臺灣博碩士論文加值系統

本研究以設計與研究光穿透式之可撓太陽能模組為主題，針對可撓式基材，以PECVD與In-line Sputter進行矽薄膜太陽能電池製程。進而使用台灣杜邦股份有限公司的Front Sheet (Teflon@FEP)及EVA (Elvax® resins)進行封裝製程，利用真空高溫退火爐進行模組封裝的研究，透過調變製程溫度、時間及真空值探討最佳之封裝參數，並量測模組的量子效率與I-V特性，探討封裝前後對電池效率的影響。
再進行光學與電性匹配的模擬分析，光學分析的部份主要以三種電池排列方式為設計基礎，以TracePro模擬軟體進行三種排列下所得的光照度均勻度分析結果；電性匹配的部份以Matlab模擬單電池的串並聯作探討，分析並改善不同效率的單電池在串接上的不匹配，並模擬出SP (series-parallel)、TCT (total-cross tied)與BL (bridge-link)的串接方式的效能分別為2.35 %、4.16 %、3.49 %。再進行實作的模組量測與模擬結果的驗證。在實作中得到SP (series-parallel)、TCT (total-cross tied)與BL (bridge-link)的串接方式的效能分別為2.01 %、3.89 %、3.10 %。
最後將分析模組可靠度，討論在彎曲不同次數後對模組效率之影響，針對完成封裝製程的太陽能模組之撓曲穩定性作測試，分為Tensile strain test與Compressive strain test兩種測試模式，並在測試次數100、300、500得出模組效率為2.5 %、2.09%、1.7 %。

In this paper, we designed and investigated the see-through flexible solar module. Using PECVD and In-line Sputter to fabricate amorphous silicon thin film solar cells. Also, we used the Front Sheet (Teflon@FEP) and EVA (Elvax® resins) which come from DuPont Taiwan Ltd with vacuum annealing stove for the packaging process. Under changing the process temperature, time and vacuum vaule to optimize the packaging parameters.We have measured the quantun efficiency and I-V characteristics to compare the solar cell performances before and after packaging.
for developing the soalr module. The irradiance maps results from TracePro of three differents arrangement design were discussed. Also, according to Matlab simulation, the efficiency of solar module using SP (series-parallel)、TCT (total-cross tied) and BL (bridge-link) are 2.35 %, 4.16 % and 3.49 %, respectively. Compare to the real measurement, the efficiency of solar module are 2.01 %, 3.89 % and 3.10 %, respectively.
At last, The reliability of the module was given under tensile strain test and compressive strain test. Bending times of the test was 100, 300 and 500 times. The efficiency of solar module are 2.5 %, 2.09 % and 1.7 %, respectively.

目錄
書名頁 I
審定書 III
授權書 IV
中文摘要 V
英文摘要 VI
誌 謝 VII
目 錄 VIII
圖目錄 X
表目錄 XII
一、 緒論 1
1.1 前言與研究背景 1
1.2 研究動機與目標 4
1.3 論文架構 5
二、 基礎理論與文獻回顧 7
2.1 太陽能電池原理 7
2.2 太陽能電池種類 8
2.3 太陽能電池等效電路 11
2.4太陽能電池量子效率與I-V特性 12
2.5各種太陽能電池模組特性 14
2.6 相關文獻回顧 17
2.6.1 矽薄膜太陽能電池相關文獻 18
2.6.3 太陽能模組相關文獻 20
