第二学期人类与科技期末考考题 义守大学.doc

96 學年第二學期 義守大學 通識人類與科技 期末考複習資料 姓名: 學號: 陳柏頴老師命題 請以另計答案紙作答, 可攜帶簡單非工程用計算機 一、說明題: (20 points per each) 1. 太陽能電池的結構為何 ? 製作步驟為何 ? 答: 太陽能電池(solar cell) 是由很多層的材料所組成（上圖所示） 1.正面電極（front contact 2.反反射電鍍（antireflective coating;150mm 3.粗紋化：通常為了提高電池的效力，在電池的表面，會把它蝕刻成金字塔狀或角錐狀的顆粒，這樣的處理可使得電池留住某些原本要反射掉的太陽光。 4.N型矽（300mm厚）：矽晶片內摻雜磷，這是太陽能電池的負極。 5.P-N接面：即為N型矽及P型矽接觸的地方，也有人稱之『空乏區（Depletion Zone）』。 6.P型矽（250,000mm厚）：矽晶片內摻雜硼，此為太陽能電池的正極。 7.背面電極：在太陽能電池的背面，所裝在金屬電極，此處是電子進入太陽能電池的地方，也就是太陽能電池的正極。 試說明太陽能電池(solar cell) 的I-V曲線太陽能電池產生出直流電流，而所產生直流電流的總量是一個電壓的函數。 太陽能電池的IV曲線，是用來表現電壓和電流的一個圖，這個曲線我們可以用它來看出太陽能電池可以在何種情況下工作，並且可以用來做兩片以上太陽能電池間的相互比對（這個曲線就像電池的身份証明），圖是一個典型的單晶太陽能電池在標準測試條件下的IV曲線圖。 太陽能電池的參考參數： 1. Isc:短路電流? 約為? 3.36A 2. Imax:在Pmax時的電流? 約為? 3A 3. Voc:開路電壓? 約為? 0.6V 4. Vmax:在Pmax時的電壓? 約為? 0.5V 5. Pmax:最大功率點? 約為? 1.5V 3試說明太陽能電池(solar cell) 的溫度效應為何 ? 答: 下圖用來表示在三種不同溫度下，對IV曲線的影響。 ?1.溫度上升時，它的輸出功率就會下降。 ?2.當溫度每增加1℃，電壓大約會減少2.3 m V。 ?3.電流的改變是非常小的（當溫度增加時，只會稍微的增加），所以，通常在計算上都會忽略不計。 4. 請說明矽為何是太陽能電池(solar cell) 的材料 ? 答: 結構： 一個矽原子有十四個中子及十四個電子，最外一層的軌道上有四電子，這也是我們稱為『價電帶』的地方，當單晶矽一旦成形時，它原子的排列就如下圖所示，這樣的結構就稱為鑽石結構。 在鑽石結構裡，一個矽原子與其它鄰近的矽原子是共價的。在每個價電帶上，每一個矽原子分享到另外一個矽原子所提供的四個電子，所以在它的最外圍的軌道上形成一個穩定的狀態。 不同材料不同的能隙值，矽的能隙是1.12eV1.43eV；這代表砷化鎵需要更大的能量把電子從價電帶送到傳導帶。 因為太陽光的光子它帶有某一程度的光，太陽光是由某一特定範圍能量的光所混光而成的，所以，能隙對太陽能電池而言是一個非常重要的參數。太陽光的光子所帶的能量假如比某一特定材質的能隙小時，那就無法將材料的電子從價電帶傳送到傳導帶。 假如太陽光光子的能量等於能隙時，當它撞擊到材料時，其電子將會移到傳導帶，而原先在價電帶上那個被撞擊的電子，將會形成一個帶有正電的位置，這個位置我們稱之為『電洞』，它所表現的為一正電荷的特性，這個光子我們就說它創造了一對『電子- 假如光子所帶的能量大於帶隙能量時，它也只能帶動一個電子離開價電帶至傳導帶，只是速度較快，而它的能量會在電子移動時化為熱能散失掉。 摻雜（doping 假如太陽能電池是用純矽來作太陽能電池，那是發不出什麼可用的能量，電子從價電帶到傳導到後也只是到處漫遊，最後再與電洞相結合，而無法產生任何有用的電流。為了讓太陽能電池產生真正有用的電流，它必須要有一個『內造電場』，而內造電場的產生則必須要靠摻雜的技術，摻雜就是在某一材料內摻入另外其它的原素而改變此材料的電性，而這個原素我們稱之為『摻雜物（dopan-徹底剖析中提到，單晶太陽能電池有兩層，在上層是N型矽，下層是P型矽，這是因為N型矽及P型矽的摻雜物不同，相對於未摻雜前的矽（又叫本質半導體）而稱之。 硼： 硼是用來作P1：1×107。 磷是用來作N1：1×10３。 P型矽及N型矽相接合的地方我們稱它為P-N介面，此介面上會產生某些電子與電洞的遷移並且結合而產生一個電場。假如某一光子（能量＞＝矽的能隙）刺激某一電子接近這個電場，電子和電洞將會被電場的反方向所趨動，這就是太陽能電池所產生的有效電流，電子會被拉到正面電極，而電洞會被推下背面電極。 為了觀察太陽能電池的動作，我們外接