Transcript 2. 太陽能工程-第二章

太陽能工程-太陽能電池篇
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第二章 太陽電池發電原理與轉換效率
Chapter 2 solar cell theory and
conversion efficiency
2015/4/13
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太陽電池發電原理與轉換效率
2-1
2-2
2-3
2-4
2-5
2-6
2-7
2-8
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半導體之光導效果
光電效應
太陽電池原理
太陽電池的能源轉換效率
太陽電池之等價回路
擔體收集效率
理論限界效率與太陽電池之損失
高效率化技術及其構造物性
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2-1 半導體之光導效果
•
•
•
•
•
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光與物質之相互作用
太陽輻射能之光譜
光導效應(photo conductive effect)
本質光傳導(intrinsic photo-conductivity)
外質光傳導(extrinsic photo-conductivity)
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光與物質之相互作用
• 光與物質之相互作用包括吸收、反射、折
射、偏光、散射。
• 產生原因為物質內存在之荷電載子與電磁
波相互作用。
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太陽輻射能之光譜
• 一般太陽輻射之光譜主要以可見光為中心，
從紫外光至紅外光為主。
• 光譜換算為光子之能量約在0.3至4 eV。
• E (eV)=1.24/wavelength (um)
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光導效應
• 當光照射在半導體時，因為能階間之遷移或能階
間分準位間之遷移性質，會造成傳導帶或價電帶
上激起之電子或電洞以自由載子形式運動，而造
成導電率的增加。
本質光傳導
• 因為能階間之遷移而造成之電子-電洞對。
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外質光傳導
• 由不純物準位至傳導帶之電子激勵，或由
價電子帶至不純物準位之電子激勵所生之
自由電洞。
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光傳導型式及波長圖譜
• (1)本質光傳導
• (2-5)外質光傳導,
donor施體, acceptor受體
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光照射時之導電率σ
  qn0  ne  q p0   h
•
•
•
•
•
•
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n0 ：熱平衡時電子密度
p0 ：熱平衡時電洞密度
△n ：因光之照射而半導體內之過剩電子
△p ：因光之照射而半導體內之過剩電洞
μ ：遷移率(mobility)
q：電荷
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光導電池構成 photo conductive solar material
I 
 ph SV
l
 qglS(  e e   h h )
V
l2
e h
I
 
G
qglS Tn T p
l2
l

.....1
V e  e E
光透過方向之寬度d與光滲透
深度δ較小時
l2
l

.....2 
V h  h E
(1)代表各別試料的電極間之電子
(2)代表各別試料的電極間之電洞
G表示由光所生成之電子-電洞對，變成光電流之
有效指標，即光傳導增益(Photo-conductive gain)
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2-2 光電效應
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光電效應
• 以光照射半導體時所發生之光傳導現象，
由於生成載子之場所不均一，或者因為PN接合等之內部電場存在時，如有擴散或
漂移效果伴隨，則電子與電洞之密度分布
平衡，即會被破壞，造成起電力。
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半導體界面與內部電場所產生的光電效應
•
•
•
•
p-n接合之光電效應
不均一接合之光電效應
金屬-半導體Schottky障壁之光電效應
結晶粒界面堰層與界面兩側之不均一光生成所致
光電效應
• 半導體-液體界面位能與光電效應或光電解效果
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光照射起電力
• 半導體之p-n接合或結晶粒界等，在半導體
之界面或表面上，與半導體接觸之物質，由
於電子親和力及費米能階之不同，存在著很
強的內部電場。因此對一半導體之界面或表
面照射光，使生成載體(1)時，所生成的電子
或電洞因電場(2)之作用，互朝相反方向移動，
結果造成電荷的分極現象(3)，即為光照射起
電力。
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p-n接合之光電效應 (homojunction)
同質接面
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異質接合之光電效應(heterojunction)
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金屬-半導體Schottky 障壁之光電效應
Metal-Semiconductor (Schottky)
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結晶粒界面處之不均一之光電效應
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半導體-液體界面位能與光電效應或光電解效果
敏化染料太陽能電池 • 使用硫酸鈉電解液做為離子源，
再加入n型GaP光學活性半導體時，
由於兩者化學位能差，故在電極
的周圍之電解液可從半導體奪得
傳導電子而形成帶負電的
Helmbotz層，其結果造成n型半導
體之表面變成p反轉層
• 如使用比半導體之等制帶帳還要
大能量之光子，照射界面，則在
半導體反轉層附近所生成之電子電洞對，即被內部電場強迫流動，
敏化染料太陽能電池
Dye sensitized solar cell 此種流動造成生成載體之分極，
而在液體與半導體電極間發生起
電力
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2-3 太陽電池原理
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太陽電池原理
• 工業上最具有再現性內建電場之利用方法為
半導體之p-n接合。
• 傳導帶中的自由電子決定半導體的電氣傳導
度，而因電子為帶負電之載子故稱為n型半導
體，反之帶正電荷載子稱為p型半導體。
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純矽結態與導電性
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N型半導體
• Ⅴ族元素砷少量ppm濃度Doping至Ⅵ族半導體矽上面時，
Ⅴ族的不純物元素的5個價電子，其中四個與矽做共價結
合，剩下的一個電子被熱激至傳導帶，成為自由電子而仗
自身帶正電，此為離子化之施體(Donor) 。
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P型半導體
• Ⅵ族元素之B或Cd當做不純物Doping時，由四
個配位中的一個屬於缺電子狀態，做Ⅲ族元素
從價電子帶中拾起一個電子而帶負電，且價電
子帶生成一個電洞。
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結晶矽太陽電池之構造
Crystalline Si Solar cell
Built-in
Electrical
field
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Electrode (Al)
• 界面上有容許光透
過之薄n型表層及
裡面p層，由光照
射所產生之電子電洞對，因p-n接
合界面電場之大小
是因兩電極間之內
部電場大小而產生。
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2-4 太陽電池的能源轉換效率
Conversion efficiency
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Energy conversion efficiency
Electricalpower

