Solar Cell Introduction
林義成彰化師範大學機電系/顯示所
2
太陽是能源之母
? 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 (~5×10
20
J)，約可供全人類使用 1 年。
? 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。
3
全球再生能源發展機會
這張合成圖片向我們呈現出地球夜晚的樣子
城市的燈光輝映出我們這個星球比較繁榮的區域
4
2000到 2100年全球主要能源需求預測
5
太陽光發電之重要歷史
? 1954年 Bell Labs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-
Connected PV System,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)
6
太陽能的形成
7
Solar Spectrum
? The spectrum as seen from satellite is referred to as AM0
spectrum,and closely fits the spectrum of a blackbody at 5800
K,The total power Density is 1353 W/cm
2
,The solar spectrum
as observed on earth is modified due to absorption in
atmosphere,For AM1 (normal incident),the power density is
reduced to 925 W/cm
2
,where as for AM1.5 (45
o
Above the
horizon) the power is 844 W/cm
2
.
8
太陽空氣質量 (Air Mass)
9
太陽能發電應用
10
The Large Concentrated PV System
(Sonnen,Bayern,Germany)
PV系統容量：1.7 MW
11
太陽能發電應用
12
太陽能發電應用
13
太陽能發電應用
14
Building Integrated Photovoltaics
(BIPV)
15
BIPV應用
16
BIPV應用
17
太陽能發電應用太陽光電系統在印度汲水應用南非獨立型太陽光電系統應用在通訊
18
太陽光電系統在落後地區的應用
19
太陽光電在沙漠上的應用太陽能電池的工作原理
21
太陽能電池的工作原理
22
Semiconductor-Energy band
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
23
Semiconductor-Fermi level
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
24
Semiconductor-Drift and diffusion
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
25
Semiconductor- pn homojunction
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
26
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
27
Photovoltaic effect
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
28
Operation of photovoltaic device(I)
? The operation of the photovoltaic device follows
by
? e-h pairs creation by photons absorption
? Separation of e-h pairs before recombination
? Transportation of free e and h to electrodes
29
Operation of photovoltaic device(II)
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
30
Operation of photovoltaic device(III)
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
31
Fundamentals
? Photovoltaic effect results from
incident light on some materials
? PV effect promotes electrons into
higher energy conduction bands,
leaving holes behind
? Separation of carriers,electrons (-
ve) and holes (+ve) important to
solar cells
? +ve and –ve carriers transported
through material in all directions
Surface
recombination
Surface
recombination
Bulk
recombination
32
Metal-semiconductor contact
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
33
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
34
35
串聯與分流 (並聯 )電阻
? Rs:串聯電阻
? Rp:分流 (並聯 )電阻
36
太陽能電池的等效電路
37
串聯電阻會使 I-V曲綫變寬
? 串聯電阻會使曲綫變寬
?降低最大可能功率
?使得太陽能電池的整體效率降低。
? Rs不會影響開路電壓 Voc，但低的 Rp
值會使 Voc降低
38
The Laws of Geometric Optics
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
39
Reflection and Refraction of Waves
40
