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奈米太陽能電池

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Academic year: 2022

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全文

(1)

太 太 陽 陽 能 能 發 發 電 電 介 介 紹 紹 奈米太陽能電池

奈米太陽能電池

授課教師:吳知易 博士

(2)

一個典型的太陽能電池是由玻璃、塑膠封面或其他壓縮物所組成,

一個抗反射層(Antireflection coating),一個前端接觸(Front contact) 來允許電子進入一個電路,一個背端接觸(back contact)來允許電子 們完成這個電路,以及半導體層(semiconductor)為電子開始與完成 他們行進的緩衝層。

(3)

量子效率(Quantum efficiency)

量子效率主要是光吸收的能量與吸光所產生

的電子電洞數百分比,而這效率又與本身使用何

種材料有關(如薄膜太陽電池),而此量子效率與

之前所提到的光電轉換效率有所影響。

(4)

能量轉換效率之比較

(Comparison of energy conversion efficiencies)

矽太陽能電池效率由6%的非晶矽太陽電池變 化到30%或更高的多接面研究型的電池。太陽電 池能量轉化效率對於商業可用的薄膜單晶矽太陽 電池大約14-16% 。最高效率電池已不是最有經濟 性了,例如一個30%效率的多接面電池的材料,

如砷化鎵或硒化銦這些特殊金屬,產能低,且要

花費許多時間,但是和同樣的時間與只有8%效率

的非晶矽電池相比產能多出許多。

(5)

光吸收材料(Light-absorbing materials)

所有的太陽電池需要一個光吸收材料包含在電

池結構中,去吸收光子及經由光電效應產生電壓電

流。材料用於太陽電池中須擁有優先去吸收接近地

表太陽光波長的特性。光吸收材料可以常被用在多

物理型態去獲得不同波長吸收及電荷分離技巧的優

點。

(6)

薄膜 (Thin film)

現今有許多的薄膜太陽電池得技術,主要是要

減少材料在做光吸收所造成的損失。薄膜製程技

術可以減少塊材材料製造時的使用量(使用矽薄膜)

但也降低了光電轉換效率,但是多層薄膜的效率

還是比Si晶圓塊材好。

(7)

7

(8)

Solar cell application

(9)

染料(Dyes)

通常使用釕有機材料作為染料(釕-為中

心),作為光吸收的單層材料。這個染料敏化的太 陽能電池取決於二氧化鈦的多孔層與奈米微粒,及 其放大表面面積(相較下200-300 公尺²/公克 二氧化 鈦 近乎10 公尺²/公克 平整的單晶)由染料吸收的光 子產生電子傳導給n-type二氧化鈦,而電洞在染料 的另一邊被傳導給電解液。在電解液裡不斷的進行 氧化還原結合反應,電解液也可能是液體或固體。

這類電池都做成可繞性材料,通常以印刷方式大量

生產,此製程方式可以降低太陽電池的成本。但

是, 在這些電池裡的染料也在熱和紫外光下會逐

漸裂化,在裝配過程中使用的溶劑隔絕電池罩,並

且密封是困難的,在這十年內一些商業預報與這個

受歡迎新興技術將一起受到影響。

(10)

Supramolecular dyes could boost efficiency in solar cells, say scientists from the UK.

Saif Haque, from

Imperial College, London, found that

supramolecular dyes gave a 25% improvement in performance as compared to conventional, non-

supramolecular dyes.

(11)
(12)
(13)
(14)

有機/高分子(Organic/polymer)

有機半導體薄膜(厚度約100 nm)中含有高分子及

小分子化合物,將它們製作成有機太陽能電池和

高分子太陽能電池,比較常見的有機半導體薄膜

材料有phthalcyanine (一個藍或綠的有機染料) 及

碳fullerenes,迄今聚合物太陽電池的能量轉換效

只能達到4-5%效率,然而這些電池能有效的應用

在可繞式及一次電池使用。

(15)

Solar cell principles

(16)

高分子太陽電池:左邊是無方向性的異質接面,

右邊是有方向性的異質接面

(17)

17

奈米太陽能電池

Dye-Sensitized Solar Cells

(色素增感型太陽能電池)

(18)

18

Solar Cells

The supply of energy from the Sun to the Earth is 3 x 10

24

Joules/year.

It is about 10,000 times more than the global population currently consumes.

Covering 0.1% of the Earth’s surface with

solar cells with an efficiency of 10% would

satisfy our present needs.

(19)

太陽光能譜

(20)

色素增感型太陽能電池

Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs)

(21)

色素增感型太陽能電池工作原理

TiO2 奈米薄膜

(22)

hv hv

透明導電玻璃

e-

二氧化鈦

色素分子

h+ e-

h+ e-

還原態(I3-) 氧化態(I-) 電解液電位

最大可獲得電壓

截取電洞 擴散

電解質 陰極

電子注入

色素增感型太陽能電池工作原理

(23)

色素增感型太陽能電池 vs.

