太阳能电池原理
太阳光电能是干净、无污染且随手可得的能源，而且是取的不尽、用的不竭。在化石能源逐渐短缺的今日，选择太阳光电能作为替代能源是解决能源危机的途径的一。然而太阳能电池（Solar Cell，在物理学上称为Photovoltaic Cell：简称PV）的成本高、效率低却成为它发展的重要瓶颈，因此如何在单位面积的内使太阳能电池发挥最大的发电量，就成为发展太阳能工业的一大研究重点。以下对太阳能电池原理做一简单的介绍。
1.2 太阳能电池的原理
太阳能电池的能量转换是应用pn接面的光伏效应（Photovoltaic Effect）。首先对pn 接面二极管做一简单说明，如图1 所示，为一理想的pn接面二极管的电流-电压（I-V）特性图，其对应的方程式如下：
式（1）
其中
V pn I pn：pn接面二极管的电流及电压
k ： 波兹曼常数（Boltzmann Constant: 1.38×10-23 J/oK ）
q ： 电子电荷量（1.602×10-19 库仑）
T ： 绝对温度（凯氏温度oK＝摄氏温度℃＋273 度）
Is ： 等效二极管的反向饱和电流
VT： 热电压（Thermal Voltage：25.68mV）
图1 pn接面二极管I-V特性图
太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子—光子
（Photons），而每个光子所携带的能量为ph E ：
式（2）
其中
h ： 普郎克常数（Planck Constant: 14.4×10-15 eVS）
c ： 光速（3×108 m/s ）
λ： 光子波长
但并非所有光子都能顺利地由太阳能电池将光能转换为电能，因为在不同的光谱中光子所携带的能量不一样，就如同pn 接面二极管：
1. 当外加能量大于能隙（Band Gap）时，电子由价电带（Valence Band）跃迁至导电带（Conduction Band）而产生所谓的“电流”，所以当光子所携带的能量若大于能隙时，便可以由光电子转换成电能，如图2所示。
2. 若光子所携带得能量小于能隙时，就对太阳能电池而言并没有什么作用，不会产生任何的电流。但在太阳光照射到太阳能电池产生电子-电洞对（Electro-Hole Pair）的同时，也会有部份的能量以热能形式散逸掉而不能被有效的利用。
图2 太阳光照射在太阳能电池上的结构图
如上述所言，太阳光被吸收后产生电子-电洞对，在受到接面部份所形成的强电场的吸收，促使电子流入n 层且电洞流入p 层而形成电流。
在其外部电路开路的状况下，因有载子（Carrier）流入，结果会使n 层带负电且p层带正电，而在pn两端的费米能阶（Fermil Level），则会产生电位差Voc （此Voc 乃是太阳光照射时的开路电压）。当外部负载变为短路时，就会有与入射光量成正比的短路电流通过。太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄pn 接面的大面积的等效二极管，因此可以假设太阳能电池为有一个二极管与太阳光电流的发生源所并联的等效电路，如图3 所示。
图3 太阳能电池理想状态等效电路
1.3 太阳能电池的种类
目前市面上的太阳能电池的分类及其在市场上的占有率如图4和图5所示。大致上可分为堆积型（Bulk Type）和薄膜型（Thin Film Type）两种，介绍如下：
图4 太阳电池种类
图5 各种太阳能电池的市场占有率
堆积型太阳能电池又可分为：
单结晶硅太阳能电池
多结晶硅太阳能电池
Ⅲ-V 族化合物半导体太阳能电池
薄膜型太阳能电池又可分为：
非结晶硅太阳能电池
晒化铜铟（CulnSe2）太阳能电池
鍗化镉（CdTe）太阳能电池
3.1 单结晶硅太阳能电池
单晶硅太阳电池其特征如下：
(1) 原料硅的藏量丰富。由于太阳光的密度极低，故实用上需要大面积的太阳电池，因此在原材料的供给上相当重要，再加上Si材料本身对环境影响极低。
(2) 由单晶硅制造技术或p-n接合制作技术，为电子学上Si集成电路的基础技术，随着技术成熟度增加而进步神速。
(3) Si 的密度低，材料轻。特别是应力相当强，即使厚度在50μm 以下的薄板，强度也够。
(4) 与多晶硅及非晶硅太阳电池比较，其转换效率较高。
(5) 发电特性极稳定。在灯塔与人造卫星实用上，约有20年耐久性。
