太陽能光電板相關研究

一、太陽能光電板

1. 太陽光發電之重要歷史（許國強，2002,Oct，太陽光發電原理與應用，

工研院）

1954 年 Bell Labs 發展出矽太陽電池 (Chapin 等人，轉換效率約 6%) 1956 年第一個太陽電池製作成功

1958 年開始太空應用(GaAs)

1970 年開始太陽光發電系統地面應用(Si) (能源危機) 1976 年 Carlson 製作出第一個非晶薄膜太陽電池 1980 年消費性薄膜太陽電池應用(a-Si, CdS/CdTe)

1990 年與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成熟(Grid-Connected PV System, Si) (電力電子技術)

1992 年起歐美、日各國推動 PV 補助獎勵 2000 年建材一體型太陽電池應用(BIPV)

圖 2-5 太陽能電池組成原理圖

（資料來源：M. Viaud, Photovoltaic Solar Electricity Part of Global Strategy, AIE Conf., 2004 年 9 月）

2. Photovoltaic, PV，M. Viaud, Photovoltaic Solar Electricity Part of Global Strategy, AIE Conf., 2004 年 9 月

米歇爾曾經對於 PV 下過定義，並強調 PV 非太陽能熱水器。只能說在某 種程度上的類同。

圖 2-6 風洞紊流場試驗-2

（資料來源：M. Viaud, Photovoltaic Solar Electricity Part of Global Strategy, AIE Conf., 2004 年 9 月）

圖 2-7 風洞紊流場試驗-3

（資料來源：M. Viaud, Photovoltaic Solar Electricity Part of Global Strategy, AIE Conf., 2004 年 9 月）

圖 2-8 全球太陽光電發展統計

（資料來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics）

二、太陽能模組

1. 太陽能模組介紹（又稱太陽能電池）

(1)單晶矽太陽能光電板

一般使用在大面積電力轉換的發電系統或太空衛星電力上，成本比 較高。也是使用時間最長久的太陽能板類型。其轉換效率亦為目前所有 類型之太陽能板中最高的（20-25%左右），性能穩定，單晶矽的生產過程 與半導體使用的單晶矽相同，都要透過緩慢的長晶過程，所以單晶矽是 圓形的（為了製作方便，晶柱會切成正方形，所以一般市售之太能板會 留有四個圓角）。

圖 2-9 單晶矽太陽能光電板

（資料來源：http://www.hengs.com/solarproducts-pv%20module.html）

(2)多晶矽太陽能光電板

多晶矽太陽能板的光電轉換效率雖不如單晶矽高（一般 10-24%）， 但成本比單晶矽低許多，製程上也較簡單，其他原理與單晶矽電池大致 相同。晶矽電池在製成後因結晶構造初期並不很穩定，所以剛開始使用 的前一、兩年會發生結構劣化問題，這會使得轉換效率降低，只不過這 種劣化現象會慢慢減少。晶矽電池在光劣化後轉換效率下降幅度較低，

最多不會超過 20%；而非晶矽電池則下降幅度較大，有些材質甚至超過 50%。

圖 2-10 多晶矽太陽能光電板

（資料來源：http://www.hengs.com/solarproducts-pv%20module.html）

(3)薄膜太陽能板

為非晶矽太陽能板，採用濺鍍或印刷方式製作，依據材料不同可分 為 Amorphous、CdTe、CIGS 等，Amorphous 薄膜前幾年在臺灣相當熱門，

在當時因為具有價格優勢，目前多數量產薄膜太陽板轉換效率仍無法與 晶矽太陽板抗衡，所需安裝面積大，且結晶矽大幅度降價，目前業界採 用數目越來越少（但是其低製造成本仍然使其在市場有一席之地）。

圖 2-11 薄膜太陽能板

（資料來源：http://www.hengs.com/solarproducts-pv%20module.html）

(4)聚光型太陽能電池

晶片由砷化鎵作為發電材料，又稱為三五族，其特點為發電效率高

（可達 35%~40%），但需要一個精準的追蹤裝置（Solar tracker）將晶 片對準太陽，因此在整體造價上與矽結晶系統相比仍然偏高，另外長期 的運轉維護也是要考慮的問題，雖然轉換效率高但是由於向陽時間長，

