第二章 太陽能電池簡介
太陽能電池主要是利用各種方法將光能轉換成電能，圖 2-1 分別為外太空 (AM0)與地表含漫射光(AM1.5 Global)與不含漫射光(AM1.5 Direct)之光譜圖[7]，
其光能大多集中於可見光與近紅外光波長 300nm ~ 1200nm 之間，其中於大氣層 外其平均幅照度約為 1350W/m2而地表之幅照度約為 900W/m2，若能將其有效轉 換，則其發電量相當可觀。本章節將介紹太陽能電池之發電原理、種類、特性及 其運用在聚光型太陽能發電系統之特性。
圖 2-1 太陽光譜圖[7]
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2.1 太陽能電池之原理
太陽能電池的基本結構為 p-n 接面之二極體，圖 2-2(a)為未照光之 p-n 接面 示意圖，由於 n 型半導體中之自由載子(電子)因接合後往 p 型半導體擴散與電洞 結合，使得原本電中性之 n 型受體(ND+)因失去電子而帶正電，而 p 型受體(NA-) 因得到電子而帶負電而型成內建電場，而接面處會因自由載子複合產生無自由載 子之情形，故此區稱為空乏區。圖 2-2(b)為照光時之 p-n 接面示意圖，當半導體 中之電子因接收到光子能量因此脫離原子束縛能(能隙)由價帶進入導電帶成為 自由載子，而原子內則產生空缺的位置(電洞)，此時 p 型之少數載子(電子)受到 內建電場之影響陸續向 n 型半導體移動使得 n 型半導體帶負電，而留下在 p 型之 電洞使 p 型半導體帶正電，而電子會藉由外部電路回到 p 型半導體產生光電流，
上述即為太陽能電池之基本操作原理。
圖 2-2 p-n 接面運作原理示意圖
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下圖 2-3 為 p-n 接面開路時之能帶示意圖，當照光時半導體產生電子電洞對 分別位於導帶與價帶，p 型之少數載子(電子)會因內建電場而漂移至 n 型之導帶，
而 n 型之少數載子(電洞)則往 p 型之價帶移動，產生電位差，接於外部電流則產 生電流[8]。
圖 2-3 p-n 接面能帶示意圖
圖 2-4 為太陽能電池之等效電路圖，其中包含同光電流之電流源(Iforward)與包 含 p-n 介面特性之二極體、並聯電阻(Rsh)、串聯電阻(Rs)，其中並聯電阻主要等 效太陽能電池中之漏電流，其中包含載子因缺陷產生的複合與外部電路因絕緣不 當產生漏電的情形使得輸出電流電壓降低，當並聯電阻越大時漏電流將越低，而 串聯電阻為等效太陽能電池中之各項電阻，圖 2-5 為三階面太陽能電池之串聯電 阻示意圖，其中包含金屬電極電阻、接觸電阻、表面橫向電阻及各層半導體之材 料電阻與接面之間之電阻，而可依照來源將其分為材料影響與電極影響兩部分，
電極影響包含電極電阻、接觸電阻、表面橫向電阻等[9]，在本論文中主要探討 如何利用改變電極圖形以減少以上三種電阻以增加效率。
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圖 2-4 太陽能電池等效電路圖
圖 2-5 三接面太陽電池串聯電阻示意圖[9]
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2.2 太陽能電池種類
目前太陽能電池種類主要可分為有機與無機兩大類型，其中有機太陽能電池 包含高分子與小分子兩種類型，而無機太陽能電池主要是以半導體材料做為分類，
分為單晶矽、多晶矽、非晶矽、化合物等等，而無機材料目前發展大致可依結構 分為堆疊型(Tandem)、頻譜轉換型(Spectral Conversion)、中間能帶型(Intermediate Band)及熱載子型(Hot Carrier)等，堆疊型主要是利用各種不同的半導體材料依照 不同之能隙對不同波長的光分別作吸收，而頻譜轉換型主要是利用頻譜轉換器將 波長調製在太陽能電池可吸收之波段，而中間能帶型是利用改變材料的結構導致 導帶與價帶之間形成額外的能帶以增加光波長之吸收範圍，而熱載子型主要是降 低載子之能量釋放使得載子擁有較高的平均能量，則可使材料中擁有較多之電子 電洞對，使得效率提升[10]，其示意圖如圖 2-6。
圖 2-6 目前發展結構示意圖
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2.4 太陽能電池之聚光特性
在介紹聚光型太陽能發電系統[12]是利用較輕且使用材料較少價格較便宜 之菲涅爾透鏡(Fresnel lens)[13]將較大面積之太陽光匯集成較小面積照射在太陽 能晶片上，減少其晶片使用量，且使其效率提升；但是由於在高聚光下光點之光 強度相當高，若無搭配追日系統，光點會因太陽之位置改變產生偏移造成外部電 路燒毀而發生危險，故基本之聚光型太陽能系統必須包含聚光鏡、太陽能晶片、
追日系統等三大部分。而以下將針對太陽能晶片部分在聚光下之特性探討。
圖 2-9 為彰化師範大學光電科技研究所郭艷光教授與其學生吳健銘等人利用 APSYS 模擬不同溫度之 InGaP/GaAs/InGaAs 三接面太陽能電池在各種聚光下之 各項參數與聚光倍率關係圖[15]，其中顯示其短路電流隨著聚光倍率線性增加，
而開路電壓隨著聚光倍率之對數值線性增加，此符合上述開路電壓對電流之關係 式 2-2，填充因子在聚光倍率較低時會因短路電流的提高而提高，但於高聚光倍 率時，由於輸出電流相當大因此電阻造成之效應越明顯，使得填充因子快速下降，
轉換效率也隨之快速下降。而元件溫度的升高會造成開路電壓、填充因子、轉換 效率之下降，在聚光時若無保持良好的散熱則會使得元件溫度上升，使得短路電 流之外的各項參數下降更快速，若要提升高聚光時之轉換效率則必須降低串聯電 阻使得填充因子在高聚光時仍然能維持良好之值，同時降低元件之操作溫度，使 得各項參數不會快速下降。而本論文中利用優化電極可使串聯電阻降低且優化後 之電極圖形其因電流密度與消耗功率較平均，有利於減緩高聚光時溫度之上升。
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圖 2-9 變溫 InGaP/GaAs/InGaAs 各項參數與聚光倍率關係圖[15]
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