Reflection of Lights at Different Surfaces
41
Total Internal Reflection (TIR)
42
Reflection and Transmission Coefficients
43
Examples:
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
44
Example,Single-layered
AR coating
45
I-V Curve & Fill Factor
? Fill Factor (F.F.) = (V
mp
x I
mp
/ V
oc
x I
sc
) x 100%
? 太陽電池效率 (Efficiency；η ) = (I
sc
x V
oc
x FF/ 輸入日照功率 ) x 100%
? 輸入日照功率 (W)=太陽電池面積 (m
2
) ×日照強度 (W/ m
2
)
? 日照強度為 1000 W/ m
2
之最大輸出功率即為 Wp*
ITRI/MCL 柯寶燦
46
Maximum power rectangle
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
PV Materials
48
太陽光能發電材料分類
49
結晶矽太陽電池至 2020 年仍是市場主流
資料來源：PVNET European Roadmap for PV R&D 2004年，工研院材料所2005年9月
50
PV Materials
? Si,monocrystalline,polycrystalline,and
amorphous
? III-V semiconductors,GaAs and InP
? II-VI and I-III-VI,CdTe and
CuIn
1-x
Ga
x
S
1-y
Se
y
(CIGSS)
? Organic materials,dyes,polymers,and
small molecules
51
Classification of PV Devices
? First generation (crystalline solar cells)
?Si solar cells
?III-V GaAs solar cells
? Second generation (thin film solar cells)
?CIGS-based
?CdTe
?α -Si
? Third generation
?novel ideas for high-efficiency cells
52
Semiconductors Elemental and
Compound
53
不同太陽電池材料對應太陽光譜波長
54
Theoretical Prediction of
PV Efficiencies
55
Optical Absorption Coefficients of
PV Materials
56
理想的太陽電池材料必須具備特性
? 能隙在 1.1eV到 1.7eV之間。
? 直接能隙半導體。
? 組成的材料無毒性。
? 可利用薄膜沉積的技術，並可大面積製造。
? 有良好的光電轉換效率。
? 具有長時期的穩定性。
http://www.e-tonsolar.com/edu.htm#6
57
The Types of Photovoltaic Cell
Source:工研院葉芳耀
58
傳統單傳統單 /多晶矽太陽電池製程
59
標準太陽電池製程
60
非晶矽薄膜太陽電池構造
61
CIS 薄膜太陽電池構造
62
非晶矽薄膜太陽電池製造流程 (玻璃基材 )
Source:工研院葉芳耀
63
非晶矽薄膜太陽電池製造流程 (薄膜基材 )
64
R2R film deposition process
65
R2R film deposition process
66
CIS 薄膜太陽電池製造流程有機染料敏化太陽電池
(DSSC)
68
Dye-sensitized solar cell (DSSC)
? 1991年 M,Gr?tzel發展出利用 TiO
2
奈米結晶多孔膜作為
DSSC的電極，成功製備出高效率、低成本的新型太陽能電池，並成為令人注目的研究新方向。
? 目前研發之 DSSC整體效率可達約 12%，在瑞士及澳洲已有小規模的商業應用。近年 DSSC著重在固態電解質的研究，以及應用於柔軟可塑的材質上。
69
太陽光電 (BIPV)興建案例
Source,STI,AU
70
Various colors in a series-connected dye
solar cell modules
Courtesy Dr,Winfried Hoffman,CEO,RWE,SCHOTT Solar GmbH
71
染料敏化太陽電池 vs 矽基太陽電池
? 製程容易、成本低
? 轉換效率隨溫度上成而提升
? 模板二面皆可吸收光線 -有利於吸收散射光
? 轉換率對入射光角度影響較小
? 具有的透明性可直接使用於窗戶 - 模板顏色因使用的染料顏色而變
72
入射光角度與溫度對太陽電池發電量影響
? 染料太陽電池光電轉換效率受入射光角度影響較小，隨溫
度上升轉換率提升。
? 矽晶太陽電池光電轉換效率受入射光角度影響較大，隨溫
度上升轉換率下降。
73
Basic ideas of the photocurrent
Source,中山大學黃文堯
74
Basic ideas of the photocurrent
? 氧化 D→ D
+
+ e
-
(失去電子→ HOMO or IP)
? 還原 A + e
-
→ A
-
(得到電子→ LUMO or EA)
orbital electrons,
n = principal
quantum number
n=3
2
1
LUMO
EA
HOMO
IP
S
+
S
o
75
Basic ideas of the photocurrent
76
Natural solar cell— chlorophyll
77
LHC (Light Harvesting Complex) & Reaction
Center
78
Artificial photosynthesis — Gr?tzel cell
SWEF—Small Work Function Electrode
Actually,we call this effect as Photoelectrochemical effect rather than Photovoltaics effect.
79
Artificial photosynthesis — Gr?tzel cell
Source,中山大學黃文堯
80
Does it work?