三、 設計方法與研究設備 21
3.1 設計流程 21
3.2 研究設備 23
3.2.1連續式多腔體濺鍍系統 (In-line Sputter) 23
3.2.2超高頻電漿輔助化學氣相沉積系統 (VHF-PECVD) 25
3.2.3真空退火石英爐管 (Vacuum Annealing Stove) 27
3.2.4光纖耦合陣列光譜儀 (CCD Spectrometer) 28
3.2.5外部量子效率量測儀 (External Quantun Efficiency Detector) 29
3.2.6太陽光能模擬器 (Solar simulator) 30
四、 太陽能電池的製作與模組封裝製程研究 31
4.1矽薄膜太陽電池之製作流程 31
4.2模組封裝材料及結構介紹 36
4.3封裝製程優化研究 39
4.4封裝前後的特性分析 42
五、 穿透式可撓太陽能電池模組設計 44
5.1模組光穿透特性的設計方式 45
5.2光穿透特性的模擬探討 48
5.3模組串並聯的設計方式 54
5.4電性匹配的模擬探討 58
六、 太陽電池模組效能最佳化分析研究 61
6.1視覺穿透的實際測試 61
6.2電性匹配對太陽電池模組效益 63
6.3太陽電池模組可靠度的研究分析 66
七、 結論與未來展望 68
參考文獻 70

圖目錄
圖 1 太陽電池分類 2
圖 2各種太陽電池產能及各種太陽電池之佔有率情形 3
圖 3太陽電池等效迴路 11
圖 4太陽能電池特性曲線圖 14
圖 5研究流程架構圖 21
圖 6連續式多腔體濺鍍(In-lin Sputter)系統示意圖 23
圖 7連續式多腔體濺鍍系統實體圖 24
圖 8 PECVD 系統示意圖 25
圖 9 PECVD 系統實體圖 26
圖 10真空退火石英爐管實體圖 28
圖 11光纖耦合CCD 陣列光譜儀實體圖 29
圖 12反射率量測示意圖 29
圖 13外部量子效率量測儀機台實體圖 30
圖 14太陽光能模擬器 30
圖 15 矽薄膜太陽能電池製作流程示意圖 31
圖 16 粗糙化結構的效應 32
圖 17 矽薄膜太陽能電池結構與實體圖 35
圖 18 三種前封性材料的光學穿透率比較 36
圖 19 Teflon@FEP前封膜實體圖 37
圖 20模組封裝結構與實體圖 38
圖 21 封裝結構製程圖 40
圖 22聚四氟乙烯實體圖 40
圖 23 初始模組封裝結果 41
圖 24 調變參數後模組封裝結果 42
圖 25單電池封裝後實體圖 42
圖 26原始試片與封裝後電池I-V曲線 43
圖 27原始試片與封裝後電池EQE響應曲線 43
圖 28 穿透式可撓模組設計架構圖 44
圖 29 感光面光均勻度示意圖 45
圖 30標準照度下光均勻度觀察 46
圖 31 三種距離之實際投影結果 46
圖 32 三種排列的模型示意圖 47
圖 33 於TracePro中導入幾何模型系統 47
圖 34 X=15 cm直橫陣列模擬結果 49
圖 35 X=10 cm直橫陣列模擬結果 49
圖 36 X=5 cm直橫陣列模擬結果 50
圖 37 X=15 cm斜陣列模擬結果 51
圖 38 X=10 cm斜陣列模擬結果 51
圖 39 X=5 cm斜陣列模擬結果 51
圖 40 X=15 cm組合斜陣列模擬結果 52
圖 41 X=10 cm組合斜陣列模擬結果 53
圖 42 X=5 cm組合斜陣列模擬結果 53
圖 43 太陽能串聯時的效能 54
圖 44 太陽能並聯時的效能 54
圖 45 SP、TCT及BL的連接示意圖 55
圖 46 單一太陽能電池的系統編輯 56
圖 47 系統編輯與迴路等效電路的比對 56
圖 48 於Simulink中顯示之單電池Block 57
圖 49 Simulink中SP串接系統示意圖 57
圖 50 Simulink中TCT串接系統示意圖 57
圖 51 Simulink中BL串接系統示意圖 58
圖 52 模擬軟體中模組電池排列 58
圖 53 模擬軟體中輸入單電池的條件 58
圖 54 模擬軟體中模組電池排列 59
圖 55 模擬三種連接方式之模組I-V結果比較 60
圖 56 實際效果測試示意圖 62
圖 57 直橫陣列實際觀察結果 63
圖 58 斜陣列實際觀察結果 63
圖 59 組合斜陣列實際觀察結果 63
圖 60 模組電池排列實體圖 64
圖 61 模擬與實作的效能比較趨勢圖 65
圖 62 實作模組之I-V結果 66
圖 63 TCT串接之模組實際運作圖 66
圖 64 撓度測試示意圖 67
圖 65 彎曲測試實際圖 68
圖 66 模組中串並聯的接點失效 68

 
表目錄
表 1 可撓太陽能電池模組發展狀況 5
表 2 不同種類太陽能電池模組優缺點比較 15
表 3 不同種類太陽能電池模組列表 17
表 4 Asahi U-tpye 特性 32
表 5 a-Si膜層特性表 34
表 6 矽膜層PECVD參數 34
表 7 下電極Sputter參數 35
表 8 Asahi基材單電池數據 35
表 9 Teflon@ETFE與Teflon@FEP的產品特性 37
表 10 DuPontTM EVA材料產品目錄表 38