光合作用

光合作用機制圖 色素增感型太陽能電池

(24)

The dye solar cell:

• It is a biomimetic device

• It is a nanoparticle device

• It is a majority-carrier device

• Positive charge transport occurs through ion transport in the electrolyte, rather than hole conduction

• Its record efficiency confirmed at NREL at 10.4%

Conventional Solar Cell vs. Dye-

Sensitized Solar Cell

(25)

如何製作色素增感型太陽能電池

(26)
(27)

藥品與器材

透明導電玻璃 2×2 cm 二氧化鈦 (TiO2

)粉末

乙基丙酮 (acetylacetone) 界面活性劑 (Triton X-

100)

丙醯碳酸酯 (propylene

carbonate)

碘 (I2

)

碘化鉀 (KI)

色素 (Merchrochrome) 導電銅膠帶

(28)

H2O 10mL 乙基丙酮 1mL

TiO2 30g

均勻分散後

加入 40mL H2O稀釋

滴入界面活性劑 Triton X-100 1mL 靜置最少十五分鐘以上

二氧化鈦漿糊完成 !!

製作色素增感型太陽能電池

調配二氧化鈦漿糊

(29)

清洗,吹乾,並確 定那一面為導電面

TiO2 漿糊

500℃下加熱一小時

於導電面貼上膠 帶做為模版

以玻棒沿同一方向塗抹 撕下膠帶

製作色素增感型太陽能電池

製作二氧化鈦電極

(30)

TiO

2

奈米薄膜

(31)

製作色素增感型太陽能電池

製作白金電極

以丙酮、酒精等溶劑於超音波水槽內震洗透明導電玻璃基板(ITO)

清洗完畢取出後,以氮氣槍吹乾,並以三用電錶量測那一面為導 電面,導電面朝上放置。

利用濺鍍機於透明導電玻璃上,鍍上一層白金,白金電極完成。

調配電解質溶液

於樣品瓶內裝入20 mL的丙醯碳酸酯(propylene carbonate),加 入0.254 g的碘(I2)以及1.66 g的碘化鉀(KI),均勻混合後電解質溶 液即配製完成。

此電解液應避免光照,因此在不使用時可用鋁鉑紙包裹,或是存 放在沒有光照的地方。

於導電面鍍上一層白金

(32)

Staining the TiO2 with Dye

製作色素增感型太陽能電池

Mercurochrome (merbromin)

取一培養皿,撒上少許色素(Merchrochrome),再加入適量酒 精做為溶劑,將二氧化鈦電極浸泡其中,浸泡時間約12~18小 時。

浸泡完畢後,取出待其自然陰乾,再以氮氣槍吹乾,保持乾燥

!需注意避免水氣吸附在二氧化鈦電極表面,以免影響奈米太 陽能電池之效率。

吸附色素分子於二氧化鈦表面

(33)

製作色素增感型太陽能電池

組裝奈米太陽能電池

取一白金電極與二氧化鈦電極,白金面與二氧 化鈦面,面對面錯開5 mm 對貼,在其兩側各 夾一片PE膜做為間隙子(spacer),並以長尾 夾固定。

將上述固定好之樣品放於加熱板上,160℃下 加熱三分鐘,使PE膜受熱固定往兩片電極。

以滴管吸取少許電解質溶液,滴一兩滴電解液 於奈米太陽能電池未封往的一邊,讓其藉由毛 細作用吸入整個奈米太陽能電池之中。

待電解液完全充滿整個奈米太陽能電池後,以 牙籤沾取少許AB膠,將剩下尚未封住的兩邊 封住。

剪下兩片長2 cm寬5 mm 銅膠帶,貼在兩側 露出之透明導電玻璃上,做為電池輸出端。

(34)

製作色素增感型太陽能電池

成品展示

(35)

色素增感型太陽能電池

Dye-Sensitized Solar Cell (DSC)

(36)

藥品與器材

藥品名稱 廠 商 聯絡電話

透明導電玻璃(ITO) 正太科技 (03) 4342-538

導電銅膠帶 晧睿科技 (02)2555-5888

二氧化鈦(TiO2)粉末(TG-P25) 景明化工 (06) 2538-143 乙基丙酮(acetylacetone) 景明化工 (06) 2538-143 界面活性劑(Triton X-100) 景明化工 (06) 2538-143 丙醯碳酸酯(propylene

carbonate) 景明化工 (06) 2538-143

碘(I2) 景明化工 (06) 2538-143

碘化鉀(KI) 景明化工 (06) 2538-143

色素(Merchrochrome) 景明化工 (06) 2538-143

(37)

塑膠片上的太陽能電池

(38)
(39)
(40)
(41)
(42)

Photovoltaic devices for the transformation

of solar energy into electricity

(43)

The mechanism of electrical

conductivity between metal oxide (TiO

2

) and anchor groups

(1) Carboxylate-based organic dye anchored on TiO

2

.

