太陽能電池介紹

-電流Electric Current

負

下電極 Electrode

+

-電流Electric Current

圖 7 太陽能電池可將光能轉換為電能 資料來源：太陽光電資訊網[16]

由於單一太陽電池所輸出的電力有限，為提高其發電量，將許多太陽能電池經串 並聯組合封裝程序後，做成模組，再將若干太陽電池模組組合而成方陣或列陣（array）

(圖 8 )。

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圖 8 太陽能電池模組列構成圖

因太陽電池產生的電是直流電，因此若需提供電力給家電用品或各式電器則需加 裝直/交流轉換器，將直流電轉換成交流電，才能供電至家庭用電或工業用電，其包含 過充放電保護控制（controller）、蓄電池以及轉換器（inverter，直流轉變為交流）合 稱為太陽能電池發電系統（如圖9 ）

圖 9 太陽能電池發電系統構成圖

日射量與外氣溫為影響太陽電池發電效率最主要的兩項因素，如圖 10 與圖 11 。而風 向、風速與濕度亦有所影響，但程度不大，故於評估時可予以省略（莊嘉 琛，1997、08）。

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圖 10 不同日照強度下太陽電池 I-V 特性曲線

圖 11 不同溫度下太陽電池 I-V 特性曲線

由圖10 可以看出日射量對輸出功率的影響，太陽電池和一般直流電源最大的不 同，是在於它既非電壓源也非電流源。在日照強度變大時，其輸出電壓會往上升，幅 度的變化不大，但其輸出電流卻很明顯的增加了許多，所以其輸出功率會隨之增加，

也就是成正比的關係；而圖11 可以看出溫度的影響，當電池表面溫度上升時，雖然 輸出電流會有些微增加，但其輸出電壓卻降低了很多，整體而言的輸出功率會略為降 低。所以，電池的溫度和輸出功率是呈反比的關係。

日射強度與發電量（電壓×電流）的關係，日射量大時，其發電量越大，一般發 電量之計算式為：

Wp＝G×A×η………..(式 2.2.1-1) Wp：太陽電池發電量（W） G：全天空日射量（W/m2） A：太陽電池面積（m2）

η：太陽電池發電轉換效率（﹪），一般計算方式為在日射量 1000 W/m2，太陽電池 溫度為25℃

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2.1.2 太陽能電池的種類與特性

太陽能電池(solar cell)也有人稱之為光伏電池( photovoltaic)，可由多種材料製成 且效率也不同，其中主要之原料為矽（silicon ，簡寫為 Si）矽是太陽能電池的材料， 單晶矽Single Crystallin 12~20%

晶矽

Crystalline 多晶矽Poly Crystallin 10~18%

矽(硅)

Amorphous Si、SiC、SiGe、SiH、SiO 6~9%

單晶

Single Crystallin GaAs、InP 18~30%

多化合物

Poly Crystallin CdS、CdTe、CuInse 10~12%

奈米及有機 Nano & Organic 應用於有機太陽 電池，屬研發階段

TiO2 1%以下

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一、 單結晶矽太陽能電池

在單晶矽的材料中，矽原子具有高度的周期性排列。單結晶矽電池轉換效率高 (約 17%)，使用年限約 20 年。

二、 多結晶矽太陽能電池

多晶矽是指材料由許多不同的小單晶所構成，它的製作方法是把熔融的矽鑄造 固化而形成。其製程與單晶系類似，但，用不同的材料設計出太陽能電池時，它們 的光電特性也會有所不同。多晶矽太陽能原料成本比單晶系低(約 2 %)，其轉換效 率亦比單晶矽太陽能低，轉換效率約在14%~18%。

三、 非結晶矽太陽光電池

非晶矽電池為目前成本最低的商業化太陽能電池，主要是利用輝光放電氣相沉 積或濺鍍等方法，使SiH4 經分解後在基板上沉積出一層非晶矽薄膜，但其發電轉 換效率最差約達7﹪~10%，多設置於日照量較少或設置於建築物外壁，不過垂直 架設之發電量因法線面日射量較少，其發電量約只有水平架設時的60﹪。

非晶矽薄膜太陽能電池生產設備的資本支出較結晶矽太陽能電池高出3~5 倍 扣除其他的架設、設備等成本，非晶矽薄膜模組的轉換效率至少要與結晶矽太陽能 模組差2%，才能相互競爭，即達到 12%的模組轉換效率。

2.1.3 太陽能電池發電系統種類

太陽能電池發電系統主要是由太陽電池與Power Conditioner（轉換器、系統聯繫 設備等）所構成（如圖13 ）。由於太陽電池輸出為直流電，無法直接與目前常用之 AC 室內電源共用，必須透過轉換器，將直流電轉換成交流電。

圖 13 太陽能電池發電系統 資料來源：太陽光電資訊網

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太陽能電池發電系統通成可分為以下幾種：

一、 獨立型系統

(一) 主要構件包括太陽電池、蓄電池、轉換器（Inverter）。(如圖14)

(二) 運用於市電不易輸送之地區，如高山、離島、基地台…等市電無法到達處。

(三) 當太陽電池工作時，白天PV發電提供所需之負載能量，若有多餘則儲存於蓄 電池中，以備於無日照或日照量不足時使用，若有需要，可併聯其他發電設 備，如柴油發電機。

圖 14 太陽能電池獨立型發電系統 資料來源：太陽光電資訊網 二、 市電併聯型系統

與市電併聯系統之定義為太陽電池與市電系統二者的電力可互換使用，其特性 如下：

(一) 主要構件包括太陽電池、轉換器（Inverter）。(如圖15)

(二) 運用於有市電輸送之地區，以市電作為輔助電源使用，其工作方式為白天PV 系統併聯發電、夜間由市電供電將市電電力系統當作一個無限大、無窮壽命 的免費蓄電池

(三) 太陽電池產生之電力大於負載時可回售於市電或儲存於蓄電池中，當無日照 或日照量不足時由市電供電。

圖 15 太陽能電池並聯型發電系統 資料來源：太陽光電資訊網

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三、 混合型太陽光電系統

混合型太陽光電系統是結合其它輔助發電系統像是風力發電機、汽(柴)油發電 機整合為混合型系統。此系統較適合離島、偏遠地區、農業用等供電。主要由主要 由太陽光電陣列、其它輔助電力系統、充放電控制器、直交流轉換器以及蓄電池所 組成。

圖 16 太陽能電池混和型發電系統 資料來源：太陽光電資訊網

四、 緊急防災型(獨立/併聯混合型)太陽光電系統

屬於緊急防災型太陽光電系統同時操作為併聯模式或獨立模式之太陽光電發 電系統，需要有足夠的蓄電池以避免長時間停電時在日間時供電並充電，夜晚時則 利用儲存於蓄電池的剩餘電力供電，作為救災用之電力來源。此系統較適合有防災 需求(照明、汲水、通信等)之公共設施。主要由太陽光電陣列、充放電控制器、直 交流轉換器以及蓄電池所組成。

圖 17 緊急防災型(獨立/併聯混合型) 資料來源：太陽光電資訊網

2.1.4 太陽電池之優點與缺點：

由於太陽電池受其材料、製程與發電原理之因素影響，主要之優劣點如下：

一、 太陽電池之優點：

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(六) 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)

(七) 1992年起 歐美、日各國推動PV補助獎勵

(八) 2000年 建材一體型太陽電池應用(Building-integrated photovoltaic，BIPV) 二、 太陽能電池之應用：