臺灣博碩士論文加值系統

提高太陽電池的轉換效率成為近年來太陽能電池研究發展的重點，運用串接太陽電池結構是方法之ㄧ，了解串接太陽電池物理特性中電流匹配的重要性是本研究的目標。
本論文中我們用半導體模擬軟體ATLAS模擬，選擇InGaP/GaAs串接太陽電池的結構，照射固定總強度的光，並藉由改變兩個波長的光強度，控制上下兩電池吸光產生的光電流，產生上下電池電流匹配和不匹配的條件。並探討InGaP/GaAs串接太陽電池、單一InGaP上電池，以及單一GaAs下電池三種情況比較當兩電池匹配、上電池光電流較多、下電池光電流較多時太陽能電池整合的結果。
本論文模擬的結果中，當上下兩電池電流較匹配時，串接太陽電池輸出的短路電流Isc=-0.669901，能量轉換效率PCE=23.7%，當兩電池吸光的差越多使上下電池越不匹配時，轉換效率PCE和短路電流Isc越小，當上下兩電池吸光比1:49時，串接太陽電池輸出的短路電流Isc=-0.026829，能量轉換效率PCE=1.07%。可瞭解串接太陽電池中電流匹配可以得到更大的能量轉換效率PCE和較大的短路電流Isc。

There has been an intensive search for tandem solar cell since the structure improving power conversion efficiency. The object of this study is to understand the important of current match in tandem solar cell.
We use simulation software ATLAS to model InGaP/GaAs tandem solar cell. By illuminating fixed total light power and change two different wavelength’s power ratio to achieve current match and mismatch conditions. We compare the simulation result of InGaP/GaAs tandem solar cell, InGaP top cell and GaAs bottom cell.
In the result of simulation, Isc of InGaP/GaAs tandem cell is restricted between Isc of top cell and bottom cell. Voc of InGaP/GaAs tandem cell is about Voc of InGaP top cell and GaAs bottom cell add together. Tandem cell achieve the best short-circuit current of -0.669901, power conversion efficiency of 23.7% under current match condition. Short-circuit current and power conversion efficiency decrease as two cell current mismatch increase. When two cell absorb power ratio is 1:49, we get short-circuit current of -0.026829, power conversion efficiency of 1.07%. So current match can get better short-circuit current and power conversion efficiency.

目錄----------------------------------------------------- І
圖目錄------------------------------------------------- III
表目錄----------------------------------------------------V
第一章 序論---------------------------------------------1
1.1、研究背景------------------------------------------------------------------------------------------1
1.1.1、太陽能電池產業發展--------------------------------------------------------------1
1.1.2、 III–V族太陽能電池之優勢----------------------------------------------------2
1.2、研究動機與方向---------------------------------------------------------------------------------4
1.3、論文架構------------------------------------------------------------------------------------------4
第二章 文獻回顧-----------------------------------------5
2.0、前言-------------------------------------------------------------------------------------------------5
2.1、太陽電池基本原理-------------------------------------------------------------------------5
2.2、太陽光譜------------------------------------------------------------------------------------6
2.3、半導體對光之吸收------------------------------------------------------------------------7
2.4、太陽電池之等效電路---------------------------------------------------------------------9
2.5、太陽能電池基本參數--------------------------------------------------------------------11
第三章 使用軟體之說明----------------------------------13
3.0、前言----------------------------------------------------------------------------------------------13
3.1、模擬軟體簡介----------------------------------------------------------------------------------13
3.2、物理模型-----------------------------------------------------------------------------------------14
3.3載子複合模型------------------------------------------------------------------------------------16
3.4穿隧接面(tunnel-junction)模型---------------------------------------------------------------17
3.5邊界條件------------------------------------------------------------------------------------------18
3.6數值方法------------------------------------------------------------------------------------------19
第四章 InGaP/GaAs串接太陽能電池之模擬------------------20
4.0、前言----------------------------------------------------------------------------------------------20
4.1、多接面太陽能電池(Tandem-cell)之元件原理 --------------------------------------20
4.2、穿隧二極體(tunnel-diode)之模擬與結果------------------------------------------------22
4.3、InGaP/GaAs 串接太陽電池模擬之元件結構-------------------------------------------25
4.4、InGaP及GaAs模擬之物理參數------------------------------------------------------------26
4.5、InGaP/GaAs串接太陽電池元件之模擬結果------------------------------------------28
第五章 InGaP/GaAs串接太陽能電池電流匹配的重要性--------29
5.0、前言----------------------------------------------------------------------------------------------29
5.1、InGaP/GaAs串接太陽電池模擬之照光條件-------------------------------------------29
5.2、InGaP/GaAs串接太陽電池之元件之模擬結果----------------------------------------33
5.3、結論-----------------------------------------------------------------------------------------------43
第六章 總結--------------------------------------------44
參考文獻----------------------------------------------------------------------------------------45