表 11 試片標準清洗流程 39
表 12 模組初始封裝參數 41
表 13 TracePro模擬參數 48
表 14 單電池效能數據表 59
表 15 三種連接方式的模擬結果分析 60
表 16 模組效能數據表 64
表 17 彎曲測試前後模組效能 68

參考文獻
[1] 全球太陽光電市場現況與發展趨勢，工業材料雜誌274期。
[2] Masat Izu, Stanford R. Ovshinsky, “Roll-to-roll plasma deposition machine for the production of tandem amorphous silicon alloy solar cells,” Thin Solid Films, Vol. 119, Issue 1, pp. 55-58, 1984.
[3] M. Izu, X. Deng, A. Krisko, K. Whelan, R. Young, H. Ovshinsky, K. Narasimhan, S. R. Ovshinsky, Conference Record of the 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, pp. 820–823, 1993.
[4] Masat Izu, Tim Ellison, “Roll-to-roll manufacturing of amorphous silicon alloy solar cells with in situ cell performance diagnostics,” Solar Energy Materials & Solar Cells , Vol.78. Issue 1–4, pp. 613–626, 2003.
[5] M. van Cleef , P. Lippens, J.Call, “Superior Energy Yields of UNI-SOLAR® Triple Junction Thin Film Silicon Solar Cells compared to Crystalline Silicon Solar Cells under Real Outdoor Conditions in Western Europe,” Presented at 17th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 22-26 October 2001, Munich (Germany)
[6] G Beaucarne, “Advances in Optoelectronics,” Silicon Thin-Film Solar Cells, article
[7] K. Arafune, T. Sasaki, F. Wakabayashi, Y. Terada, Y. Ohshita, M. Yamaguchi, “Study on defects and impurities in cast-grown polycrystalline silicon substrates for solar cells,” Physica B 376–377, pp. 236–239, 2006.
[8] M. Yamaguchi, Y. Ohshita, K. Arafune , H. Sai, M. Tachibana, “Present status and future of crystalline silicon solar cells in Japan,” Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol.80, pp. 104–110, 2006.
[9] Xinmin Cao, Jason A. Stoke, Jian Li, Nikolas J. Podraza, Wenhui Du, Xiesen Yang, Dinesh Attygalle, Xianbo Liao, Robert W. Collins, Xunming Deng, “Fabrication and optimization of single-junction nc-Si:H n–i–p solar cells using Si:H phase diagram concepts developed by real time spectroscopic ellipsometry,” Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 354, pp. 2397–2402, 2008.
[10] Green M A., In Proceeding of the 21st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, IEEE Publication, 1990, Orlando (USA)
[11] Chapin, J. Appl. Phys., Vol. 8, pp. 533, 1954.