(6) 由于能阶构造属于间接迁移型，在太阳光谱的主区域上，光吸收系数只有103cm-1 程度，相当小。故为吸收太阳光谱，需要100μm 厚的硅。
目前单晶硅太阳能电池的开发是朝着降低成本和提升效率的两方面着手，单晶硅太阳能电池（Cell）的转换效率约为15-17％，而模块（Module）化后其转换效率约为12-15％，一般厂商对模块化转换效率的定义，是依照该模块中最低太阳能电池转换效率的效率为基准，而不是取太阳能电池的平均转换效率，如图6 所示。现阶段的发展是以铸造硅（Cast Si）为主要材料，而其每10 cm2 的单位转换效率已高达17.2％，并同时进入量产期。目前世界上效率最高是由澳洲的Mr. Green 所开发出来，其面积为4cm2 所得到转换效率可高达23.4％。
图6 串联效率不同的太阳能电池
3.2 多结晶硅太阳能电池
单晶硅太阳能电池虽有其优点，但因价格昂贵，使得单晶硅太阳能电池在低价市场上的发展备受阻碍。而多晶硅太阳能电池则是以降低成本为优先考虑，其次才是效率。多晶硅太阳能电池降低成本的方式主要有三个，一是纯化的过程没有将杂质完全去除，二是使用较快速的方式让硅结晶，三是避免切片造成的浪费。因为这三个原因使得多结晶硅太阳能电池在制造成本及时间上都比单晶硅太阳能电池少，但因为这样使得多晶硅太阳能电池的结晶构造较差。多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池虽然结晶构造不一样但发电原理一样。多晶硅太阳能电池结晶构造较差主要的原因有两个，一是本身含有杂质，二疏在结晶的时候速度较快，硅原子没有足够的时间成单一晶格而形成许多结晶颗粒。结晶颗粒愈大则效率与单晶硅太阳能电池愈接近，结晶颗粒愈小则效率愈差。效率差的原因是颗粒与颗粒间存在着结晶边界，结晶边界存在许多的悬浮键，悬浮键会与自由电子复合而使电流减少，而且结晶边界的硅原子键结情况较差，容易受紫外线破坏而产生更多的悬浮键。随着使用时间的增加，悬浮键的数目也会随着增加，光电转换效率因而逐渐衰退。此外杂质多半聚集在结效率100％效率75％串联组合晶边界，杂质的存在会使自由电子与电洞不易移动。结晶边界的存在使得多晶硅太阳能电池的效率降低，悬浮键的增加使得光电转换效率衰退，这两个是多晶硅太阳能电池的主要缺点，而成本低为其主要优点。
多晶硅太阳能电池在工业上的运用，目前可达到每100cm2 的单位转换效率为15.8％（Sharp公司），若在实验室中也能做到面积每4cm2 的单位转换效率为17.8％（UNSW），多晶硅太阳能电池的一般转换效率约为10-15％，模块化的转换效率约为9-12％。由上述的效率和模块化观点，我们不难发现为什么单晶硅较常被采用的原因。
3.3 族化合物半导体
族化合物半导体太阳能电池特征如下：
(1) 高效率：已知太阳能电池的光电转换理论效率，与半导体的禁制带宽有关。与太阳光光谱整合点来看，有1.4~1.5eV 左右禁制带宽的半导体，适合高效率太阳电池材料。与禁制带宽为1.1eV 的Si比较，1.41eV的GaAs，1.35eV 的InP或1.44eV 的CdTe 有较高效率。
(2) 适合薄膜化：因为Si为间接迁移型能阶构造，光吸收系数小，为吸收充足的太阳光，如图7所示，需要100μm以上的厚度，而化合物半导体多为直接迁移型，光吸收系数大，有数μm 的厚度，即可有充分的效率。对于太阳电池薄膜化，可节省材料与电力。
(3) 可耐放射线损伤：一般动作领域浅与直接迁移型的故，少数单体扩散长度也短，耐放射线佳。因此，如Ⅲ-V 族化合物太阳电池，更适合太空用途。
(4) 高集光动作：比Si的禁制带幅还要宽的化合物半导体，在高温动作时，暗电流的变化较小，故太阳电池效率的降低较小，如图8所示。因此，集光动作时温度的影响较小，可以比Si 结晶的太阳电池有1000 倍以上的高集光动作。
(5)各种半导体的组合，可使波长感度的带宽域化，可期待高效率化。族化合物半导体，可以达到30-40％的超高效率，这种太阳能电池的第二代有较小单位面积，但却拥有超高效率的特性，已在专业实验室中获得证实，例如磷化镓铟（GaInp）/砷化镓（GaAs）已可得到将近30％的效率。而就所知，利用聚光方式可使太阳能电池的转换效率再向上提升，例如把砷化镓（GaAs）/锡化镓（GaSn）迭层起来，太阳能电池在聚光下的转换效率也可高达35.8％，这是目前世界上所得到最高转换效率的太阳能电池。
