电流-电压特性曲线方程式

太陽光電技術與系統應用太陽是地球能源之母•太陽是地球上所有能源的源頭，目前已知的能源幾乎都直接或間接來自太陽。–石油、煤、天然氣、水力、太陽能、風力、光合作用、海洋能等等，核能、地熱除外。•太陽光照射整個地球表面1小時內的能量(~51020J)，約可供全人類使用1年(2005)。•太陽還可以繼續發光至少50億年以上。太陽能是免費、取之不盡、用之不竭之潔淨能源，但必須找到有效的使用法。地球的污染日愈嚴重，溫室效應不容小觀1997年京都議定書於2005年2月16日正式生效，要求工業國家降低CO2排放量，發展再生能源，降低碳的排放是必然的趨勢平均傳統能源發電之CO2排放量530噸/GWh太陽光電發電製造之CO2排放量僅5噸/GWh溫室效應所帶來的氣溫變化(一)•溫室效應的來源：溫室效應所帶來的氣溫變化(二)溫室氣體(GHG)源(SOURCE)匯(SINK)對氣候的影響(IMPACT)二氧化碳(CO2)1)燃料2)改變土地的使用（砍伐森林）1)被海洋吸收2)植物的光合作用吸收紅外線輻射，影響大氣平流層中O3的濃度甲烷(CH4)1)生物體的燃燒2)腸道發酵作用3)水稻1)和OH起化學作用2)被土壤內的微生物吸取吸收紅外線輻射，影響對流層中O3及OH的濃度，影響平流層中O3和H2O的濃度，產生CO2一氧化二氮(N2O)1)生物體的燃燒2)燃料3)化肥1)被土壤吸取2)在大氣平流層中被光線分解與及和O起化學作用吸收紅外線輻射，影響大氣平流層中O3的濃度氯氟碳化合物(CFCs)工業生產在對流層中不易被分解，但在平流層中會被光線分解和跟O產生化學作用吸收紅外線輻射，影響平流層中O3的濃度二氧化硫(SO2)1)火山活動2)煤及生物體的燃燒1)乾和濕沉降2)與OH產生化學作用形成懸浮粒子而散射太陽輻射臭氧(O3)光線令O2產生光化作用與NOx，ClOx及HOx等化合物的催化反應。吸收紫外光及紅外線輻射一氧化碳(CO)1)植物排放2)人工排放（交通運輸和工業）1)被土壤吸取2)和OH起化學作用影響平流層中O3和OH的循環，產生CO2（資料來源：IPCC,2001)溫室效應所帶來的氣溫變化(三)•(1855－1995全球平均地球表面溫度的變化年平均值)(資料來源：WMO,1996)氣溫上升所帶來的傷害•這種溫度快速升溫情況，而全球氣候和生態環境將產生劇烈的變化，包括：1.海平面的上升。根據氣候變化政府間專家委員會(IPCC）2001年的評估報告，到2100年氣溫可能再上升1.4至5.8度,在未來的預測上，海平面也因此大約會上升18公分到1公尺之間，平均的海平面將上升了45公分。2.全球氣候變遷，暴雨或乾旱，氣候變的異常，例如熱浪、寒流、颱風、水災或旱災等造更多損害。3.土地沙漠化，生態環境改變，動植物生態發生變化大規模的遷移等。京都議定書•為落實溫室氣體排放管制工作，1997年12月於日本京都舉行聯合國氣候變化綱要公約第三次締約國大會，通過了具有約束效力的京都議定書（KyotoProtocol），以規範工業國家未來之溫室氣體減量責任。•140個國家批准了溫室氣體減量的國際條約，已開發國家領先減量(共有25國)，在2008到2012年間將六種溫室氣體(主要以二氧化碳為主要)，減至比1990基準年再少5.2%。京都議定書對我國的影響1.我國為二氧化碳高排放量國：我國二氧化碳排放量佔全球1%，全球排名第22。2.我國二氧化碳排放量成長快速：我國的二氧化碳排放量由1992年到2002年間成長快速，根據環保署的資料，預估至2020年二氧化碳之排放總量，將由1990年之121百萬公噸提升至461百萬公噸，成長約3.81倍，將與京都議定書規劃之減量目標背道而馳。人類必須對能源與環保應該覺醒•石油儲藏量剩下1兆338億桶(Barrel)，尚可使用約43年•天然氣儲藏量剩下146兆立方公尺，尚可使用約62年•鈾儲藏量剩下395萬噸，尚可使用約64年•煤儲藏量剩下9,842億噸，尚可使用約230年•全世界至少有20億人口，目前仍無電可用！