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從日光 生 產 能 量 化學分組報 告 目錄: 1.如何利用日光產生熱能？---------P3.4 2.什麼是太陽電池?-----------------P5.6.7 3.如何利用太陽電池產生電能 ---P8.9.10 太陽能板 1.如何利用日光產生熱能？ A.先了解日光:日光就是所謂的太陽光也就是地球生 物所不可或缺的來源之一 太陽的輻射能量是來自太陽內部的核融合反應,此反應每 秒約有6*10^11 kg的氫(H)被核融合成氦(He), 淨質量損 失約為 4*10^3 kg, 由愛因斯坦的公式 E= mc^2可以得 知此質量損失是轉換成約有 4*10^20 J(焦耳)的能量被 釋放出來.(取自知識家) 上面的解說大家一定都不懂 我也不懂 但是 科學家們把太陽的熱量轉成公式 熱功率 1W(瓦特) = 1 J/sec(焦耳/秒) = 1/4.1868 cal/sec(卡/秒) B.輻射熱的認識 輻射熱雖然是眼晴看不見的，但是事實上，它和光都是同類，因為火爐 的溫度比較低，所以只能放出輻射熱。如果是溫度較高的，像火焰或太陽， 就會把輻射熱和光一起放射出來，這樣我們的眼晴就可以看見了。 我們都知道把光照射在三稜鏡上，會分色散成七種顏色，因為輻射熱也 是光的一種，所以應該也會分成七種顏色。可是因為其他的顏色比紅色更 容易外洩，所以除了紅色之外，別的顏色我們都看不見，因此輻射熱又叫 做「紅外線」。 光和音波一樣，也是一種波，光和紅外線不同的地方就是波長。光的波 長大約是一萬分之一公分，而紅外線的波長大約是一千分之一公到十分之 一公分。 我們知道各種東西都是由原子構成的，然而，原子並不會互相緊密地黏 在一起，而是會彼此搖動的。 我們所說的溫度，事實上就是這種原子搖動的程度。 如果有紅外線這種波產生的話，原子就會被搖動。但是如果光的波長太 短的話，原子就不會搖動，就好像大船碰到細小的微波，一點都不會搖動 一樣。 因為紅外線的波長適中，所以原子會據烈地搖動。原子據烈地搖動時， 就是溫度上升，這是紅外線（即輻射熱）能使東西變暖和的原因。 2.什麼是太陽電池？ 1.太陽能電池的發電能源來自太陽光，而太陽輻射的光譜主要是以可見光為 中心，波長從 0.3 微米的紫外光到數微米的紅外光是主要的分布範圍。如果 換算成光子的能量，則大約在 0.3 到 4 電子伏特之間，因此能隙大小在這個 範圍內的材料，像矽材，會具有比較好的光電轉換效率。利用電位差發電， 無電磁波產生 太陽電池(solar cell)是以半導體製程的製作方式做成的，其發 電原理是將太陽光照射在太陽電池上，使太陽電池吸收太陽光能透過圖中的 p-.型半導體及n-型半導體使其產生電子(負極)及電洞(正極)，同時分離電子 與電洞而形成電壓降，再經由導線傳輸至負載。簡單的說，太陽光電的發電 原理，是利用太陽電池吸收0.2μm～0.4μm波長的太陽光，將光能直接轉變 成電能輸出的一種發電方式。由於太陽電池產生的電是直流電，因此若需提 供電力給家電用品或各式電器則需加裝直/交流轉換器，將直流電轉換成交流 電，才能供電至家庭用電或工業用電。 2.矽系太陽能電池的材料，主要可以分為單晶矽、多晶矽和非晶矽 3 大類。 在單晶矽的材料中，矽原子具有高度的周期性排列。目前，成長單晶矽最重 要的技術是利用柴氏長晶法，把高純度的多晶矽熔融在坩鍋中，再把晶種插 入矽熔融液，用適當的速率旋轉並緩慢地往上拉引做成矽晶柱，然後再把晶 柱加以切割，就可以得到單晶矽晶圓。 3.至於多晶矽是指材料由許多不同的小單晶所構成，它的製作方法是把熔融 的矽鑄造固化而形成。