图7 Si及GaAs太阳能电池理论效率与膜厚，粒径关系
图8 化合物半导体的光电池转换效率
3.4 薄膜型太阳能电池
薄膜型太阳能电池由于使用材料较少，就每一模块的成本而言比起堆积型太阳能电池有着明显的减少，制造程序上所需的能量也较堆积型太阳能电池来的小，它同时也拥有整合型式的连接模块，如此一来便可省下了独立模块所需在固定和内部连接的成本。未来薄膜型太阳能电池将可能会取代现今一般常用硅太阳能电池，而成为市场主流。
非晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池的最主要差异是材料的不同，单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池的材料都疏，而非晶硅太阳能电池的材料则是SiH4，因为材料的不同而使非晶硅太阳能电池的构造与晶硅太阳能电池稍有不同。
SiH4 最大的优点为吸光效果及光导效果都很好，但其电气特性类似绝缘体，与硅的半导体特性相差甚远，因此最初认为SiH4 是不适合的材料。但在1970年代科学家克服了这个问题，不久后美国的RCA制造出第一个非晶硅太阳能电池。虽然SiH4 吸光效果及光导效果都很好，但由于其结晶构造比多晶硅太阳能电池差，所以悬浮键的问题比多晶硅太阳能电池还严重，自由电子与电洞复合的速率非常快；此外SiH4 的结晶构造不规则会阻碍电子与电洞的移动使得扩散范围变短。基于以上两个因素，因此当光照射在SiH4上产生电子电洞对后，必须尽快将电子与电洞分离，才能有效产生光电效应。所以非晶硅太阳能电池大多做得很薄，以减少自由电子与电洞复合。由于SiH4的吸光效果很好，虽然非晶硅太阳能电池做得很薄，仍然可以吸收大部分的光。
非晶硅薄膜型太阳能电池的结构不同于一般硅太阳能电池，如图9 所示，其主要可分为三层，上层为非常薄（约为0.008微米）且具有高掺杂浓度的P＋；中间一层则是较厚（0.51 微米）的纯质层（Intrinsic layer），但纯质层一般而言通常都不会是完全的纯质（Intrinsic），而是掺杂浓度较低的n 型材料；最下面一层则是较薄（0.02 微米）的n。而这种p+-i-n的结构较传统p-n结构有较大的电场，使得纯质层中生成电子电洞对后能迅速被电场分离。而在P＋上一层薄的氧化物膜为透明导电膜（Transparent Conducting Oxide :TCO），它可防止太阳光反射，以有效吸收太阳光，通常是使用二氧化硅（SnO2）。非晶硅太阳能电池最大的优点为成本低，而缺点则是效率低及光电转换效率随使用时间衰退的问题。因此非晶硅太阳能电池在小电力市场上被广泛使用，但在发电市场上则较不具竞争力。
图9 非晶硅薄膜型太阳能电池的结构图
其它薄膜型中较值得一提的是晒化铜铟薄膜型太阳能电池，因它有非晶硅薄膜型太阳能电池所不能达到的高效率与可靠度。就效率而言，它在很小的单位面积上已经可达到16％以上，且没有可靠度方面的问题，但由于其量产技术尚未完全成熟，特别在大面积基板上形成的场合中，各元素比例的均一性等问题，都是今后发展研究的课题。
1.4 太阳能电池的电气特性
如前面图3 所示，太阳能电池在理想状态时，可用式（3）来表示其I-V 关系式：
式（3）
其中
I sc ： 某日照量下太阳能电池的短路电流
I s ： 等效二极管的反向饱和电流
n ： 理想参数值，一般介于12 的间
图10 为太阳能电池实际的等效电路，可用式（4）
来表示其 I pv V pv 关系式：
（4）
其中
Rs： 硅内部电阻与电极电阻等的串联等效电阻
Rsh ： 各种原因所造成而呈现接面不完全的并联电阻
此外，在式（4）中的sI 表示太阳能电池中的反向饱和电流，同时也是温度的函数，其数学关系式可以表示如下：
式（5）
其中
Tr ： 太阳能电池的参考温度（oK）
Isi ： 太阳能电池在温度Tr时的反向饱和电流
EGap： 半导体材料跨越能隙时所需的能量
q ： 电荷量（1.6×10-19）
由式（5）可知，在定电流源I sc 所产生的电流，有一部份会在太阳能电池中的二极管中消耗掉。
一般在讨论太阳能电池实际等效电路时，可由忽略Rs或Rsh的情况，做以下两种的探讨：
1. 当日照强度很低时，太阳能电池的泄漏电流Vd/Rsh 与二极体电流I d 的大小相当，因此太阳能电池输出电流受shR的影响较R s 的影响大许多，故可将式（4）改写为：
