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電流

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Academic year: 2022

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(1)

太 太 陽 陽 能 能 電 電 池 池

--

光電能 光電能 與染料敏化太陽能電池 與染料敏化太陽能電池

授課教師:吳知易 博士

(2)

太陽能電池教學影片

(1) 色素増感太陽電池

http://www.youtube.com/watch?v=tQjuS252b5I&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=neAanaW0OnU&feature=fvwrel http://www.youtube.com/watch?v=a2UFJjSx28E&feature=related

(3)

代表性結晶方向 [100]、結晶方向族 <100>、結晶面 (100)、以及結晶面族 {100} 的示意圖

z z z

y y y

x x x

(001)

(010)

[100]

a

a a

o

a

o a

a [110]

a

a o a

[111]

(100) (110) (111)

62

一個物質的結晶結構,可以使用米勒指數 (Miller Indices) 來 表示其結晶方向、結晶面、以及結晶面族等.

(4)

一般太陽能電池的製作方式,是以摻雜微量的硼 原子 (Boron, B),以形成 p型半導體,並用於作 為基板材料;然後,使用高溫熱擴散的或低溫離 子佈植的方式,將濃度高於硼的磷原子

(Phosphor, P) 摻雜於p型基板之內,以形成p-n 的接面。

太陽能電池的基本材料是矽 (Silicon, Si)。

62

太陽能電池的基本物性

(5)

太陽能電池元件的基本特性:

輸出特性 (Output Characteristics)

光譜感度特性 (Spectral Characteristics) 照度特性 (Illumination Characteristics) 溫度特性 (Temperature Characteristics) 非相配特性 (Miss Match Characteristics) 二極體特性 (Diode Characteristics)

太陽能電池的基本特性

64

(6)

0.0 0.5 7.0 10.5 14.0 17.5 21.0 24.5 20.0 21.5 25.0 0.0

1.0 2.1 3.1 4.3 5.2 6.3 7.3 8.4 9.4

電壓 (v)

電流 (i)

(a) 標準電流 - 電壓特性圖

67

一、輸出特性 (Output

Characteristics)

(7)

空氣透過量 (Air Mass, AM),是大氣中的吸收、反射、

散射等效應,對於入射光光譜影響的一項重要指標。空氣 透過量 (AM) 的基本定義,是量測時的大氣壓 (b) 與標 準大氣壓 (bo) (101.3 KPa) 的比值,再乘以太陽天頂角 (z) 的餘弦值。

在世界各國以及各地,空氣透過量大小,將因太陽的移動 以及經緯度的不同,而有所不相同的。

AM = (b / b )Sec(z)

o

71

Air Mass

(8)

在照度特性方面,太陽光的照度大小,將影響太陽能電池元 件的電流 - 電壓特性

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

電壓 - 電流特性 ( 照射強度 )

電壓 (V) 1000 W/m2

800 W/m2

600 W/m2

400 W/m2

250 W/m2

電流 (A)

太陽能電池元件的照度特性

72

三、照度特性

(9)

在溫度特性方面,半導體元件的能隙大小,將因材料、元件

、以及製程等因素,而有所差異性的

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

1.8 電壓- 電流特性 ( 溫度 )

電壓 (V)

電流 (A) 15 C°

25 C° 35 C° 45 C°

55 C°

73

四、溫度特性

太陽能電池元件的溫度特性

(10)

由太陽能電池單元或太陽能電池模組,將因製造過程 之中,所可能產生的因素,而影響此些元件特性的不 均勻性。在太陽能電池單元的陣列配置組合時,將會 有非相配性的不整合率特性產生。無論是串聯式或並 聯式的太陽能電池胞或太陽能電池模組,在均勻的入 射光照射、同一照度大小、或同一溫度等條件之下,

進行量測太陽能電池元件及其模組的輸出特性,則將 各個單元所量測的結果合計地以總合比率表示之。

73

五、非相配特性或不整合率特性

(11)

太陽能電池單元是由 兩種不同屬性的半導 體所構成的二極體元 件,而此一二極體元 件特性即是太陽能電 池的二極體特性

3 2 1 1

2

3

4

1

2

3

4

5

6 1 2 3 4 5 6

電流 (mA)

電壓 (V) 正向導通狀態

逆向崩潰狀態

74

六、二極體特性

(12)

光 合 作 用

(13)

有機太陽電池原理

(Organic solar cells principle)

優點:低成本 缺點:低效率

(14)

染料敏化太陽電池的原理 染料敏化太陽電池的原理

(Dye-sensitized solar cells principle)

(15)

15

染料敏化太陽電池的結構 染料敏化太陽電池的結構

特點: 用奈米顆粒、增加吸收表面積

(16)

16

染料敏化太陽電池的反應步驟 染料敏化太陽電池的反應步驟

1) 照光後,染料分子由基態﹙S﹚變為激 發態﹙S*﹚

S + hυ → S*

2) 激發態的電子由染料注入TiO2 顆粒中,而染料分子自 身被氧化

S* → S+ + e- (<100 fs femtosecond transient absorption spectroscopy )

