臺灣博碩士論文加值系統

中文摘要
近年來為提升太陽能電池的轉換效率，各國無不積極投入太陽能電池的研究與發展，因此很多國家把太陽能電池列為綠能產業重點發展項目之一。而我們的研究著重在半導體化合物，III-V族串接式太陽能電池的轉換效率提升之模擬，我們研究雙層及三層串接式太陽能電池，了解串接式太陽能電池受最小電流限制的物理特性，研究改變太陽能電池各層子電池的磊晶膜厚。從雙層串接式太陽能電池的上層子電池及下層子電池，在電流匹配結構優化後得到最佳的轉換效率，進一步從三層串接式太陽能電池的上層子電池、中層子電池及下層子電池在電流匹配結構優化後，得到最佳的轉換效率。有效提升太陽能電池的轉換效率是本研究的主要目的。
在本論文的第一章中，針對太陽能電池材料之議題做一介紹，包括使用的半導體材料，晶體結構、摻雜及發展概況。
第二章中介紹了串接式太陽能電池的工作原理，並介紹在模擬程式中與太陽能電池相關之物理參數設定。
第三章介紹了本論文研究所參考的串接式太陽能電池結構。我們使用APSYS半導體模擬程式，選擇InGaP/GaAs雙層串接式太陽能電池的結構，模擬在固定的太陽光頻譜照度使用AM0照射串接式太陽能電池，我們知道此元件受到下層子電池最小電流限制，所以改變上層子電池的磊晶膜厚，使太陽光譜的能量，因上層子電池的膜厚變薄，到達下層子電池的能量增加，使下層子電池的吸光能量增加，進而增加下層子電池的短路電流的輸出，改變了最小電流的限制。在上層和下層子電池達到最佳的電流匹配結構優化後，短路電流輸出有增加，轉換效率也能有效提升。
第四章參考延續第三章的研究，探討III-V族化合物半導體GaInP/GaAs/InGaAs三層串接式太陽能電池，在太陽光的頻譜照度AM1.5G、AM0及AM1.5D的照射時，其分別的轉換效率為33.8%、30.6%和32.6%。我們延續雙層串接式太陽能電池的研究方法，證明在不同太陽光照度時，三層串接式太陽能電池在電流匹配結構優化後，也能有效提升太陽能電池的轉換效率。
最後在第五章為本論文做一個完整的結論。

ABSTRACT
Being a green energy source, the development of solar cell technology has continuous advancement in recent years. The series-connected multi-junction solar cells based on the III-V semiconductor material system are proven to be attractive for many space and terrestrial applications in substituting for the conventional solar cells based on silicon. In this thesis, the properties of InGaP/GaAs dual-junction and InGaP/GaAs/InGaAs triple-junction solar cells are investigated numerically by using the APSYS simulation program. In order to markedly increase the sunlight-to-energy conversion efficiency, the thickness of each cell is modified to gain the matched short-circuit current.
In chapter 1, the material properties and the development history of the solar cells are introduced.
In chapter 2, the device physics of solar cells and the relevant physical parameters used in the APSYS software are mentioned.
In chapter 3, based on an experimental InGaP/GaAs dual-junction solar cell, the concept of current matching is studied. By changing the layer thickness of the top cell, the photon current and conversion efficiency can be improved by current matching. Under the situation of AM0 and one sun, when the thickness of the top cell base layer changes from 0.55 µm to 0.4 µm, the conversion efficiency is improved by 3%.
In chapter 4, the current matching for the InGaP/GaAs/InGaAs triple-junction solar cell is then investigated. By optimizing the layer thickness of the top and middle cells, the appropriate solar cell structure which possesses high sunlight-to-energy conversion efficiency is recommended. Under the situation of AM1.5G and one sun, when the base layer thicknesses of the top cell and middle layer are 0.4 μm and 1.5 μm, respectively, the photon current is matched and the conversion efficiency is improved by 2.3%. Under the situation of AM0 and one sun, when the base layer thicknesses of the top cell and middle layer are 0.3 μm and 1.7 μm, respectively, the conversion efficiency is improved by 4.2%. At AM1.5D and one sun, when the base layer thicknesses of the top cell and middle layer are 0.5 μm and 1.7 μm, respectively, the conversion efficiency is improved by 1.3%.
Finally, a summary to the previous studies is provided in chapter 5.

目 錄
目錄 I
中文摘要 IV
英文摘要 VI
圖表索引 VIII
第一章 簡介 1
1.1前言 1
1.2太陽能電池簡介 4
1.2.1 III-V族半導體晶體結構 7
1.2.2 III-V族半導體之優勢 9
1.2.3 半導體之摻雜 11
1.3太陽能電池產業與最新發展 14
1.4結論 17
參考文獻 18
第二章 太陽能電池基礎理論 20
2.1 前言 20
2.2 太陽能電池工作原理 23
2.3 串接式太陽能電池結構介紹 27
2.4 串接式太陽能電池工作原理 33
2.5 結論 39
參考文獻 42
第三章 雙層串接式太陽能電池模擬與結構優化 44
3.1 前言 44
3.2 雙層串接式III-V族太陽能電池元件結構 48
3.3 自由參數設定與原始I-V值之匹配 49
3.4 結論 58
參考文獻 62
第四章 三層串接式太陽能電池模擬與結構優化 64
4.1 前言 64
4.2 AM1.5G照度下之結構優化模擬 68
4.3 AM0照度下之結構優化模擬 79
4.4 AM1.5D照度下之結構優化模擬 85
4.5 結論 91
參考文獻 92
第五章 總結 94
附錄 APSYS軟體操作簡介 i