C O R

O

O Ti O

Monodentate (MC)

R O

O Ti O

Ti C

O

O

Bidentate (BC)

(44)

The mechanism of electrical

conductivity between metal oxide (TiO

2

) and anchor groups

(2) Phosphonate-based organic dye anchored on TiO

2

.

P O

O Ti O R

OH O

Monodentate (MP)

R O

O Ti O

Ti P

O

O OH

Bidentate (BP)

R O

O Ti O

Ti P O

O Ti O

O

Tridentate (TP)

J. Phys. Chem. B 2004, 108, 14093-14101

(45)
(46)
(47)
(48)
(49)
(50)
(51)
(52)

The most important figures of merit describing the performance of a solar cell

™ Open circuit voltage

™ Short circuit current

™ Fill factor

™ (power conversion) efficiency

The fill factor is given by the quotient of maximum power (yellow rectangle in the figure) and the product of open circuit voltage and short circuit

current (white rectangle); it therefore decribes the “squareness” of the

solar cell’s current-voltage

characteristics. The efficiency is the ratio of maximum power to incident radiant power – typically radiated by the sun. E.g., a well-known detailed balance calculation for inorganic single gap solar cells gives a

theoretical maximum of about 30%

power conversion efficiency

(53)

53

(54)

N Rs

CPE1

Rct1 Rct2

CPE2

The ohmic serial resistance (R

s

) corresponds to the

electrolyte and the FTO resistance and the resistances R

ct1

, R

ct2

and R

diff

correspond to the charge transfer process

occurring at the Pt counter electrode, the

TiO

2

/dye/electrolyte interface and the Warburg diffusion process of I/I

3

in the electrolyte, respectively.

Serial resistance and parallel resistance

(55)
(56)

太陽輻射之光譜,主要是以可見光為中心,其分佈範圍從 0.3 μm之紫外 光到數微米之紅外光為主,若換算成光子的能量,則約在0.4 eV到 4 eV之 間,當光子的能量小於半導體的能隙,則光子不被半導體吸收,此時半導 體對光子而言是透明的。

當光子的能量大於半導體的能隙,則相當於半導體能隙的能量將被半導體 吸收,產生電子-電洞對,而其餘的能量則以熱的形式消耗掉。

理想的太陽電池材料必須具備有下列特性:

1.能隙在1.1eV到1.7eV之間。

2.直接能隙半導體。

3.組成的材料無毒性。

4.可利用薄膜沉積的技術,並可大面積製造。

5.有良好的光電轉換效率。

6.具有長時期的穩定性。

太 陽 電 池 的 材 料

(57)

利用光電效率製作太陽能電池,近期使用的材料是以「矽」為主的半導體 晶片,且太陽光中部分光譜正好滿足它的能量需求。不過矽是間接能帶隙 材料,並非理想的太陽能電池材料,利用矽製作太陽能電池有許多隱憂。

‹矽的製程與耗能的問題:

生產每1,000瓦矽太陽能電池,耗電量將達到7.8-9.2度(千瓦小時),但1 千瓦矽太陽能電池,在20年的壽命裡最多僅能產生8~10度的電 。

‹矽產能缺料及材料成本問題:

近年面臨主原料矽材短缺的壓力,傳統矽晶圓太陽能電池難以符合快速 成長的太陽光電市場需求,使得減少或不需矽使用量的薄膜太陽能電池 成為近來矚目的焦點。

‹由於材料特性上的限制,對於結晶矽太陽電池的效率,幾乎已經達到 最佳的水準,要再進一步提升的空間有限 。

矽晶圓太陽能電池面臨的問題

(58)

台灣在太陽能電池產業上仍缺乏上游材料自有供應體系,發 展太陽光電產業很容易受制於缺料瓶頸,因此轉換至原料成 本較低的薄膜太陽能電池將是未來發展的方向之一。

(59)

59

薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池,顧名思義,乃是在塑膠、玻璃或是金屬基板上形成可 產生光電效應的薄膜,厚度僅需數μm,因此在同一受光面積之下可較矽 晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量。

薄膜太陽能電池種類:

‹矽薄膜類(非晶矽a-Si、微晶矽 c-Si、堆疊型a-Si/ c-Si等)

‹化合物半導體類(銅銦鎵硒CIS/CIGS、碲化鎘CdTe)

‹染料敏化類

(60)

