè)雜質(zhì)原子會(huì)取代矽原子的位置。但是，當(dāng)擁有 5 個(gè)價(jià)電子的磷原子和鄰近的矽原子形成共價(jià)鍵的時(shí)候，會(huì)多出 1 個(gè)自由電子，這個(gè)自由電子是一個(gè)帶負(fù)電的載子。我們把這個(gè)提供自由電子的雜質(zhì)原子稱為施體(donor)，而摻雜施體的半導(dǎo)體就稱為 N 型半導(dǎo)體

4、。P 型半導(dǎo)體：同樣地，如果在純矽中摻入三價(jià)的原子，例如硼原子，這個(gè)三價(jià)的雜質(zhì)原子會(huì)取代矽原子的位置。但因?yàn)榕鹪又豢梢蕴峁?3 個(gè)價(jià)電子和鄰近的矽原子形成共價(jià)鍵，因此會(huì)在硼原子的周圍產(chǎn)生 1 個(gè)空缺，這個(gè)空缺就被稱作電洞，這電洞可以當(dāng)成一個(gè)帶正電的載子(carrier)。通常，我們把這一個(gè)提供電洞的雜質(zhì)原子稱作受體(acceptor)，同時(shí)把摻雜受體的半導(dǎo)體稱為 P 型半導(dǎo)體。當(dāng) P 型及 N 型半導(dǎo)體互相接觸時(shí)，N 型半導(dǎo)體內(nèi)的電子會(huì)湧入 P 型半導(dǎo)體中，以填補(bǔ)其內(nèi)的電洞。在 P-N 接面附近，因電子電洞的結(jié)合形成一個(gè)載子空乏區(qū)(depletion region)，而 P 型及 N 型半導(dǎo)

5、體中也因而分別帶有負(fù)、正電荷，因此形成一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)( built - in potential )。當(dāng)太陽(yáng)光照射到這 P-N 結(jié)構(gòu)時(shí)，P 型和 N 型半導(dǎo)體因吸收太陽(yáng)光而產(chǎn)生電子電洞對(duì)。由於空乏區(qū)所提供的內(nèi)建電場(chǎng)，可以讓半導(dǎo)體內(nèi)所產(chǎn)生的電子在電池內(nèi)流動(dòng)，因此若經(jīng)由電極把電流引出，就可以形成一個(gè)完整的太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池原理示意圖3、 太陽(yáng)能電池發(fā)電之應(yīng)用太陽(yáng)能電池分單晶、多晶及非晶三種：（一）單晶矽(single crystal silicon)：組成的原子均按照一定的規(guī)則，週期性地排列，它的製作方法是把矽金屬（純度為 99.999999999，11 個(gè) 9）熔融於石英坩堝中，然後把晶種插入

6、液面，以每分鐘 2 20 轉(zhuǎn)的速率旋轉(zhuǎn)，同時(shí)以每分鐘 0.3 10 毫米的速度緩慢的往上拉引，如此即可形成一直徑 4 8 吋單晶矽碇，此製作方法稱為柴氏長(zhǎng)晶法（Czochralski method）。用單晶矽製成的太陽(yáng)電池，效率高且性能穩(wěn)定，目前已廣泛應(yīng)用於太空及陸地上。（二）多晶矽(polycrystal silicon)：矽原子的堆積方式不只一種，它是由多種不同排列方向的單晶所組成。多晶矽是以熔融的矽鑄造固化而成，因其製程簡(jiǎn)單，所以成本較低。目前由多晶矽所製作出的太陽(yáng)電池產(chǎn)量，已經(jīng)逐漸超越單晶矽的太陽(yáng)電池。 （三）非晶矽(amorphous silicon，簡(jiǎn)稱a-Si)：矽原子的排列非常

7、紊亂，沒有規(guī)則可循。一般非晶矽是以電漿式化學(xué)氣相沈積法，在玻璃等基板上成長(zhǎng)厚度約一微米左右的非晶矽薄膜。因?yàn)榉蔷鶎?duì)光的吸收性比矽強(qiáng)約 500 倍，所以只需要薄薄的一層就可以把光子的能量有效地吸收，且不需要使用昂貴的結(jié)晶矽基板，而用較便宜的玻璃、陶瓷或是金屬等基板，如此不僅可以節(jié)省大量的材料成本，也使得製作大面積的太陽(yáng)電池成為可能（結(jié)晶矽太陽(yáng)電池的面積受限於矽晶圓的尺寸）。（一）單晶矽（二）多晶矽（三）非晶矽單、多晶太陽(yáng)能電池較非晶太陽(yáng)能電池能夠轉(zhuǎn)化多一倍以上的太陽(yáng)能為電能，但單、多晶的價(jià)格比非晶的價(jià)格貴兩三倍以上，在陰天的情況下非晶體式反而與晶體式能夠收集到差不多一樣多的太陽(yáng)能。所以，除非受