圖表索引
圖1.1 太陽光譜圖。 5
圖1.2 大氣質量示意圖。 6
圖1.3 Zincblende結構圖。 8
圖1.4 面心立方（fcc）結構圖。 9
圖1.5 矽及III-V族半導體材料對光的吸收係數。 10
圖1.6 左邊為n型半導體、右邊為p型半導體的摻雜示意圖。 13
圖2.1 太陽能電池結構、原理示意圖。 23
圖2.2 太陽能電池載子產生、移動示意圖 25
圖2.3 太陽能電池對光之吸收示圖。 26
圖2.4 (a)在光照射下的半導體 (b)光子通量的指數衰減。26
圖2.5 II~VI族元素在週期表的相對位置。27
圖2.6 III-V族化合物太陽能電池結構堆疊示意圖29
圖2.7 Window layer示意圖。31
圖2.8 BSF 能帶示意圖31
圖2.9 Tunnel-junction能帶示意圖。32
圖2.10 太陽能電池理想化等效電路圖。34
圖2.11 太陽能電池等效電路圖。35
圖2.12 太陽能電池之I-V特性圖。36
圖2.13 串接式太陽能電池工作原理示意圖37
圖2.14 光子能量吸收分配圖。38
圖3.1 雙層串接式太陽能電池之原始結構圖。48
圖3.2 T. Takamoto 團隊發表的原始結構I-V圖。50
圖3.3 實驗與模擬之I-V curve fitting圖。51
圖3.4 上層電池結構及模擬參數值。51
圖3.5 下層電池結構及模擬參數值。52
圖3.6 上層電池、下層電池及整體元件的J-V圖。.53
圖3.7 電池厚度對穿透光的影響示意圖。54
圖3.8 增加穿透光強度之上層及下層電流匹配圖。55
圖3.9 半導體材料之晶格常數與能隙匹配圖。56
圖3.10 高效率太陽能電池不同能量損失的計算示意圖。60
圖3.11 結構優化後之J-V 曲線圖。61
圖4.1 J. F. Geisz 團隊等人發表的結構示意圖。66
圖4.2 三層串接式太陽能電池各層參數示意圖。67
圖4.3 各太陽光譜照度能量示意圖。68
圖4.4 整體元件在不同太陽照度的J-V曲線圖。69
圖4.5 AM1.5G照度各子電池的J-V曲線圖。70
圖4.6 AM1.5G照度下，中層子電池base layer厚度對短路電流密度及填充因子關係圖。71
圖4.7 AM1.5G照度下，中層子電池base layer厚度對元件轉換效率圖。71
圖4.8 AM1.5G，上層電池base layer膜厚改變對元件短路電流密度及轉換效率圖。72
圖4.9 AM1.5G，上層電池base layer膜厚為0.4 μm時之電池J-V圖。73
圖4.10 AM1.5G，不同中層電池base layer厚度下的元件短路電流密度與轉換效率圖。74
圖4.11 AM1.5G，中層電池base layer膜厚為1.5 μm之J-V曲線圖。75
圖4.12 AM1.5G，中層電池base layer膜厚為1.7 μm之J-V曲線圖。75
圖4.13 AM1.5G，下層子電池base layer膜厚改變對短路電流密度和開路電壓圖。76
圖4.14 AM1.5G，下層電池base layer膜厚改變對元件轉換效率圖。77
圖4.15 AM1.5G，原始結構與優化後結構之J-V特性圖。77
圖4.16 AM0照度各子電池的J-V曲線圖。79
圖4.17 AM0，上層子電池base layer膜厚改變對元件短路電流密度及轉換效率圖。80
圖4.18 AM0，上層子電池base layer膜厚為0.3 μm時之電池J-V圖 81
圖4.19 AM0，不同中層子電池base layer厚度下的元件短路電流密度與轉換效率圖。82
圖4.20 AM0，中層子電池base layer膜厚為2.4 μm之J-V曲線圖。83
圖4.21 AM0，中層子電池base layer膜厚為1.7 μm之J-V曲線圖。83
圖4.22 AM0的照度下，原始結構與優化後結構之J-V特性圖。84
圖4.23 AM1.5D照度各子電池的J-V曲線圖。85
圖4.24 AM1.5D，上層子電池base layer膜厚改變對元件短路電流密度及轉換效率圖。86
圖4.25 AM1.5D，上層電池base layer膜厚為0.4 μm時之電池J-V圖。87
圖4.26 AM1.5D，上層電池base layer膜厚為0.5 μm時之電池J-V圖。87
圖4.27 AM1.5D，不同中層子電池base layer厚度下的元件短路電流密度與轉換效率圖。88
圖4.28 AM1.5D，中層電池base layer膜厚為2.2 μm之J-V曲線圖。89
圖4.29 AM1.5D，中層電池base layer膜厚為1.7 μm之J-V曲線圖89
圖4.30 AM1.5D的照度下，原始結構與優化後結構之J-V特性圖。90
表2.1 III-V族化合物的基本物理性質。28
表2.2 目前商業化的太陽能電池的轉換效率範圍30
表4.1 整體元件不同太陽照度的短路電流及轉換效率之數值。68
表4.2 上層子電池膜厚改變對短路電流及轉換效率之數值。72
表4.3 中層子電池膜厚改變對短路電流及轉換效率之數值。74
表4.4 AM1.5G照度優化後轉換效率。78
表4.5 上層子電池膜厚改變對短路電流及轉換效率之數值。80
表4.6 中層子電池膜厚改變對短路電流及轉換效率之數值。82
表4.7 AM0照度優化後轉換效率。84
表4.8 上層子電池膜厚改變對短路電流及轉換效率之數值。86
表4.9 中層子電池膜厚改變對短路電流及轉換效率之數值。88
表4.10 AM1.5D照度下結構優化後轉換效率。 90

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