而非晶矽則是指整個材料中，只在幾個原子或分子的 範圍內，原子的排列具有周期性，甚至在有些材料中，根本沒有周期性的原 子排列結構。它的製作方法通常是用電漿式化學氣相沈積法，在基板上長成 非晶矽的薄膜。由於材料的晶體結構不同，因此，用不同的材料設計出太陽 能電池時，它們的光電特性也會有所不同。 4.一般來說，單晶矽太陽能電池的光電轉換效率最高，使用年限也比 較長，比較適合於發電廠或交通照明號誌等場所的使用。世界上，生 產太陽能電池的主要大廠，例如德國的西門子及日本的夏普公司，都 以生產這類型的單晶矽太陽能電池為主。 5.至於多晶矽太陽能電池，因為它的多晶特性，在切割和再加工的手 續上，比單晶和非晶矽更困難，效率方面也比單晶矽太陽能電池的低。 不過，簡單的製程和低廉的成本是它的最重要特色。所以，在部分低 功率的電力應用系統上，便採用這類型的太陽能電池。對於非晶矽的 太陽能電池來說，由於價格最便宜，生產速度也最快，所以非晶矽太 陽能電池也比較常應用在消費性電子產品上，而且新的應用也在不斷 地研發中。 6.太陽能電池除了可以選用矽材料外，還可以採用其他的材料來製作， 例如碲化鎘、砷化鎵銦、砷化鎵等化合物半導體的材料，也可以製作 高效率的太陽能電池。但是，因為這些材料的成本比較高，製成的元 件只適用在一些比較特殊的應用上。 三種市場上流通的太陽能電池 單結晶矽太陽電池 SINGLECRYSTAL 多結晶矽太陽電池 POLYCRYSTAL 非結晶矽太陽電池 AMORPHOUS 取圖至太陽能聯誼會 3.如何利用太陽電池產生電能 取圖至太陽能聯誼 會 光電轉換原理 讓我們用構造最簡單的單晶矽太陽能電池，來說明太陽能電池的光起電力原 理。首先由材料方面談起，矽是現在各種半導體產業中最重要，而且使用最 廣泛的電子材料。它的來源是矽砂（二氧化矽），原料取得很容易，成本也 比較低。 在元素周期表裡，矽的原子序是 14，晶體是鑽石結構，屬於第 IV 族元素。 所謂的第 IV 族元素，是指在它的外層電子軌域上，有 4 個電子環繞原子核 運行，而這 4 個電子又稱為價電子。每個矽的 4 個外層電子，分別和 4 個鄰 近矽原子中的一個外層電子兩兩成對，形成共價鍵。 N 型半導體：如果在純矽中摻入擁有 5 個價電子的原子，例如磷原子，這個 雜質原子會取代矽原子的位置。但是，當擁有 5 個價電子的磷原子和鄰近的 矽原子形成共價鍵的時候，會多出 1 個自由電子，這個自由電子是一個帶負 電的載子。我們把這個提供自由電子的雜質原子稱為施體，而摻雜施體的半 導體就稱為 N 型半導體。 P 型半導體：同樣地，如果在純矽中摻入三價的原子，例如硼原子，這個三 價的雜質原子會取代矽原子的位置。但因為硼原子只可以提供 3 個價電子和 鄰近的矽原子形成共價鍵，因此會在硼原子的周圍產生 1 個空缺，這個空缺 就被稱作電洞，這電洞可以當成一個帶正電的載子。通常，我們把這一個提 供電洞的雜質原子稱作受體，同時把摻雜受體的半導體稱為 P 型半導體。 當 P 型及 N 型半導體互相接觸時，N 型半導體內的電子會湧入 P 型 半導體中，以填補其內的電洞。在 P-N 接面附近，因電子－電洞的結 合形成一個載子空乏區，而 P 型及 N 型半導體中也因而分別帶有負、 正電荷，因此形成一個內建電場。當太陽光照射到這 P-N 結構時，P 型和 N 型半導體因吸收太陽光而產生電子－電洞對。由於空乏區所提 供的內建電場，可以讓半導體內所產生的電子在電池內流動，因此若 經由電極把電流引出，就可以形成一個完整的太陽能電池。 圖示 THE END Thanks your onlooking