[12] C. HaBier, W Koch, W. Krumbe, S Thurm, “Multi-crystalline baysix silicon for high-efficiency solar cells from the new freiberg production facility”, 2nd world conference and exhibition on photovoltaic solar energy conresion
[13] 李顯光，2009，太陽能電池多晶矽材料及密閉迴路連續式流體化床製程，工業材料雜誌，270期，2009年六月。
[14] 馮垛生主編，Operating Principles and System Applications of Solar Cells，五南出版社，2009年。
[15] M. N. van den Donker, A. Gordijn, H. Stiebig, F. Finger, B. Rech, B. Stannowski, R. Bartl, E. A. G. Hamers, R. Schlatmann, G. J. Jongerden, “Flexible amorphous and microcrystalline silicon tandem solar modules in the temporary superstrate concept,“ Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 91, pp. 572-580, 2007.
[16] K. Sriprapa, P. Sichanugrist, “Amorphous / microcrystalline silicon solar cell fabricated on metal substrate and its pilot production,” Asian J. Energy Environ., Vol. 5, pp. 37-45, 2004.
[17] M. Brinza, J. K. Rath, R. E. I. Schropp, “Thin film silicon n-i-p solar cells deposited by VHF PECVD at 100°C substrate temperature,” Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 93, pp. 680-683, 2009.
[18] A. Vijh, X. Yang, W. Du, X. Deng, “Triple-junction amorphous silicon-based flexible solar mini module with integrated interconnects,” Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 90, pp. 2657-2664, 2006.
[19] Qi HuaFan, ChangyongChen, Xianbo Liao, XianbiXiang, ShibinZhang, W.Ingler, Nirupama Adiga, ZhihuaHu, XinminCao, WenhuiDu, XunmingDeng, “High efficiency silicon–germanium thin film solar cells using graded absorber layer,” Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 94, pp. 1300–1302, 2010.
[20] Zhihua Hu, Xianbo Liao, Hongwei Diao, Yi Cai, Shibin Zhang, Elvira Fortunato, Rodrigo Martins, “Hydrogenated p-type nanocrystalline silicon in amorphous silicon,” solar cells Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 352, pp. 1900–1903, 2006.
[21] R.E.I. Schropp, H. Li, R.H. Franken, J.K. Rath, C.H.M. van der Werf, J.W.A. Schüttauf, R.L. Stolk, “Nanostructured thin films for multiband-gap silicon triple junction solar cells, ” Thin Solid Films, Vol. 516, pp. 6818–6823, 2008.
[22] Subhendu Guha, Jeffrey Yang, “Progress in amorphous and nanocrystalline silicon solar cells, ” Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 352, pp. 1917–1921, 2006.
[23] Subhendu Guha, “Uni-solar ovonic technology and manufacturing process,” Uni-solar thin film technology.
[24] 陳憲揮，ECR-CVD成長微晶矽薄膜之研究，國立中興大學，碩士論文，民國89年。
[25] 王勝進、沈炤德、王朝俊、連水養、陳家富，單晶矽太陽電池優化設計與數值分析，明道大學材料科學與工程學系、明道大學太陽光電研究中心。
[26] R. Martins, A. Macarico, I. Ferreira, R. Nunes, A. Bicho, and E. Fortunato “Investigation of the amorphous to microcrystalline phase transition of thin film silicon produced by PECVD” Thin Solid Films, Vol. 317, pp. 144-148, 1998.
[27] R. Kishore, S. N. Siingh, and B. K. Das, “PECVD Grown Silicon Nitride AR Coatings on Polycrystalline Silicon Solar Cells,” Solar Energy Material and Solar Cells, Vol. 26, pp. 27–35, 1992.
[28] M. Brinza, J.K.Rath, R.E.I.Schropp, “Thin film silicon n–i–p solar cells deposited by VHF-PECVD at 100℃substrate temperature,” Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 93, pp. 680–683, 2009.
[29] R.H. Franken, R.L. Stolk, H. Li, C.H.M. van der Werf, J.K. Rath, R.E.I. Schropp, “Understanding light trapping by light scattering textured back electrodes in thin film n-i-p-type silicon solar cells,” J. Appl. Phys., Vol, 102, 2007.
