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太陽光電技術 Week 1: Basic concepts 光合作用 再生能源種類 • • • • • • 風能 太陽能 水力 地熱能 氫能 生化質能 Single Crystalline 單晶矽 Silicon 矽 Crystalline Poly Crystalline 晶矽 多晶矽 Amorphous Thin Film Thin Film Poly 非晶矽薄膜 Poly Crystalline solar cell Compound 多晶 化合物 Single Crystalline 單晶 Organic cell 有機材料 Dye-sensitized solar cell 染料敏化電池 多晶矽薄膜 太陽電池種類 Type of cell Efficienciy (%) Characteristics Crystalline (晶形矽) 24 high cost Multicrystalline (多晶形 矽) 18 high cost Amorphous (非晶形矽) 13 medium cost, unstable CuInSe2 (銅銦硒) 19 indium expensive III-V semiconductors (GaAs, InP) (砷 化鎵) 25 High efficiency, high cost II-VI (CdTe) (銻化鎘) 16 Dye-sensitized nanostructured Cells 10 low cost, scale up production Bipolar AlGaAs/Si 20 high cost Organic (有機) 3-5 low cost, Silicon(矽) 電磁波頻譜 太陽光功率=1500W/m2 (大氣上層) Figure 2.9: Schematic of AM reference spectra condition AM1.5G=1000 W/m2 (地球表面) Figure 2.10: Examples of other realistic atmospheric and air mass conditions compared to AM 1.5 Silicon 的能帶 (energy band) Principle of silicon solar cells Valence – conduction band Transition , one photon produces one e-h pair P-N Junction Problem: 電子電動因庫倫力吸引—Excition, 防害電子的收集 Exciton 的觀念 • bound Electron-hole pair 稱為 exciton A tightly bound exciton Exciton 之束縛能 實際Si 太陽電池之結構 Antireflection coating 減少入射光之反射 能量轉換效率 (energy conversion efficiency，η ) 入射太陽光輻射之能量( Pin ) 與太陽能電 池輸出功率 ( Pmax ) 的百分比 標準光源: AM 1.5 (0.1W/cm2) X軸交會點: 開路電壓 ( open circuit voltage，VOC ) Y 軸交會點: 短路電流( short circuit current，ISC ) 填充因子FF ( fill factor ) I-V量測示意圖 AM1.5 Filter 2400 圖3-3-1.2 電腦量測示意圖 IPCE ( Incident photon to current conversion efficiency ) λ : 單色光波長 J : DSSC光電流密度 Pin : 單色光入射能量 IPCE光譜量測架設圖 光纖 樣品座 Keithley 2400 圖3-3-3 IPCE光譜量測架設圖 染料對光波長的IPCE Theory for Si solar cells: One-diode model Iph: 入射光產生之電流 I0: 二極體飽和電流 實際狀況,須考慮平行電阻與串聯電阻— Rparallel, Rseries, 2-diode model 理想太陽電池之I-V 曲線 Rs, Rp 對I-V 曲線之影響 Series resistance 對solar cell 電流之效應 Rs及Rp的簡單計算 Rp-1 Rs =(dV/dI) at I=0 Rp =(dV/dI) at v =0 Rs-1