臺灣博碩士論文加值系統

本論文分析ITO/p/i/n及ITO/p/i/n/Al兩種結構之薄膜非晶矽太陽能電池的性能，在太陽光譜AM1.5G照射下，以光學導納法分析i層中的光電子數量及光限電流，及應用光限電流找出ITO薄膜之最佳厚度，探討在4種不同厚度下之表面反射及薄膜吸收，並結合電荷傳導理論計算其性能。我們以三種不同的電荷產生速率與光學分析所產生的速率分佈比對 ，得知G0+Aexp(-αx)較符合於光學分析所得的電荷分佈。觀察電荷傳導方程式在三種不同分佈的電荷產生速率下所造成的效應。結果顯示，當結構為ITO/p/i/n，在電荷產生速率分佈為定值時，i層厚度為0.4μm電池轉換效率最大值7.07%，之後隨著i層厚度的增加而迅速的下降；而當速率分佈為G0+Ae^(-αx)則在i層厚度為0.6μm時轉換效率最大為7.07%，而分佈Ae^(-αx)則在厚度0.4μm時之效率為6.12%。當結構為ITO/p/i/n/Al，在分佈為定值時，i層厚度為0.4μm電池轉換效率最大值8.03%；當速率分佈為G0+Ae^(-αx)則在i層厚度為0.5μm時轉換效率最大為8.23%，而分佈Ae^(-αx)則在厚度0.3μm時之效率為7.43%。從中可以得知電荷產生速率分佈的改變確實對太陽能電池的特性有顯著的影響，因此設計p-i-n結構的薄膜電池必須了解電荷產生速率的形式，並依據此形式進行設計得到最佳的光電轉換效率。

In this paper, theoretical efficiencies for amorphous Si ITO/p/i/n and ITO/p/i/n/Al solar cell are presented by solving the carrier transport equations including optical properties of the cell. Using the optical admittance method including the interference effect, the distribution of the photo-generation carriers in the solar cell under air mass 1.5 global irradiance spectra were obtained numerically. And the carrier distribution in i-layer of solar cell could be treated approximately as a function of exponential decay with a constant bias. First, the surface reflectance and absorption of the solar cell were calculated and the optical limited currents were also estimated according to the absorption in the solar cell. The optimal thickness of the ITO film could be determined to obtain the highest optically limited current. In order to study the effects of the carrier generation distribution, three different kinds of distributions were used in the calculation. For ITO/p/i/n structure, the maximum efficiency under constant carrier generation is 7.07% and the optimum i-layer thickness is 0.4μm. For carrier generation distribution of the G0+Ae^(-αx) and Ae^(-αx), the efficiency and optimum thickness are 7.07%, 0.6 μm and 6.12%, 0.4μm, respectively. Meanwhile, for ITO/p/i/n/Al structure, the maximum efficiency for constant carrier generation is 8.03% and the optimum i-layer thickness is 0.4μm. For carrier generation distribution of the G0+Ae^(-αx) and Ae^(-αx), the efficiency and optimum thickness are 8.23%, 0.5 μm and 7.43%, 0.3μm, respectively. These results show that the distribution of the photo-generation carrier play an important role on the properties of the p-i-n solar cell and is a key factor for designing the optimum performance structure.

目錄
摘要...i
Abstract...ii
致謝...iii
圖目錄...v
表目錄...viii
第一章 簡介...1
1.1 前言...1
1.2非晶矽之歷史發展...4
1.3 研究動機...6
第二章 非晶矽薄膜之材料特性與結構...7
2.1非晶矽之材料性質...7
2.3 非晶矽薄膜太陽能電池之結構介紹...12
第三章 理論...16
3.1 光學理論...16
第四章 分析與討論...25
4.1 光學分析...26
4.2 電荷產生率分佈與電池特性的比較關係...32
第五章 結論及未來發展...43
References...45

