染料敏化型太陽能電池專題系列(一) 016 pn接合型太陽能電池原理

太陽能電池是一種可以將能量轉換的光電元件，它祇要一照到光，瞬間就可輸出電壓及電流。其基本構造是將高純度的半導體材料加入硼可形成p型半導體，加入磷可形成n型半導體，pn兩型半導體接合而成的。
半導體 最基本的材料是「矽」，它是不導電的，但如果在半導體中摻入不同的雜質，就可以做成p型與n型半導體，再利用p型半導體有個電洞(hole)，與n型半導體多了一個自由電子(electron)的電位差來產生電流，所以當太陽光照射時，光能將矽原子中的電子激發出來，而產生電子和電洞的對流，這些電子和電洞均會受到內建電位的影響，分別被n型及p型半導體吸引，而聚集在兩端。此時外部如果用電極連接起來，形成一個迴路，這就是太陽能電池發電的原理。
太陽能電池的結構
在光線照射太陽能電池時，將兩端短路會有一短路電流Isc(short circuit)，開路時會有一開路電壓Voc，這兩個參數在太陽能系統上是很重要數據。在光線固定下，電壓為橫座標，電流為縱座標，改變電池兩端負載大小，可以描繪出特性曲線。電壓-電流特性曲線在沒有光照射時，位移至暗電流(dark)特性，這與一般二極體沒兩樣。
在光(photo)電流特性中，任何一點皆有不同功率P=I×V(電壓×電流)，在曲線45度切線附近會有一最大功率點MPP(maxmum power point)，要取得太陽能最大功率輸出，必須要能調節電流，讓輸出電流為Imp，輸出電壓Vmp，這時可將光電轉換做最大效益輸出；這種調節機制稱為最大功率點追蹤MPPT(maxmum power point tracing)在太陽能設備中是一項重要技術。
簡單的說，太陽光電的發電原理是利用太陽能電池吸收0.4～1.1μm波長(針對矽晶)的太陽光，將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。由於太陽能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，換成交流電，才能供電至家庭用電或工業用電。
由於單一太陽能電池所輸出的電力有限，為提高其發電量，將許多太陽能電池經串並聯組合封裝程序後，做成模組，成為太陽能電池模組(solar module)。將若干太陽能電池模組組合而成方陣或列陣(array)，接配上過充放電保護控制(controller)、蓄電池以及轉換器(inverter，直流轉變為交流)合稱為太陽能電池系統。