•不必等到石油耗盡，能源的價格將會飆漲到大家都無法承受！•目前地球的平均溫度比20年前高了0.2℃以上•1997年「京都環境會議」，制訂各工業國家CO2排放減量標準(2005/2/16開始實施)•各國皆訂定達成再生能源比例12%~15%之目標能源種類石油煤炭天然氣太陽能風力小水力地熱能生質能能源化石能源新能源再生能源能源新利用燃料電池電動機車淨煤技術潔淨能源台灣民眾應該覺醒！•我國98%以上的能源仰賴進口•水力的投資風險高且已近飽和•政府非常家園政策，反核意識高漲•發展使用符合環保、循環再生，並取之不盡之再生能源已是刻不容緩–我國訂定再生能源比例之目標為10%@2010–2010年再生能源發電裝置總容量目標:513.9萬瓩，其中風力:215.9萬瓩、水力:216.8萬瓩、太陽光電:2.1萬瓩、地熱:5.0萬瓩、生質能:74.1萬瓩風力發電(一)•全球風力發電總裝置容量已近25,000MW，年發電量逾500億度，估計約可供應全球1,400萬戶家庭之用電。全球風力發電裝置容量成長圖風力發電(二)VestasV47-660風力機結構1.葉片8.油溫冷卻器15.轉向控制2.葉輪輪轂9.萬向接軸16.齒輪箱支撐桿3.葉片軸承10.主發電機17.轉向齒輪盤4.主傳動軸11.維修用小吊車18.轉向齒輪5.副發電機12.旋角控制桿19.塔頂控制單元6.齒輪箱13.機組座架20.油壓控制單元7.碟式煞車14.塔架太陽光電(一)•太陽光電於最近幾年之成長快速，近三年全球市場每年成長近40%，於2000年之銷售量為287MW，至2001年則為390MW。國家19941995199619971998199920002001美國25.6438.8538.8553.053.760.874.79100.3日本16.5016.4021.2035.049.280.0128.60171.2歐洲21.7020.1018.8029.333.540.060.6686.4其他5.606.359.759.418.720.523.4232.6合計69.4477.6088.60125.8154.9201.3287.65390.5主要國家歷年太陽電池市場銷售量(單位：MW)太陽光電(二)拋物線槽式發電系統集中塔式發電系統生質能發電(一)•目前生質能為全球第四大能源，僅次於化石能源，供應全球15%的初級能源需求，約占世界所有再生能源應用的2/3。根據統計，至1997年止生質能在歐盟的總產量為占再生能源的63.6%；生質能發電量則占再生能源的29%。包括：1.木材與林業廢棄物如木屑等。2.農作物與農業廢棄物如黃豆、玉米、稻殼、蔗渣等。3.畜牧業廢棄物如動物屍體、廢水處理所產生的沼氣。4.垃圾與垃圾掩埋場與下水道污泥處理廠所產生的沼氣5.工業有機廢棄物如有機污泥、廢塑橡膠、廢紙、黑液。生質能發電(二)來源轉換核心技術利用廢塑膠廢橡膠石油焦油(污)泥都市垃圾農產廢棄物生質作物前處理氣化/裂解燃氣淨化/純化發電燃氣引擎氣渦輪機複循環發電燃料電池外燃式引擎固態衍生燃料熱利用鍋爐(混燒)焚化爐工業爐地熱發電•地熱的用途甚廣，諸如發電、工業利用、農業利用等，但以能源使用觀點而言，則以利用於發電上的使用範圍最高。國外對地熱發電之大量開發應用始於1960年代，發展至2000年為止，全世界已有二十餘國共建置約250多座地熱發電廠，總裝置容量將近8,000MW。資料來源：物理趣談100則牛頓文庫水力發電•水力發電是再生能源，對環境衝擊較小。台電公司推動相關開發規劃中，裝置容量共27.45萬千瓩，目前民間業者進行中之水力發電裝置容量共計6.83萬千瓩。