圖目錄
圖 1 2010年美國能源資訊部（US Energy Information Administration）公佈的未來25年全球能源展望，世界燃料來源分析...3
圖 2 未來20年美國自生能源評估項目...3
圖 3 非晶矽材料結構之缺陷示意圖...4
圖 4 為單一及三結式結構非晶矽薄膜太陽能電池經太陽光照射下所分析的電壓-電流密度曲線圖...5
圖 5 非晶體能帶結構圖...8
圖 6 單一結構與三結式非晶矽太陽能電池之發電功率，會隨照光時間增長而衰減，而在1000小時後會出現穩定現象...9
圖 7 非晶矽材料之折射率、消光係數與波長之曲線圖...9
圖 8 基本p-i-n結構之示意圖...12
圖 9 (a)為超基板設計；(b)基板之非晶矽太陽能電池結構之示意圖...13
圖 10 可繞式之非晶矽太陽能電池...14
圖 11 由3個p-i-n組成之多接面太陽能電池之示意圖...15
圖 12 為單一薄膜的結構圖，N0為空氣折射率，N1為某材料的折射率(依材料而定)，Ns為基底的折率...16
圖 13 為多層薄膜的結構圖...18
圖 14 太陽光譜圖...19
圖 15 p-i-n結構太陽能電池...20
圖 16 結構A之太陽能電池...25
圖 17 結構B之太陽能電池...25
圖 18 結構A及結構B之太陽能電池在不同ITO厚度下之表面反射率...27
圖 19 結構A及結構B之太陽能電池在不同ITO厚度下之薄膜吸收...28
圖 20 為結構A及結構B在不同ITO厚度下之光限電流比較...29
圖 21 為結構A及結構B光電子數量的模擬圖..30
圖 22 不同i層厚度下的光限電流大小..31
圖 23 結構A及結構B下探討Ae^(-αx)、G0+Ae^(-αx)及光學分析所得之電荷產生速率分佈...33
圖 24 在結構A及結構B下探討三種不同電荷產生速率，缺陷密度為5*10^15(cm^-3)之收集效率的比較..35
圖 25 (a) 三種不同電荷產生速率在缺陷密度5*10^15(cm^-3)下，探討結構A之Ae^(-αx)、G0+Ae^(-αx)及定值的短路電流密度；(b) 三種不同電荷產生速率在缺陷密度5*10^15(cm^-3)下，探討結構B結構之Ae^(-αx)、G0+Ae^(-αx)及定值的短路電流密度...37
圖 26 (a)三種不同電荷產生速率在缺陷密度5*10^15(cm^-3)下，探討結構A之Ae^(-αx)、G0+Ae^(-αx)及定值的開路電壓；(b) 三種不同電荷產生速率在缺陷密5*10^15(cm^-3)下，探討結構B之Ae^(-αx)、G0+Ae^(-αx)及定值的開路電壓...38
圖 27 (a) 在結構A下，探討G0+Ae^(-αx)在i層厚度0.6μm，缺陷密度為5*10^15(cm^-3)之J-V曲線; (b) 在結構B下，探討G0+Ae^(-αx)在i層厚度0.5μm，缺陷密度為5*10^15(cm^-3)之J-V曲線...39
圖 28 (a) 結構A下探討發電功率-電壓關係圖；(b) 結構B下探討J-V曲線關係...40
圖 29 (a) 結構A下之三種不同電荷產生速率，在缺陷密度5*10^15(cm^-3)下作轉換效率的比較；(b) 結構B下之三種不同電荷產生速率，在缺陷密度5*10^15(cm^-3)下作轉換效率的比較...41

表目錄
表1 荷蘭ECN 對不同市售太陽能板的發電效率實地測量…11
表2 非晶矽材料參數表…24
表3 在不同電荷產生速率下之結構A 的電池特性參數值及i 層最佳厚度…42
表4 在不同電荷產生速率下之結構B 的電池特性參數值及i 層最佳厚度…42

References
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