圖目錄
圖1-1 矽及III–V族半導體材料對光的吸收係數-----------------------------------------3
圖2-1 太陽電池PN接面--------------------------------------------------------------------------5
圖2-2 電子-電洞對受空乏區內建電場分離-------------------------------------------------5
圖2-3 AM 1.0、AM 1.5太陽光譜圖------------------------------------------------------------6
圖2-4 光的吸收，當：(a) hv＝Eg，(b) hv＞Eg，(c) hv＜Eg----------------------------------8
圖2-5 光的吸收：(a) 在光照射下的半導體，(b)光子通量的指數衰減----------------8
圖2-6 實際太陽電池等效電路------------------------------------------------------------------9
圖2-7 理想及實際太陽電池照光之I-V特性曲線------------------------------------------9
圖2-8 理想太陽電池等效電路----------------------------------------------------------------10
圖2-9 太陽電池照光後所量得之I-V曲線圖-----------------------------------------------12
圖4-1 多接面太陽能電池吸收光譜----------------------------------------------------------20
圖4-2 多接面太陽能電池之結構-------------------------------------------------------------21
圖4-3 多接面太陽能電池能帶圖-------------------------------------------------------------21
圖4-4 穿隧二極體退化參雜之pn接面能帶圖--------------------------------------------22
圖4-5 文獻之穿隧二極體的電流電壓關係曲線圖---------------------------------------23
圖4-6 模擬之穿隧二極體的能帶圖----------------------------------------------------------23
圖4-7 模擬之穿隧二極體的電流電壓關係曲線圖---------------------------------------24
圖4-8 模擬之InGaP/GaAs串接太陽能電池之元件結構--------------------------------25
圖4-9 模擬之太陽能電池無照光下之能帶圖---------------------------------------------28
圖4-10 模擬之太陽能電池無照光下的電流電壓曲線圖--------------------------------28
圖5-1 InGaP/GaAs串接太陽電池模擬之照光條件---------------------------------------30
圖5-2 InGaP 上電池模擬之照光條件-------------------------------------------------------31
圖5-3 GaAs下電池模擬之照光條件 -------------------------------------------------------32
圖5-4 不同光照下模擬之InGaP/GaAs串接太陽電池電壓-電流圖--------------------33
圖5-5 InGaP/GaAs串接太陽電池不同照光下之Isc--------------------------------------34
圖5-6 InGaP/GaAs串接太陽電池不同光照下之Voc-------------------------------------34
圖5-7 InGaP/GaAs串接太陽電池不同光照下之PCE---------------------------------------------35
圖5-8 b1、b2不同光照下模擬之InGaP上電池電壓-電流圖----------------------------36
圖5-9 b2不同光照下模擬之GaAs下電池電壓-電流圖--------------------------------37
圖5-10 Tandem cell、Top cell 及Bottom cell不同照光下之Isc(Bottom cell only b2)
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------39
圖5-11 Tandem cell、Top cell 及Bottom cell不同照光下之Voc(Bottom cell only b2)
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------40
圖5-12 InGaP/GaAs串接太陽電池mismatch 對Isc關係圖----------------------------41
圖5-13 InGaP/GaAs串接太陽電池mismatch 對Voc關係圖--------------------------42
圖5-14 InGaP/GaAs串接太陽電池mismatch 對PCE關係圖-------------------------42
表目錄
表4-1 GaAs、In0.51Ga0.49P及In0.5Al0.5P物理參數總表----------------------------------26
表4-2 GaAs之折射率與消光係數------------------------------------------------------------27
表4-3 In0.51Ga0.49P之折射率與消光係數---------------------------------------------------27
表5-1 InGaP在波長0.51μm、0.7μm的吸光係數---------------------------------------29
表5-2 GaAs在波長0.51μm、0.7μm的吸光係數---------------------------------------29
表5-3 Tandem cell、Top cell 及Bottom cell不同照光下之Voc、Isc總表--------------38
表5-4、Tandem cell、Top cell 及Bottom cell三種照光下之Fitting參數------------43

參考文獻
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