太陽能電池簡介

第二章 太陽能電池簡介

2.1 太陽能電池發電原理

目前已商品化之太陽能電池主要以p 型與 n 型半導體製成之二極體為基礎，

利用光電效應(photoelectric effect)產生電力。二極體之結構如圖 2.1 所示，在矽晶 體中分別加入三價與五價元素如硼與磷時，便形成p 型半導體與 n 型半導體，p 型 接面形成之電荷變化區域稱為空乏區(depletion region)。

當入射太陽能電池之光子(photon)能量大於半導體材料之能隙(energy gap)時，

便能使位於價電帶(valence band)之電子躍升至傳導帶(conduction band)形成自由電 子，並於價電帶形成電洞，如圖2.2 所示，自由電子在移動過程中可能因能量損失 材料內部或各層接面皆存在電阻，故實際等效電路須接上串聯電阻(series resistance) 與分流電阻(shunt resistance)，如圖 2.4 所示，從該電路與二極體特性可得到單一太 陽能電池輸出至負載RL的電壓V 與電流 I 之關係式【5】【6】：

 

T：太陽能板之溫度，K

6 

本研究使用兩組知光能源(Apollo Solar Energy)公司所生產之六吋單晶矽太陽 能模組，如圖2.5 所示，其型號與輸出特性如表 2.1 所示，該數據係在光源照射，

空氣質量(air mass, AM)1.5，以及太陽能板溫度298K 之參考狀態下測得。本研究 將兩組太陽能模組串聯後對電動腳踏車之36V 蓄電池充電，利用表 2.1 之數據代 入2.2 式至 2.5 式即可計算串聯後之模組在不同環境下之性能，由於表 2.1 之數據 為太陽能電池串聯之結果，因此計算時代入之電壓值須除以串聯數量，以計算結 果繪製之曲線如圖2.6 至圖 2.9 所示，圖 2.6 與圖 2.7 為太陽能模組於 298K 溫度下 之輸出曲線，短路狀態下太陽能模組輸出最大電流，稱為短路電流Isc，隨著輸出 電壓增加，電流微幅下降，當電壓增加至某程度後電流便快速下降，直到開路狀 態時沒有電流輸出，此時電壓達到最大值，稱為開路電壓Voc，此輸出特性使得太 陽能模組輸出最大功率之電壓與電流值位於曲線轉折點附近，該點之電壓及電流 值稱為最大功率電壓Vpm與最大功率電流Ipm，由於串聯之太陽能模組其最大功率 輸出電壓與蓄電池電壓相近，因此預估充電過程太陽能模組運作於最大功率點附 近，進而省略最大功率追蹤電路之安裝。隨著日照強度增加，開路電壓微幅增加，

而短路電流則顯著增加，因此輸出功率也隨之增加。圖2.8 與圖 2.9 顯示溫度對太 陽能模組輸出之影響，在固定日照強度之情形下，模組溫度上升其短路電流雖然 微幅增加，開路電壓卻快速下降，因此輸出功率亦隨之降低，而一般情況下日照 強度之增加同時使模組溫度上升，進而降低其輸出效率，故太陽能模組必須具備 良好之散熱機制才能提升其發電效率。