過去用於太空產業，現在搭配太陽光追蹤器可用於發電產業，比較不適 合用於一般家庭，耐熱性比一般晶圓型太陽能電池又來的高，不是很普 遍。

圖 2-12 聚光型太陽能電池

（資料來源：http://www.hengs.com/solarproducts-pv%20module.html）

(5) 染料敏化太陽能電池

染料敏化太陽能電池（簡稱 DDSC），因其材料便宜、可在低溫、

簡單的製程製作，且具備可撓性、多彩性與可透光性等特性，應用範圍 廣泛。其擁有半透明特性，因此適合建材化作為建築窗材，適用於玻璃 帷幕大樓，同時作為遮陽、絕熱及發電利用的功能，製造成本低，因為 其製造過程中的真空條件。顏色和形狀的自由程度高。在顏色上有青色，

紅，黃三種原色的使用，能產生不同的顏色。可切出使用者最喜愛的形 狀，彎曲塑膠基板。轉換效率約 5％至 10％。

圖 2-13 染料敏化太陽能電池

（資料來源：http://www.hengs.com/solarproducts-pv%20module.html）

2. 太陽能模組組成

太陽能模組發電效能介於 85W 到 230W 之間，其應用範圍甚廣，舉 凡太陽能熱水器、太陽能街燈，甚至進入連網發電階段（由電力公司整 合電力以提供整體區域用電），皆是現代環保生活中典型的太陽能應用實 例。隨著太陽能電池效率的增加、成本的降低及環保意識的高漲，太陽 能產業已蓄勢待發，未來成長可期。太陽能發電系統種類：

(1) 獨立型系統

獨立型系統係指可單獨供應目前其所需之電力，而不需要與電力 公司的配電傳輸網路作併聯的系統。由於在夜間或陰雨天無法由 太陽光產生電力，因此獨立型系統加入了蓄電池組，在陽光充足 時儲存適當電力，以提供穩定之電源。獨立型系統主要可應用於 電力輸配線不容易到達或是無法供電的地區，如人口稀少的山區 或離島。其次也常應用於道路標示、資訊顯示板或路燈照明等電 器用之小型電力系統。

圖 2-14 獨立型系統

（資料來源：http://www.feedpool.com.tw/pdfp28/front/bin/ptlist.phtml?Category=11）

(2) 混合型系統

太陽能光電與市電及蓄電池搭配。平時太陽光電系統併聯發電，

並供負載及充電，夜間由台電供電。天災、地變，電力中斷時，

仍有足夠的蓄電池電力可以緊急防災使用，待到市電回復時就沒 有問題。獨立型系統由於蓄電池每天循環充放電加速更換蓄電池 頻率，如果緊急負載平時由市電供給，閒置 PV 陣列又覺得過於 浪費，此時以有效率幾乎不需維護的串聯型運作，在市電停電時 才於獨立型模式運作，來減緩更換蓄電池頻度，因此混合型系統 融合了兩種系統的優點。

圖 2-15 混合型系統

（資料來源：http://www.feedpool.com.tw/pdfp28/front/bin/ptlist.phtml?Category=11）

(3) 併聯型系統(Grid-connected System)

與電力公司的配電傳輸網路併接，成為電力系統上的一個小型發 電設備。市電負載併聯，平時與太陽光電系統併聯發電，並供負 載，不夠的電由台電供電。好比將市電電力系統當作一個無限大、

大 、 無 窮 壽 命 的 免 費 蓄 電

圖 2-16 併聯型系統

（資料來源：http://www.feedpool.com.tw/pdfp28/front/bin/ptlist.phtml?Category=11）

3. 太陽能模組組成結構

市面上的太陽能模組種類相當多，本研究所蒐集的資料，屬於較為常見 的方式。該組成內容有以下幾項：

(1) 低鐵強化玻璃

通常太陽能模組利用太陽照射半導體(矽)的效應而產生電力。當 太陽能模組應用於一般住宅時，通常是被安裝在屋頂上的，並由 此方式吸收較多的太陽幅射能。於此應用下，太陽能模組是直接 暴露在風雨中，其他還可能包括冰雹、飛塵、沙、或小石子…等。