Andy Banumann,“Photovoltaics Technology Review” Ref,6
http://ist-socrates.berkeley.edu/~kammen/C226/Berkeley-C226-PVTechComp.pdf
81
Working Principle of DSSC
Source,中山大學黃文堯
82
染料太陽電池原理與關鍵技術工研院太陽光電科技中心蔡松雨
83
Cell Structure of DSSC
84
Basic Structure of DSSC (Glass Substrate)
85
Working Principle of DSSC
Source,中山大學黃文堯
86
Dye Sensitizer
Source,中山大學黃文堯
87
UV-vis Absorption Spectra of N719 and
Black Dyes in Ethanol Solution
88
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
89
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
90
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
91
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
92
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
93
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
94
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
95
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
96
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
有機高分子太陽能電池
98
Why polymer solar cell?
? Ease of fabrication for large area from
solution
? Transparent
? Conformal and Flexible
? Low cost of manufacturing
99
Polymer Solar Cell
? 合成具不同電子親和力的導電高分子，且其能隙在可見光的範圍內，
即可組成相當於 p-n Junction形式的太陽電池 (D-A type)：
? 吸收光能量後形成電子 -電洞對，電子 -電洞對再擴散至 Acceptor及 Donor兩層之界面。
? 以低電子親和力材料為電洞傳導層 (Donor)；高電子親和力材料為電子傳導層
(Acceptor)。利用外加高功函數電極 (如,ITO)為正極、低功函數金屬電極
(如,Al)為負極。
? 電洞、電子擴散至 Donor與 Acceptor層後，電極分別與他們有能階差所產生的電場，於外迴路產生電流發電。
工研院太陽光電科技中心蔡松雨
100
Donor and Acceptor
101
Polythiophene/CdSe Nanorod
? poly (3-hexylthiophene)高分子
(P3HT)結構 (Donor層材料 )
? CdSe Nanorod與 P3HT能階圖顯示：電子在 CdSe層傳輸；電洞
在 P3HT層傳輸。
? CdSe Nanorod Solar Cell元件結構圖,CdSe/P3HT混合層厚度約
200 nm (90wt%的 CdSe Nanorod
與 P3HT混合，再以三氯甲烷加熱溶解成溶液狀,Spin Coating
成膜 )，夾於鋁電極與透明導電電極 (PEDOT:PSS)間。
工研院太陽光電科技中心蔡松雨
102
Chemical structures of molecular
semiconductors used in OPVs
Source,中山大學黃文堯
103
Chemical structures of conjugated
polymers used in OPVs
Source,中山大學黃文堯
104
Molecular OPVs with bulk
heterojunctions
105
Hybride OPVs,ideal structure
106
DLC Organic PV Cells
107
AIST 的有機薄膜太陽電池資料來源：材料世界網www.materialsnet.com.tw
108
共蒸鍍製作有機薄薄膜
Conclusions
110
C-Si Technology in Historic Perspective
111
Changes in conversion Efficiency of
Various Solar Cells and Their Forecast
資料來源：KRI Report No,8,Solar Cells,February 2005
112
全球各類太陽電池技術專利申請篇數變化
Source,Photon International,November,2005.
113
全球各類太陽電池技術專利申請國家比例
Source,Photon International,November,2005.
114
Source,Solar Conference,February,15 2006,University at Albany
115
Source,Solar Conference,February,15 2006,University at Albany
116
Source,Solar Conference,February,15 2006,University at Albany
117
Source,Solar Conference,February,15 2006,University at Albany
118
Roll-toRoll Coating
A route to taking the costs below $50/m
2
and keeping
efficiency > 10 %.