式（6）
2. 若日照强度很高时，二极管电流I d 远大于泄漏电流V d/ R sh ，则此时R sh 的影响很小， R s便成为影响太阳能电池输出得主要原因，因此式（4）可简化为：
式（7）
太阳能电池的等效电路中的内部串联电组R s与并联电阻R sh为影响太阳能电池输出特性的最主要因素。R s与R sh对输出特性有不同的影响，其中R s越大则短路电流会越小，但几乎不会对开路电压造成影响；而R sh越大则开路电压会越小，但并不会影响到短路电流。在发电效率上，由于正常操作条件下，太阳能电池的输出电压与电流变化中，似乎输出电流对输出功率的影响程度会较大，加上影响开路电压的因素除了R sh外还包括二极管的电流值，因此R s对太阳能电池发电效率影响较为明显，而R sh的影响则比较不明显。在结晶硅太阳能电池中，Rs每增加一奥姆约使发电效率降低1％，而一般结晶硅太阳能电池的R s约在0.6Ω左右。
图10 实际状态时的等效电路
由式子（7）可知I sc 和I s的大小值与太阳能电池的整个结构相当有关，例如：太阳能电池的几何形状、制造过程都是影响的因素。在I pv Vpv 的特性曲线中，要特别注意下列几点：在短路情况下（ V pv =0 ），这时所有产生的电流全都流向外加的短路负载而不会流经过二极管，此时短路电流I pv 几乎等于光照下所产生的电流I sc；当处于开路情况时（I pv =0），光照下所产生的电流完全流经二极管，此时开路电压V oc 为：
式（8）
利用式子（7）可画出太阳能电池的Ipv Vpv 及V pv P pv 等特性曲线，如图11 所示，由图可知太阳能电池的输出曲线为非线性且为温度与日照强度的函数，每一条曲线中各点所能画出的最大矩形面积则是I pv 与V pv 的最大乘积值称为最大功率点，定义为Pmax，为在该日照强度下，它所能输出功率的最大值。而太阳能电池的填充因子（Fill Factor：F.F）及转换效率ηs，分别定义为：
其中P in 为单位面积入射光功率，就是所谓的日照强度(Irradiation)。
图11 太阳能电池的输出特性
太阳能电池数组（Array）是由许多小单位的模块经由并联或是串联组合所组成；模块串联组合可以提高太阳光电能发电系统的最高输出直流电压；模块并联组合可以提高太阳光电能发电系统的最高输出直流电流，而串联或并联模块可以交替使用以便得到期望的输出直流电压或直流电流值。由于太阳能电池的制造过程较为复杂，会造成每一太阳能电池模块的特性不完全一致，再加上环境的因素，例如：周围环境、灰尘、云层的阻碍、建筑物造成的阴影等等，使得每一个相同模块所产生的电压、电流都不尽相同，而会造成某些模块成为其它模块的负载的情况发生，在这个情况下因为能量的消耗会使得模块温度上升，而当太阳模块内部温度超过75℃85℃时即有可能会造成模块的损坏，或当太阳能数组装设的地点有被建筑物挡到时，造成阴影覆盖在太阳能模块上而造成该模块无法与其它模块产生相同的电压、电流时。在太阳数组中有模块损坏时或模块被阴影挡到时，所有的电压会全部落在这个模块上，为了要解决上述的情况，就在每一个模块并联一个旁路二极管（Bypass Diode），如图11所示，如此便可提供每一模块一个能量散逸的低阻抗路径，克服了多个模块连接时的问题。
在白天时太阳能电池会对蓄电池组进行充电的动作，若是太阳能电池在夜晚时或没有足够亮光时，其输出电压会低于蓄电池电压。此时，太阳能电池的特性表现就如同一般的二极管，而如蓄电池组有放电动作的话，电流将会从蓄电池倒流入太阳能电池，造成太阳能电池的损坏。为防止此发生，其最简单解决方式便是在太阳能电池与蓄电池组的间加入一阻隔二极管（Blocking Diode），如图12所示。但此二极管于正向偏压时会有压降产生，并使得成本提高这是在设计方面应该有所注意的。目前市售二极管的偏压，如图13所示，硅二极管为0.60.7V，Schottky二极管为0.20.3V，Ge二极管为0.10.3V。以Ge二极管而言，虽然电压降很小，但逆电流大，实际上很少使用。因此充电电压高时，用低成本的硅二极管，而充电电压低时，以成本稍高且压降小的Schottky二极管最好。
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