普遍薄膜太陽能電池比矽晶太陽能電池轉換效率低

(61)

相較矽晶太陽能電池平均 15%的量產轉換效率,矽薄膜電池 轉換效率只有矽晶太陽能電池一半左右,不過,更新的堆疊式

(tandem junction)矽薄膜將能使轉換效

率提高到 8.5-11%,同時長時間的衰減問題較小 。

矽薄膜由於材料取得容易,且相對環保安全,為目前台灣薄膜 太陽能的主流。

矽薄膜類(非晶矽a-Si、微晶矽 c-Si、

堆疊型a-Si/ c-Si等)

(62)

„因為轉換效率問題的考慮,化合物半導體型的碲化鎘(CdTe)和銅銦硒 (CIS/CIGS)

成為太陽能業者著墨的材料族群,轉換效率約在10-18%之間,接近矽晶太 陽能電池的轉換效率水準,同時完全替代矽材料,成本相對較低。

‹不過,碲化鎘薄膜電池如果快速規模發展,同樣會面臨材料短缺的疑 慮,畢竟碲元素相當貧乏;此外,這種電池大量使用劇毒元素鎘,也會成 為未來發展的限制因素,據了解,儘管碲化鎘化學性質相對穩定,若遭受 劇烈撞擊、焚燒、雷擊等特殊情況,仍有安全疑慮。

‹CIS/CIGS(銅銦硒化物)吸光範圍廣,且穩定性高,轉換效率若利用聚光 裝置的輔助,實驗室可達 30%,標準環境測試下也可達到19.5%,媲美單 晶太陽能電池,採軟性塑膠基板的大面積製程,最佳轉換效率也能達到 14%以上。高轉換效率的銅銦硒化物(CIS/CIGS)成為台灣薄膜太陽能電池 業者的考慮方向。

化合物半導體類(銅銦鎵硒CIS/

CIGS、碲化鎘CdTe)

(63)

63

染料敏化類

除了矽薄膜和化合物半導體薄膜,太 陽能業者也持續發展其他材料薄膜電 池,例如色素敏化染料薄膜電池以及 有機導電高分子等。

染料敏化太陽能電池成本約矽晶太陽 能電池的10-20%,結合染料和奈米結 構電極,不但可作為室內光源發電,

也不受日照角度影響,缺點則是轉換

效率低,約4-8%。

(64)

64

薄膜太陽能電池優點

1. 使用矽較少

2. 可使用材料不受限於矽 3. 能源償付期間短

4. 應用範圍廣(可撓、可透光)

5. 可與建材結合,成為建材一體型太陽

能電池

(65)

„缺點:目前的薄膜太陽電池,都有明顯的製造成本過高或是 轉換效率太低的缺點

(66)

薄膜太陽能電池運用實例

(67)

結論

目前薄膜太陽能電池的市佔率不到一成,其轉換效率、量產良率、

設備成本等問題也待克服,然而薄膜太陽能電池具節省材料、可在 價格低廉的玻璃或塑膠或不鏽鋼基板上製造、可大面積製造、可製 成可撓性、容易搭配建築外牆施工應用彈性大等優點,已廣被各太 陽光電業者、研究機構所看好將是次世代的太陽光電明星產品。目 前台灣薄膜太陽能投入廠商包括綠能 (3519-TW)、聯相、宇通、旭 能、奇美能源、富陽、大億光能等。

綜合而言,薄膜太陽能電池與傳統矽晶太陽電池不一定處於相互取 代的地位,兩者間各有不同的發展空間及特性。更重要的是,多元 化技術與產品的薄膜太陽能電池擴展了太陽光電的可應用領域,有 助於整個產業的普及化。

(68)

68

太陽光電系統之應用

(69)

69

太陽電池的關聯產品

(70)

太陽能發電系統的種類

(71)

71

太陽能發電系統種類

(72)

72

太陽能發電系統種類

獨立型(Stand-Alone System)

(73)

73

太陽能發電系統種類

(74)

74

併聯型住宅用太陽光發電系統

(75)

75

單晶與多晶矽晶圓的介紹

(76)

76

太陽電池之矽材料

製作過程

(77)

77

單晶矽太陽電池製程

(78)

78

c-Si solar cells processing

(79)

79

多晶太陽電池特性

(80)

80

非晶矽太陽電池特性

(81)

81

不同Si原料的應用與價格 (2000年底年底)

(82)

82

發電量換算

例如: 建造一組12 kW的太陽能模組系統 平均一天日照4 hours

則發電量為12kW*4hours = 48 kWhours= 48度電 若以一戶家庭平均一天約使用3kW*4

hours=12kWhours,

則48kWhours可供應約4戶家庭

(83)

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英國Boathouse 太陽能遊艇

Solar shuttle

參考文獻

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