P,Fairley,IEEE Spectrum,Jan,2004 p.28
119
全球 PV 前十大廠商資料來源：PV NEWS (2006)
120
我國太陽電池廠家擴展規劃預估資料來源：工研院太陽光電科技中心整理，2006年
DSSC實作
122
TCO
‘Min’-Electrode
Start,two glass plates
Glass
123
TCO
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
Titanium dioxide
Glass
124
TCO
DyeTitanium dioxide
‘Min’-Electrode
Dye
Glass
125
Counter / C
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
DyeTitanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
WF=4.4
WF=4.7
126
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
DyeTitanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
Electrolyte
127
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
DyeTitanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
林義成彰化師範大學機電系/顯示所
2
太陽是能源之母
? 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 (~5×10
20
J)，約可供全人類使用 1 年。
? 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。
3
全球再生能源發展機會
這張合成圖片向我們呈現出地球夜晚的樣子
城市的燈光輝映出我們這個星球比較繁榮的區域
4
2000到 2100年全球主要能源需求預測
5
太陽光發電之重要歷史
? 1954年 Bell Labs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-
Connected PV System,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)
6
太陽能的形成
7
Solar Spectrum
? The spectrum as seen from satellite is referred to as AM0
spectrum,and closely fits the spectrum of a blackbody at 5800
K,The total power Density is 1353 W/cm
2
,The solar spectrum
as observed on earth is modified due to absorption in
atmosphere,For AM1 (normal incident),the power density is
reduced to 925 W/cm
2
,where as for AM1.5 (45
o
Above the
horizon) the power is 844 W/cm
2
.
8
太陽空氣質量 (Air Mass)
9
太陽能發電應用
10
The Large Concentrated PV System
(Sonnen,Bayern,Germany)
PV系統容量：1.7 MW
11
太陽能發電應用
12
太陽能發電應用
13
太陽能發電應用
14
Building Integrated Photovoltaics
(BIPV)
15
BIPV應用
16
BIPV應用
17
太陽能發電應用太陽光電系統在印度汲水應用南非獨立型太陽光電系統應用在通訊
18
太陽光電系統在落後地區的應用
19
太陽光電在沙漠上的應用太陽能電池的工作原理
21
太陽能電池的工作原理
22
Semiconductor-Energy band
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
23
Semiconductor-Fermi level
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
24
Semiconductor-Drift and diffusion
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
25
Semiconductor- pn homojunction
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
26
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
27
Photovoltaic effect
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
28
Operation of photovoltaic device(I)
? The operation of the photovoltaic device follows
by
? e-h pairs creation by photons absorption
? Separation of e-h pairs before recombination
? Transportation of free e and h to electrodes
29
Operation of photovoltaic device(II)
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
30
Operation of photovoltaic device(III)
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
31
Fundamentals
? Photovoltaic effect results from
incident light on some materials
? PV effect promotes electrons into
higher energy conduction bands,
leaving holes behind
? Separation of carriers,electrons (-
ve) and holes (+ve) important to
solar cells
? +ve and –ve carriers transported
through material in all directions
Surface
recombination
Surface
recombination
Bulk
recombination
32
Metal-semiconductor contact
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
