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研究生: 金昱學
Chin, Yu-Hsueh
論文名稱: 溫度效應對矽基太陽電池之特性影響及其暫態熱分析萃取熱特性參數之研究
Temperature Effect on Si-based Solar Cell and its Thermal Parameters Extraction Based on Transient-Thermal Analysis
指導教授: 王水進
Wang, Shui-Jinn
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 微電子工程研究所
Institute of Microelectronics
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 100
中文關鍵詞: Si-基太陽電池溫度效應阻抗分析C-V量測分析電性量測接面溫度暫態分析熱阻熱容
外文關鍵詞: Si-based solar cell, thermal effect, impedance spectroscopy, C-V measurement, transient thermal analysis, thermal resistance, thermal capacitance
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  • 隨著溫室效應日益加劇,太陽電池操作之環境溫度日趨升高。較高的環境溫度將導致太陽電池之轉換效率大幅下降,而較低的轉換效率則使人類難以擺脫於燃煤石油能源的依賴。且燃煤石油卻為造成溫室效應之首,因此關於太陽電池溫度效應之研究刻不容緩。基於太陽電池性能深受溫度影響,尤其在高聚光型太陽能轉換應用之太陽電池,有關太陽電池暫態分析與熱性參數之萃取與探討,如熱阻、熱容與熱力時間常數等與散熱優劣相關因子為一極重要課題。
    本研究旨在探討太陽電池之溫度效應與建立太陽電池熱特性參數萃取技術。主要研究內容概分為以下三部分:
    第一部分為溫度效應對照光與非照光兩種情況下太陽電池交流特性參數(即阻抗分析)與電容電壓量測之影響與萃取,如:柯爾圖(cole-cole plot)、串聯電阻(RS)、動態電阻(r’d)、擴散電容(CD)、少數載子生命期(τ)及C-V曲線,比較阻抗分析與電容電壓量測系統之結果,並於其結果與物理機制上討論與說明。
    第二部分為溫度效應對穩定照光情況下太陽電池直流特性參數之影響與萃取技術之建立。依據J-V曲線與P-V曲線,電性參數包括開路電壓(VOC)、短路電流(JSC)、填充因子(FF)、轉換效率(η)、串聯電阻(RS)及並聯電阻(RSh)等之萃取及其於元件效能相關物理機制,為之探討與說明之重點。
    第三部分旨在進行照光情況下太陽電池之電性量測接面溫度、熱阻計算模型建立與暫態分析,前者藉由理論推導,除得出一精確之開路電壓與接面溫度之關係式外,亦透過兩不同研究團隊之實驗數據驗證此關係式之正確性;後者利用本研究所提出之太陽電池熱阻計算模型,於計算太陽電池熱阻值後,量測太陽電池甫照光至穩定照光時之開路電壓變化,利用前者之關係式將開路電壓波形轉換為溫度波形,再透過等效熱路模型擬合溫度變化並萃取熱容與熱力時間常數。
    本研究完整呈現溫度效應對照光與非照光太陽電池直流與交流特性參數之影響與物理機制描述,透過理論推導一精確之開路電壓與接面溫度之關係式獲取接面溫度,再提出熱阻計算模型與簡化熱路模型萃取太陽電池之熱阻、熱容與熱力時間常數。對於日益嚴重之全球暖化環境中太陽電池應用,本論文有關溫度效應對太陽電池效能影響研究預期將可提供一重要參考。使用本研究所提之量測接面溫度之方法將改善傳統溫度量測儀器,如接觸式熱電耦與紅外線溫度感測器,其無法直接進入接面量測真實溫度之不足。於未來之太陽電池元件開發納入散熱性材料抑或是將散熱優劣作為研發元件之重要項目,實為未來對於太陽電池及高聚光太陽電池之重要研究與分析。

    Transient thermal responses of solar cells (SCs) subjected to fluctuations in sun light intensity and ambient temperature is studied. A closed form of the open-circuit voltage (VOC) as a function of junction temperature (Tj) is presented, which is used to monitor the junction temperature at transient and steady-state periods with a good accuracy. In addition, based on the thermal response of the SC through the extraction of junction temperature from measured VOC data, a simple thermal equivalent circuit is proposed. Temperature-dependent parasitic parameters of SCs including RS and RSh as well as thermal resistance and capacitance are extracted and discussed.