8、到每單位面積產(chǎn)電功率的限制，否則的話，使用非晶體式太陽(yáng)能電池板為更加劃算的投資。太陽(yáng)電池應(yīng)用的範(fàn)圍非常廣，可分為下列幾項(xiàng): （一）電力：大功率發(fā)電系統(tǒng)、家庭發(fā)電系統(tǒng)等。 （二）通訊：無線電力、無線通訊等。 （三）消費(fèi)性電子產(chǎn)品：計(jì)算機(jī)、手錶、電動(dòng)玩具、收音機(jī)等。 （四）交通運(yùn)輸：汽車、船舶、交通號(hào)誌、道路照明、燈塔等。 （五）農(nóng)業(yè)：抽水機(jī)、灌溉等。 （六）其他：冷藏疫苗、茶葉烘焙、學(xué)校用電等。 隨著電子科技的快速發(fā)展，各種電子產(chǎn)品也是日新月異，其中通訊與資訊產(chǎn)品，更成為人類日常生活中，不可缺少的日常用品，諸如大哥大的手機(jī)、掌上型電腦與個(gè)人數(shù)位助理(PDA)等，這些電子產(chǎn)品都必須要有電源供應(yīng)才能

9、發(fā)揮功能。因?yàn)殡姵貨]電而英雄無用武之地的窘境，相信很多人都曾發(fā)生過，而這個(gè)問題即將在太陽(yáng)能衣的上市後成為歷史。 最近德國(guó)的科學(xué)家洛雅恩與拉恩林研製出一種太陽(yáng)能纖維，這種太陽(yáng)能纖維是由三層非結(jié)晶矽與兩層導(dǎo)電電極所組成。當(dāng)太陽(yáng)光照射時(shí)，可使上層的電極產(chǎn)生自由電子，這些自由電子經(jīng)由內(nèi)建電場(chǎng)的作用，穿過中間的非結(jié)晶矽層而抵達(dá)下層的電極，即形成一個(gè)基本的電池結(jié)構(gòu)。據(jù)稱這種太陽(yáng)能纖維製成的衣服還可以放入洗衣機(jī)內(nèi)洗滌！未來只要人們穿上這種太陽(yáng)能衣，就不用再擔(dān)心自己隨身攜帶的電子產(chǎn)品，面臨沒電而一切停擺的命運(yùn)了。太陽(yáng)能電池是利用太陽(yáng)光與材料相互作用直接產(chǎn)生電力之一種無污染之可再生能源，尤其是太陽(yáng)能電池在使用中

10、並不會(huì)釋放包括二氧化碳在內(nèi)之任何氣體，這可改善生態(tài)環(huán)境、解決地球溫室效應(yīng)的問題，因此太陽(yáng)能電池可望成為重要的新能源。目前世界上已經(jīng)建成了十餘座大型的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，特別是進(jìn)入二十世紀(jì)九年代以來，太陽(yáng)能光電技術(shù)成爲(wèi)全球減少排放二氧化碳的依憑之一，不少發(fā)達(dá)國(guó)家開始實(shí)施太陽(yáng)能光電屋頂計(jì)劃，如美國(guó)總統(tǒng)宣佈的百萬光伏屋頂計(jì)劃，安裝規(guī)模達(dá)1000W 3000W；日本、歐洲乃至臺(tái)灣也都有類似的計(jì)劃。預(yù)計(jì)到本(廿一)世紀(jì)中葉，陽(yáng)光發(fā)電將會(huì)達(dá)到世界總發(fā)電量的二成左右，成爲(wèi)人類的基礎(chǔ)能源之一。依靠太陽(yáng)能電池提供電能的飛機(jī)貳、 實(shí)習(xí)器材項(xiàng)目名稱數(shù)量 、規(guī)格儀表三用電錶1工具30CM直尺120W燈泡1材料太陽(yáng)能電池1

11、參、 實(shí)習(xí)技能1.實(shí)習(xí)項(xiàng)目：本實(shí)驗(yàn)要瞭解太陽(yáng)能發(fā)電與日照強(qiáng)度與角度之間的關(guān)係。使用20瓦燈泡模擬日光，測(cè)量發(fā)電電壓與日照強(qiáng)度之間的關(guān)係。每組二人，發(fā)放材料工具，實(shí)際動(dòng)手。2.操作方法：1. 太陽(yáng)能發(fā)電單元放在20W燈光直接照射的路徑下，距離30CM。2. 量測(cè)環(huán)境所能發(fā)電的電壓，並記錄。3. 打開20W燈光。4. 量測(cè)發(fā)電的電壓，並記錄。5. 垂直往上移動(dòng)燈光10CM6. 量測(cè)發(fā)電的電壓，並記錄。7. 重複步驟5、6，依照不同距離量測(cè)太陽(yáng)能發(fā)電單元電壓，至距離增至燈光與太陽(yáng)能電池單元100公分，並記錄。8. 與水平線夾角60度移動(dòng)燈光，依照不同距離量測(cè)太陽(yáng)能發(fā)電單元電壓，並且記錄。9. 與水平線夾角30度移動(dòng)燈光，依照不同距離量測(cè)太陽(yáng)能發(fā)電單元電壓，並且記錄。10. 以90度、60度、30度太陽(yáng)能發(fā)電單元電壓討論距離、角度與電壓之間的關(guān)係。3.結(jié)論實(shí)習(xí)結(jié)論(填表格)肆、 認(rèn)知評(píng)量 主題名稱：太陽(yáng)能發(fā)電原理與實(shí)驗(yàn)班級(jí)： 姓名： 座號(hào)：一、 就你所知道的日常生活中會(huì)有哪些器具使用到太陽(yáng)能發(fā)電？二、 請(qǐng)寫出使用過應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電的物品名稱嗎?三、 你認(rèn)為太陽(yáng)能發(fā)電