33
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
34
35
串聯與分流 (並聯 )電阻
? Rs:串聯電阻
? Rp:分流 (並聯 )電阻
36
太陽能電池的等效電路
37
串聯電阻會使 I-V曲綫變寬
? 串聯電阻會使曲綫變寬
?降低最大可能功率
?使得太陽能電池的整體效率降低。
? Rs不會影響開路電壓 Voc，但低的 Rp
值會使 Voc降低
38
The Laws of Geometric Optics
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
39
Reflection and Refraction of Waves
40
Reflection of Lights at Different Surfaces
41
Total Internal Reflection (TIR)
42
Reflection and Transmission Coefficients
43
Examples:
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
44
Example,Single-layered
AR coating
45
I-V Curve & Fill Factor
? Fill Factor (F.F.) = (V
mp
x I
mp
/ V
oc
x I
sc
) x 100%
? 太陽電池效率 (Efficiency；η ) = (I
sc
x V
oc
x FF/ 輸入日照功率 ) x 100%
? 輸入日照功率 (W)=太陽電池面積 (m
2
) ×日照強度 (W/ m
2
)
? 日照強度為 1000 W/ m
2
之最大輸出功率即為 Wp*
ITRI/MCL 柯寶燦
46
Maximum power rectangle
A,K,Chu,National Sun Yat-sen University
PV Materials
48
太陽光能發電材料分類
49
結晶矽太陽電池至 2020 年仍是市場主流
資料來源：PVNET European Roadmap for PV R&D 2004年，工研院材料所2005年9月
50
PV Materials
? Si,monocrystalline,polycrystalline,and
amorphous
? III-V semiconductors,GaAs and InP
? II-VI and I-III-VI,CdTe and
CuIn
1-x
Ga
x
S
1-y
Se
y
(CIGSS)
? Organic materials,dyes,polymers,and
small molecules
51
Classification of PV Devices
? First generation (crystalline solar cells)
?Si solar cells
?III-V GaAs solar cells
? Second generation (thin film solar cells)
?CIGS-based
?CdTe
?α -Si
? Third generation
?novel ideas for high-efficiency cells
52
Semiconductors Elemental and
Compound
53
不同太陽電池材料對應太陽光譜波長
54
Theoretical Prediction of
PV Efficiencies
55
Optical Absorption Coefficients of
PV Materials
56
理想的太陽電池材料必須具備特性
? 能隙在 1.1eV到 1.7eV之間。
? 直接能隙半導體。
? 組成的材料無毒性。
? 可利用薄膜沉積的技術，並可大面積製造。
? 有良好的光電轉換效率。
? 具有長時期的穩定性。
http://www.e-tonsolar.com/edu.htm#6
57
The Types of Photovoltaic Cell
Source:工研院葉芳耀
58
傳統單傳統單 /多晶矽太陽電池製程
59
標準太陽電池製程
60
非晶矽薄膜太陽電池構造
61
CIS 薄膜太陽電池構造
62
非晶矽薄膜太陽電池製造流程 (玻璃基材 )
Source:工研院葉芳耀
63
非晶矽薄膜太陽電池製造流程 (薄膜基材 )
64
R2R film deposition process
65
R2R film deposition process
66
CIS 薄膜太陽電池製造流程有機染料敏化太陽電池
(DSSC)
68
Dye-sensitized solar cell (DSSC)
? 1991年 M,Gr?tzel發展出利用 TiO
2
奈米結晶多孔膜作為
DSSC的電極，成功製備出高效率、低成本的新型太陽能電池，並成為令人注目的研究新方向。
? 目前研發之 DSSC整體效率可達約 12%，在瑞士及澳洲已有小規模的商業應用。近年 DSSC著重在固態電解質的研究，以及應用於柔軟可塑的材質上。
69
太陽光電 (BIPV)興建案例
Source,STI,AU
70
Various colors in a series-connected dye
solar cell modules
Courtesy Dr,Winfried Hoffman,CEO,RWE,SCHOTT Solar GmbH
71
染料敏化太陽電池 vs 矽基太陽電池
? 製程容易、成本低
? 轉換效率隨溫度上成而提升
? 模板二面皆可吸收光線 -有利於吸收散射光
? 轉換率對入射光角度影響較小
? 具有的透明性可直接使用於窗戶 - 模板顏色因使用的染料顏色而變
72
入射光角度與溫度對太陽電池發電量影響
? 染料太陽電池光電轉換效率受入射光角度影響較小，隨溫
度上升轉換率提升。
? 矽晶太陽電池光電轉換效率受入射光角度影響較大，隨溫
度上升轉換率下降。
73
Basic ideas of the photocurrent
Source,中山大學黃文堯
74
Basic ideas of the photocurrent
? 氧化 D→ D
+
+ e
-
(失去電子→ HOMO or IP)
? 還原 A + e
-
→ A
-
(得到電子→ LUMO or EA)
orbital electrons,
n = principal
quantum number
n=3
2
1
LUMO
EA
HOMO
IP
S
+
S
o
75
Basic ideas of the photocurrent
76
Natural solar cell— chlorophyll
77
LHC (Light Harvesting Complex) & Reaction
Center
78
Artificial photosynthesis — Gr?tzel cell
SWEF—Small Work Function Electrode
Actually,we call this effect as Photoelectrochemical effect rather than Photovoltaics effect.
79
Artificial photosynthesis — Gr?tzel cell
Source,中山大學黃文堯
80
Does it work?