    摘 要 I 誌 謝 X 目 錄 XI 表 目 錄 XIV 圖 目 錄 XV 第一章 、簡介1 1-1 、太陽電池之發展1 1-2 、研究動機6 第二章 、理論基礎與文獻回顧10 2-1 、太陽電池之原理10 2-1-1 、太陽電池物理10 2-1-2 、太陽電池等效電路模型14 2-1-3 、太陽電池重要特性參數19 2-2 、熱阻理論簡介24 2-2-1 、一維熱傳系統24 2-2-2 、接觸熱阻26 2-2-3 、熱容28 2-3 、p-n接面的電容效應30 2-3-1 、空乏電容30 2-3-2 、擴散電容32 2-4 、阻抗分析33 2-4-1 、阻抗分析簡介33 2-4-2 、阻抗分析應用於太陽電池37 2-5 、矽基p-n接面的溫度效應39 2-5-1 、能隙寬度隨溫度的改變40 2-5-2 、本質濃度隨溫度的改變41 2-5-3 、逆向飽和電流密度隨溫度的變化42 2-5-4 、內建電位隨溫度的變化44 2-5-5 、擴散電容隨溫度的變化45 第三章 、不同溫度下照光與非照光太陽電池阻抗及C-V量測分析47 3-1 、不同溫度下非照光太陽電池阻抗分析49 3-2 、不同溫度下照光太陽電池阻抗分析54 3-3 、不同溫度下非照光太陽電池C-V量測與分析56 3-4 、不同溫度下照光太陽電池C-V量測與分析59 3-5 、元件特性量測之結果討論60 第四章 、溫度變化之太陽電池重要特性參數及其暫態分析模型62 4-1 、不同溫度下太陽電池重要特性參數及分析63 4-2 、與第三章結果比較與討論71 4-3 、電性量測太陽電池接面溫度71 4-4 、太陽電池熱阻計算模型建立80 4-5 、電性量測太陽電池暫態接面溫度與熱容計算分析84 第五章 、結論與未來研究之建議89 5-1 、結論89 5-2 、未來研究之建議91 附錄、實驗儀器與設備92 A、阻抗分析儀92 B、撓性墊片式加熱器及溫控儀92 C、紫外光可見光光譜儀 93 D、電容電壓量測系統94 E、太陽光模擬器與I-V量測系統 (ScienceTech 150W)94 F、氙燈光源(66142 500 W Xe)95 G、EIS阻抗分析軟體簡介96 H、暫態電壓時間量測系統97 參考文獻 98

    [1]http://www.sneresearch.com/eng/service/report_show.php?id=811 (各國太陽電池產能趨勢圖)
    [2]T. Matsuoka, H. Okamoto, M. Nakao, H. Harima, and E. Kurimoto, ”Optical bandgap energy of wurtzite InN,” Appl. Phys. Lett., vol. 81, no. 7, pp. 1246-1248, 2002.
    [3]New Energy and Industrial Technology Development Organization, “Overview of PV roadmap toward 2030 (PV 2030),” 2004.
    [4]黃惠良,蕭錫鍊,周明奇,林堅楊,江雨龍,曾百亨,李威儀,李世昌,林唯芳,太陽電池五南圖書出版公司,2008。
    [5]M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, and E. D. Dunlop, "Solar cell efficiency tables (version 40)," Prog. Photovolt: Res. Appl., vol. 20, pp. 606-614, 2012.
    [6]https://www.moneydj.com/z/zu/zua/zuab/zuabz_E2BE8A54-5650-47D9-900A-3815DF6C4D62.djhtm (太陽電池材料分類圖)
    [7]L. L. Kazmerski, Best Research cell Efficiencies, National Renewable Energy Laboratory, 2015.
    [8]https://www.dkrz.de/Klimaforschung-en/konsortial-en/ipcc-ar4-en/temperatur (全球於2030、2060及2085年溫度變化趨勢)
    [9]Ewa Radziemska, ” Thermal performance of Si and GaAs based solar cells and modules: a review,” Progress in Energy and Combustion Science, vol. 29, issue. 5, pp. 407-424, 2003.
    [10]http://ocw.tudelft.nl/courses/microelectronics/solar-cells/readings/ (太陽電池能帶圖,作者Dr. Miro Zeman)
    [11]http://www.pveducation.org/pvcdrom/appendices/standard-solar-spectra. (太陽頻譜照度)
    [12]張國標,熱傳學,全華科技圖書股分有限公司,1988。
    [13]王振雄,朱朝煌,李世榮,劉傳仁,蔡豐欽,熱傳遞學,高立圖書有限公司,2004。
    [14]J. R. Macdonald, and W. R. Kenan, Impedance Spectroscopy, Emphasizing Solid Material and Systems, Wiley, New York, 1987.