太陽光電重要發展歷程•1954年BellLabs發展出矽太陽電池(Chapin等人，轉換效率約4.5%)•1956年第一個太陽電池製作成功•1958年開始太空應用(GaAs)•1970年開始太陽光發電系統地面應用(Si)(能源危機)•1976年Carlson製作出第一個非晶薄膜太陽電池•1980年消費性薄膜太陽電池應用(a-Si,CdS/CdTe)•1990年與公用電力併聯之太陽光發電系統技術成熟(Grid-ConnectedPVSystem,Si)(電力電子技術)•1992年起歐美、日各國推動PV補助獎勵•2000年建材一體型太陽電池應用(BIPV)不同太陽電池材料對應太陽光譜波長圖太陽能發電原理太陽能電池材料(一)太陽電池種類半導體材料市場模組發電轉換效率矽(硅)silicon目前太陽光電系統中應用最為廣泛晶矽Crystalline單晶矽SingleCrystalline12~20%多晶矽PolyCrystalline10~18%非晶矽AmorphousSi、SiC、SiGe、SiH、SiO6~9%多化合物Compound應用於太空及聚光型太陽光電系統單晶SingleCrystallineGaAs、InP18~30%多晶PolyCrystallineCdS、CdTe、CuInse10~12%奈米及有機Nano&Organic應用於有機太陽電池，屬研發階段TiO21%以下資料來源：太陽光電資訊網太陽能電池材料(二)•單晶矽又稱為單結晶、晶圓型。製程貴，發電量佳，礙於晶圓型式，多半截圓型或圓弧造型，舖設時面積上無法達到最大利用及吸收。•多晶矽又稱為多結晶。製程上較便宜，發電量略遜單晶矽，可截為正方形，舖設時可達到最大面積利用及吸收。其晶狀分佈，具有藝術效果，可為建築物外觀加分。另外，雖其結理易造成碎裂，但晶體可再利用做為項鍊等裝飾品。•非晶矽(可撓式)成本便宜，發電率較差，且容易造成裂質化。但由於可直接鍍在玻璃及塑膠上面，與建築物可做最佳結合。除可做太陽光電系統發電用，室內型民生消費品也常見其應用，如：電子計算機、搖頭娃娃、玩具等。材料之比較材料理論轉換效率實際轉換效率耐用性成本用途單晶矽25-30%34%集光型24%(實驗室級)14-17%(商業用)佳高太空電力中央發電系統獨立電源少數民生用品多晶矽20%17.7%(實驗室)11-14%(商業用)佳中獨立電源少數民生用品III-V族GaAs-lnP等35%27.8%(實驗室)佳極高太空電力薄膜太陽電池非晶矽15%13.5%(實驗室)5-7%(商業用)低獨立電源少數民生用品III-V族17-18%15.8%(實驗室)佳低獨立電源少數民生用品常見太陽能電池模板資料來源：太陽光電資訊網太陽能電池模組基本結構+-太陽電池模板接線太陽電池模板結構正面強化玻璃EVATedlarTM(Dupont）)EVAPolyesterTedlarTM(Dupont）)背面太陽電池模板外觀太陽電池模板之規格範例種類項目單晶矽多晶矽額定輸出功率(WP)175125開路電壓(V)44.432.3短路電流(A)5.555.46最大輸出工作電壓(V)35.426.0最大輸出工作電流(A)4.954.8輸出最大功率(W)175125尺寸(MM)W1573.6L826H46W1200L802H46重量(KG)1712.5測定條件：日照強度AM1.5、1,000W/M2，MODULE溫度25℃太陽能電池模板製作過程(一)1.清洗蝕刻2.磷擴散P-typewaferP-typewafer太陽能電池模板製作過程(二)3.鍍抗反射層4.網印5.燒結太陽光電能之電氣特性太陽光電能之電氣特性太陽光電能之電氣特性太陽能電池之等效電路模型•太陽能電池，基本上是一p-n接面二極體，在上、下面皆有引出電極網，因此有接觸電阻效應。•電極與接面間存在漏電流，因其具有非線性之特性，故通常將它視為一個電流源。電流-電壓特性曲線方程式•電流-電壓特性曲線方程式，在忽略並聯電阻的情形下的方程式：}1])({exp[AKTRIVqIIIsoosatgo0I：太陽能電池輸出電流0V：太陽能電池輸出電壓gI：光所產生的電流satI：太陽能電池的飽和電流sR：為矽內部電阻與電極部電阻等之串聯電阻q：載子電荷量)106.1(19CA：介電常數（1~2