Andy Banumann,“Photovoltaics Technology Review” Ref,6
http://ist-socrates.berkeley.edu/~kammen/C226/Berkeley-C226-PVTechComp.pdf
81
Working Principle of DSSC
Source,中山大學黃文堯
82
染料太陽電池原理與關鍵技術工研院太陽光電科技中心蔡松雨
83
Cell Structure of DSSC
84
Basic Structure of DSSC (Glass Substrate)
85
Working Principle of DSSC
Source,中山大學黃文堯
86
Dye Sensitizer
Source,中山大學黃文堯
87
UV-vis Absorption Spectra of N719 and
Black Dyes in Ethanol Solution
88
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
89
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
90
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
91
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
92
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
93
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
94
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
95
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
96
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
Dye
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
有機高分子太陽能電池
98
Why polymer solar cell?
? Ease of fabrication for large area from
solution
? Transparent
? Conformal and Flexible
? Low cost of manufacturing
99
Polymer Solar Cell
? 合成具不同電子親和力的導電高分子，且其能隙在可見光的範圍內，
即可組成相當於 p-n Junction形式的太陽電池 (D-A type)：
? 吸收光能量後形成電子 -電洞對，電子 -電洞對再擴散至 Acceptor及 Donor兩層之界面。
? 以低電子親和力材料為電洞傳導層 (Donor)；高電子親和力材料為電子傳導層
(Acceptor)。利用外加高功函數電極 (如,ITO)為正極、低功函數金屬電極
(如,Al)為負極。
? 電洞、電子擴散至 Donor與 Acceptor層後，電極分別與他們有能階差所產生的電場，於外迴路產生電流發電。
工研院太陽光電科技中心蔡松雨
100
Donor and Acceptor
101
Polythiophene/CdSe Nanorod
? poly (3-hexylthiophene)高分子
(P3HT)結構 (Donor層材料 )
? CdSe Nanorod與 P3HT能階圖顯示：電子在 CdSe層傳輸；電洞
在 P3HT層傳輸。
? CdSe Nanorod Solar Cell元件結構圖,CdSe/P3HT混合層厚度約
200 nm (90wt%的 CdSe Nanorod
與 P3HT混合，再以三氯甲烷加熱溶解成溶液狀,Spin Coating
成膜 )，夾於鋁電極與透明導電電極 (PEDOT:PSS)間。
工研院太陽光電科技中心蔡松雨
102
Chemical structures of molecular
semiconductors used in OPVs
Source,中山大學黃文堯
103
Chemical structures of conjugated
polymers used in OPVs
Source,中山大學黃文堯
104
Molecular OPVs with bulk
heterojunctions
105
Hybride OPVs,ideal structure
106
DLC Organic PV Cells
107
AIST 的有機薄膜太陽電池資料來源：材料世界網www.materialsnet.com.tw
108
共蒸鍍製作有機薄薄膜
Conclusions
110
C-Si Technology in Historic Perspective
111
Changes in conversion Efficiency of
Various Solar Cells and Their Forecast
資料來源：KRI Report No,8,Solar Cells,February 2005
112
全球各類太陽電池技術專利申請篇數變化
Source,Photon International,November,2005.
113
全球各類太陽電池技術專利申請國家比例
Source,Photon International,November,2005.
114
Source,Solar Conference,February,15 2006,University at Albany
115
Source,Solar Conference,February,15 2006,University at Albany
116
Source,Solar Conference,February,15 2006,University at Albany
117
Source,Solar Conference,February,15 2006,University at Albany
118
Roll-toRoll Coating
A route to taking the costs below $50/m
2
and keeping
efficiency > 10 %.
P,Fairley,IEEE Spectrum,Jan,2004 p.28
119
全球 PV 前十大廠商資料來源：PV NEWS (2006)
120
我國太陽電池廠家擴展規劃預估資料來源：工研院太陽光電科技中心整理，2006年
DSSC實作
122
TCO
‘Min’-Electrode
Start,two glass plates
Glass
123
TCO
Titanium dioxide
‘Min’-Electrode
Titanium dioxide
Glass
124
TCO
DyeTitanium dioxide
‘Min’-Electrode
Dye
Glass
125
Counter / C
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
DyeTitanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
WF=4.4
WF=4.7
126
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
DyeTitanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
Electrolyte
127
Ion
Graphite
TCO
Glass
Elektrolyte
Light
(Photons)
Electrons
(Current)
DyeTitanium dioxide
‘Min’-Electrode
‘Plus’-Electrode