    [15]Ivàn Mora-Seró, Germà Garcia-Belmonte, Pablo P. Boix, Miguel A. Vàzquez, and Juan Bisquert, ” Impedance spectroscopy characterisation of highly efficient silicon solar cells under different light illumination intensities,” Energy Environ. Sci., vol. 2, pp. 678-686, 2009.
    [16]En-Ping Yao, Chun-Chao Chen, Jing Gao, Yongsheng Liu, Qi Chen, Min Cai, Wei-Chou Hsu, Ziruo Hong , Gang Li, and Yang Yang, “The study of solvent additive effects in efficient polymer photovoltaics via impedance spectroscopy,” Solar Energy Materials & Solar Cells, vol 130, pp. 20-26, 2014.
    [17]Germà Garcia-Belmonte, Jorge García-Cañadas, Ivan Mora-Seró, Juan Bisquert, Cristóbal Voz, Joaquim Puigdollers, and Ramon Alcubilla, ” Effect of buffer layer on minority carrier lifetime and series resistance of bifacial heterojunction silicon solar cells analyzed by impedance spectroscopy,” Thin Solid Films, vol 514, pp. 254-257, 2006.
    [18]A. Orpella, I. Martín, J.M. López-González, P. Ortega, J. Muñoz, D.C. Sinde, C. Voz, J. Puigdollers, R. Alcubilla, ” Experimental determination of base resistance contribution for point-like contacted c-Si solar cells using impedance spectroscopy analysis,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol 141, pp. 350-355, 2015.
    [19]倪澤恩,基礎固態物理,五南圖書出版公司,2011。
    [20]R. PÄssler, ”Basic Model Relations for Temperature Dependencies of Energy Gaps,” phys. stat. sol. (b), vol 200, pp. 155-172, 1997.
    [21]Jasprit Singh, Electronic and Optoelectronic Properties of Semiconductor, Cambridge University, United Kingdom,2003.
    [22]Ben G. Streetman, and Sanjay Kumar Banerjee, Solid State Electronic Device, Prentice Hall, 2005.
    [23]Kensuke Nishioka, Tatsuya Takamoto, Takaaki Agui, Minoru Kaneiwa, Yukiharu Uraoka, and Takashi Fuyuki, ” Annual output estimation of concentrator photovoltaic systems using high-efficiency InGaP/InGaAs/Ge triple-junction solar cells based on experimental solar cell’s characteristics and field-test meteorological data,” Solar Energy Materials & Solar Cells, vol 90, pp. 57-67, 2006.
    [24]Jerias Batista, Andreas Mandelis, and Derrick Shaughnessy, ” Temperature dependence of carrier mobility in Si wafers measured by infrared photocarrier radiometry,” Appl. Phys. Lett., vol. 82, no. 23, pp. 4077-4079, 2003.
    [25]P. C. Mathur, R. P. Sharma, P. Saxena, and J. D. Arora, ” Temperature dependence of minority carrier lifetime in single-crystal and polycrystalline Si solar cells,” J. Appl. Phys, vol. 52, pp. 3651-3654, 1981.
    [26]施敏、李明逵,半導體元件物理與製作技術-第三版,國立交通大學,2013。
    [27]O. Tuzun, S. Oktik, S. Altindal, and T.S. Mammadov,” Electrical characterization of novel Si solar cells,” Thin Solid Films, vol. 511-512, pp. 258-264, 2006.
    [28]B.J. Huang, P.E. Yang, Y.P. Lin, B.Y. Lin, H.J. Chen, R.C. Lai, and J.S. Cheng,” Solar cell junction temperature measurement of PV module,” Solar Energy, vol 85, pp. 388-392, 2011.
    [29]Priyanka Singh, S.N. Singh, M. Lal, and M. Husain,” Temperature dependence of I–V characteristics and performance parameters of silicon solar cell,” Solar Energy Materials & Solar Cells, vol. 92, pp. 1611-1616, 2008.
    [30]American Society for Testing and Materials, Standard Tables for Reference Solar Spectral Irradiances: Direct Normal and Hemispherical on 37° Tilted Surface, Designation: G173-03, 2012.

    下載圖示 校內:2021-07-06公開
    校外:2021-07-06公開
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