[30] R.E.I. Schropp, H.Li, R.H.J.Franken, J.K.Rath, C.H.M.vander Werf, J.A.Schu ttauf, “Nanostructured thin films for multi-bandgap silicon triple junction solar cells”, Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 93, pp. 1129–1133, 2009.
[31] S.A. McQuaid etal, Jpn. J. Appl. Phys, Vol.81, No. 11, pp.7621.
[32] Matthew D. Pickett and Tonio Buonassisi, “Iron point defect reduction in multicrystalline silicon solar cells”, J. Appl. Phys, Vol. 92, pp. 122103, 2008.
[33] 謝東霖，鈀/鍺/鉬(鉻)/銅歐姆接觸應用在磷化銦鎵/砷化鎵異質接面雙載子電晶體，國立交通大學，2009年。
[34] 林宗新、朱瑾，研發報告-“用於無阻障層之先進銅金屬化製程”，http://140.125.251.81/~ttx/201001/tech.htm。
[35] Guojin Lu, Giovanni Zangari, “The Study of Electroless Deposition of Ni-Mo-P Ternary Alloy,” J. Electrochem. Soc., Vol. 150, Issue 11, pp. C777-C786, 2003.
[36] 謝文靚、吳世全、蔣富成、許鴻昇，以不同介電質之矽-絕緣體-矽電晶體作奈米非破壞性計讀之光儲。
[37] T. Söderström, F. J. Haug, V. Terrazzoni, C. Ballif, “Flexible micromorph tandem a-Si/μc-Si solar cells,” J. Appl. Phys., Vol. 107, pp. 14507, 2010.
[38] T. Söderström, F. J. Haug, V. Terrazzoni, C. Ballif, “Optimization of amorphous silicon thin film solar cells for flexible photovoltaics,” J. Appl. Phys., Vol. 103, pp. 113509, 2008.
[39] T. Söderström, F. J. Haug, X. Niquille, V. Terrazzoni, C. Ballif, “Asymmetric intermediate reflector for tandem micromorph thin film silicon solar cells,” J. Appl. Phys., Vol. 94, pp. 63501, 2009.
[40] Wolfe, J. Solar Power Heats Up With Nanotechnology [N/OL]. Forbes, July 9, 2007.http://www.forbes.com/2007/07/09/nanotechnology-solar-pf-guruin_jw_0709adviserqa_inl.html
[41] Jun-Sik Cho, Sanghun Baek, Jeong Chul Lee, “Surface texturing of sputtered ZnO:Al/Ag back reflectors for flexible silicon thin-film solar cells,” Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 95, pp. 1852–1858, 2011.
[42] Xianwei Huang, PingShen, BinZhao, Xiaoming Feng, Shenghui Jiang, Huajie Chen, Hui Li, Songting Tan, “Stainless steel mesh-based flexible quasi-solid dye-sensitized solar cells,” Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 94, pp. 1005–1010, 2010.
[43] C. L. Faust, “Electro-polishing — stainless steel part I,” Metal finishing, pp. 21-25, 1982.
[44] C. L. Faust, “Electro-polishing II: the practical side,” Metal finishing, pp. 59–63, 1982.
[45] K. B. Hensel, “Surface tremens –electro-polishing,” Metal finishing, 1989.
[46] Steven Burgess, “Electro-polishing as a pretreatment,” Product finishing, 1983
[47] G. Weyer, H.P. Gunnlaugsson, M. Dietrich, M. Fanciulli,K. Bharuth-Ram, R. Sielemann, the ISOLDE Collaboration, “Creation and annealing of defect structures in silicon-based semiconductors during and after implantations at 77–500 K,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, Vol. 206, pp. 90–94, 2003.
[48] 吳國禎，P型氮化鎵非熱合金化歐姆接觸之研究，逢甲大學，2005。
[49] 施敏，半導體物理元件與製作技術，國立交通大學出版，2006年九月。
[50] 田民波，薄膜技術與薄膜材料，五南圖書出版股份有限公司，2007年八月。