因此顧慮，太陽能模組大多由特製的強化玻璃保護著矽原料不被 破壞。光伏太陽能發電需要非常大量的太陽能照射，所以保護玻 璃也相對需要較高的光透度和較低的反射率。

圖 2-17 太陽能模組組成

（資料來源：http://www.feedpool.com.tw/pdfp28/front/bin/ptlist.phtml?Category=11）

圖 2-18 特製的強化玻璃統

（資料來源：http://www.feedpool.com.tw/pdfp28/front/bin/ptlist.phtml?Category=11）

(2) EVA

太 陽 能 電 池 經 由 層 壓 而 被 上 層 玻 璃 及 下 層 EVA 保 護 著 。 EVA(ethylene-vinyl acetate)是一種專門為太陽能模組所使用的膠 原料。

EVA 的組成包含了許多封膠太陽能模組所需的化學物質。

EVA材質必需擁有保護模組背面的物理優勢和較高的透光率。必 須使用 150℃真空層壓使EVA與模組及其它部件結合。而於此條 件下才可產生 70~80%交聯度的EVA膠與模組緊密結合增加物理 優勢。層壓作業需要真空層壓機、加熱、和沖壓程式以確認所有 層壓參數的正確性。抽真空階段不只將空氣抽出，也還抽出了因 熱分解(例Lupersol® TBEC for EVA 15295)所產生的過氧化物(如 CO2…等等)

圖 2-19 物理物質– 15295P/UF

（資料來源：http://www.feedpool.com.tw/pdfp28/front/bin/ptlist.phtml?Category=11）

(3) 太陽能電池

純度精鍊的矽原料為光伏電池的主要原料來源。傳統的光伏電池 是由矽晶圓組成(n 型矽層堆於更薄的 p 型矽層組成)。所謂 p-n 連結點是為 p 矽層與 n 矽層所交錯之處。電性產生區域 p-n 的連 結點。當太陽照射在光伏電池表面時，電池會製造電性 hole pairs 而後提供所需動力(電力)。此作用會歸屬電流於一個電力負載器 裡。一個典型的光伏電池再開路電流，沒有任何負載的情況下可 製造約 0.5–0.6V 直流電壓。光伏電池連接成串，平行陣列來成

所謂的太陽能模組板。太陽能模板可以不同大小與不同的瓦特數 組成。一般的電壓為 12V, 24V；而瓦特數範圍則在 5W~100W。

圖 2-20 太陽能電池

（資料來源：http://www.feedpool.com.tw/pdfp28/front/bin/ptlist.phtml?Category=11）

(4) 背板

背板是由多層次的薄膜所組成，主要為保護電子零件而形成熱真 空層壓使電子產品為耐用。

背板各層將是由客製化的交聯聚酯膠粘劑使其永久粘合在一起 的。每一部品在多分子層中發揮其各自的效用。PVF/Protekt 的 作 用 是 在 惡 劣 的 氣 候 下 也 能 提 供 良 好 的 保 護 作 用 ， 而 PET(polyester)具有優異的物理特性和絕緣優點。合併 EVA (乙烯 醋酸乙烯酯)的薄層為分子結合劑位在背板與密封劑之間，在真 空層壓後可創造更大的粘結強度。

圖 2-21 太陽能光電板背板組成

（資料來源：http://www.feedpool.com.tw/pdfp28/front/bin/ptlist.phtml?Category=11）

(5) 接線盒

接線盒是太陽能電池組件一個最重要的組成部分而其重要性往 往被低估。接線盒是將太陽能電池發出的電力集中後然後再輸出，

若沒有接線盒則太陽能模組則無法適當的運行其發電功能。

接線盒是由耐用的塑膠所製成，且應可承受外在環境影響達 20 年以上。接線盒中至少要有三條旁路二極體組成，主要是為了對 應陰影遮蔽的影響，且盒子必須以矽膠來緊附在太陽能模組的背 面。接線盒是一個具有彈性且開放的結構，它能夠允許串行以及

接線盒是由耐用的塑膠所製成，且應可承受外在環境影響達 20 年以上。接線盒中至少要有三條旁路二極體組成，主要是為了對 應陰影遮蔽的影響，且盒子必須以矽膠來緊附在太陽能模組的背 面。接線盒是一個具有彈性且開放的結構，它能夠允許串行以及