3) 氧化態S+與還原劑反應,變回基態,還原劑則被氧化 2S+ +3I- → 2S + I3-

4) 被氧化的還原劑又被對電極上的電子再次還原 I3- + 2e- → 3I-

FS是FemtoSecond的縮寫,中文簡稱為飛秒 ,即10的負15次方秒

(17)

17

N3 dye 分子結構

(18)

染料敏化太陽電池特色與優勢 染料敏化太陽電池特色與優勢

製作簡易,價格低廉,適合量產。(1/10 of Si)

可導入大尺寸之製程,能製成可饒式外型

,應用多元化。

材料無毒性,不會造成環境污染

(19)

Principle of silicon solar cell

P-N Junction

Valence – conduction band Transition

Problem: Excition 防害電子的收集

(20)

Si 太陽電池之結構

(21)

I-V curve

Voc~ 0.75 V, Jsc ~ 17.7 mA/cm2, Efficiency ~ 10 %

(22)

太陽電池之各種應用

太陽電池

(23)

可彎式太陽電池圖 可彎式

η~ 4%

TCPP Black rice

N3

(24)

太陽電池實驗產生電流圖

z將兩電極接至三用電表,負 端接TiO

2

工作電極,正端接 鍍有碳膜之對電極。

z將塗有TiO

2

薄膜之電極面朝

上,置於模擬燈源或陽光下

測試即可。

(25)

2000到2100年全球主要能

源需求預測

(26)

太陽能發電應用

(27)

太陽能光譜

(28)

The Large Concentrated PV System

(29)

太陽能發電應用

(30)

太陽能發電應用

(31)

太陽能發電應用

(32)

Building Integrated Photovoltaics

(BIPV)

(33)

BIPV應用

(34)

BIPV應用

(35)

太陽光電(BIPV)興建案例

(36)

太陽光電系統在印度汲水應用

南非獨立型太陽光電系統應用在 通訊

太陽能發電應用

(37)

太陽光電系統在落後地區的應用

(38)

Semiconductors Elemental and Compound

(39)

不同太陽電池材料對應太

陽光譜波長

(40)

Theoretical Prediction of PV Efficiencies

(41)

Optical Absorption Coefficients of PV Materials

(42)

The Types of Photovoltaic Cell

(43)

傳統單傳統單/多晶矽

太陽電池製程

(44)

非晶矽薄膜太陽電池構造

(45)

CIS 薄膜太陽電池構造

(Copper)・ (Indium )・(Selenium)

(46)

Dye-sensitized solar cell (DSSC)

1991年M. Grätzel發展出利用TiO2奈米結晶多孔膜作為 DSSC的電極,成功製備出高效率、低成本的新型太陽能 電池,並成為令人注目的研究新方向。

目前研發之DSSC整體效率可達約12%,在瑞士及澳洲已 有小規模的商業應用。近年DSSC著重在固態電解質的研

究,以及應用於柔軟可塑的材質上。

(47)

Various colors in a series-connected dye

solar cell modules

(48)

染料敏化太陽電池vs 矽 基太陽電池

製程容易、成本低

轉換效率隨溫度上升而提升

模板二面皆可吸收光線-有利於吸收散射

轉換率對入射光角度影響較小

具有的透明性可直接使用於窗戶- 模板顏

色因使用的染料顏色而變

(49)

入射光角度與溫度對太陽 電池發電量影響

染料太陽電池光電轉換效率受入射光 角度影響較小,隨溫度上升轉換率提升。

矽晶太陽電池光電轉換效率受入射光

角度影響較大,隨溫度上升轉換率下降。

(50)

Basic ideas of the photocurrent

(51)

Basic ideas of the photocurrent

氧化D→D

+

+ e

-

(失去電子→HOMO or IP)

還原A + e

-

→A

-

(得到電子→LUMO or EA)

(52)

Basic ideas of the photocurrent

(53)

Natural solar cell—chlorophyll

(54)

LHC (Light Harvesting

Complex) & Reaction Center

(55)

Artificial photosynthesis

— Grätzel cell

SWEF—Small Work Function Electrode

Actually, we call this effect as Photoelectrochemical effect rather than Photovoltaics effect

(56)

染料太陽電池原理與關鍵

技術

(57)

Cell Structure of DSSC

(58)

Basic Structure of DSSC (Glass Substrate)

(59)

Working Principle of DSSC

(60)

Dye Sensitizer

(61)

Working Principle of DSSC

(62)

Working Principle of DSSC

(63)

Working Principle of DSSC

(64)

Working Principle of DSSC

(65)

Working Principle of DSSC

(66)

Working Principle of DSSC

(67)

Working Principle of DSSC

(68)

Working Principle of DSSC

(69)

Working Principle of DSSC

(70)

DSSC實作

Start: two glass plates

(71)

DSSC實作

Titanium dioxide

(72)

DSSC實作

Dye

(73)

DSSC實作

Counter / C

(74)

DSSC實作

Electrolyte

(75)

DSSC實作

(76)

THANK YOU !!

英國Boathouse 太陽能遊艇

Solar shuttle

參考文獻

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