100%
Sunsolarpower
Voltage x Current
• ηn ：太陽輻射之空氣質量通過條件為
• AM-1.5, 即simulated sun power 100mW/cm2 時
(from a equipment)，sun simulator
• 改變負荷條件所得最大電力出力之百分率
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實際太陽電池構造
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p-n接合之內部電場
p-n junction internal electrical field
i
Depletion region
• 假設距離表面深度d之場合有接合存在，且各領域內
少數載體之擴散距離以Ln及Lp表示
• Diffusion length of electron
• Diffusion length of hole
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光表面再結合電極起電力
Surface
recombination
or
Leakage
current
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光電量子效率(Electo-Optics quantum efficiency)
•
•
•
•
•
對於光波長為λ之半導體之
光吸收係數為α時 (optical absorption coefficient)，
相對應於從表面至距離χ點之
電子-電洞對生成比率g(x) (electro-hole pare generation rate)
與點x之光吸收δφ/δx成比例，φ0為表面上波長λ之光束密度，
以γ表示光電量子效率(electro-optics quantum efficiency)則
g ( x)  0e
x
e ~2.718
e=1+sin +sin2 +….
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單色光電流
• 各種實際電池，其在x=0之近傍所生成之載體，大部分
因表面再結而消失，此成分稱為表面再結合損失。
• 對於光電效應有貢獻之載體，可因從遷移領域端之少數
載體擴散距離範圍內，被擴散效果所收集，故n領域g(x)
中之exp可以從x=0至d積分，同樣p領域也可以同樣方式
積分後，兩電流之和即為光電流值，故在p-n接合之兩
端短路時波長λ之單色光電流為

dISC  
 LP
 A 
d
1  LP


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d
d 

 d

L
e

LP
n
e  e  


 1  Ln 

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單色光電流(續)
• 實際的太陽電池上，與
• 光之穿透深度(optical penetration depth)相比，
其d值較小，且在αLn，αLp<<1 之生成載體之有
效收集條件放入時，式子可簡化為
dI SC  
d
 A Ln  L p e
d
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矽太陽電池的光譜感度特性
Si solar cell spectrum sensitivity
Short circuit crt
density
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• P-N接合之光感度光譜長
波長端，由半導體之禁制
帶寬之能量所決定。感度
光譜的構造是由素材之幾
何學尺寸與載體關係之距
離常數(Lp,Ln,μp,μn)
• 圖為d=2μm ,Ln=0.5μm ,
Lp=10μm,所計算之光譜感
度。
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太陽能電池用半導體的光吸係數光譜
optical absorption coefficient
for different materials
• 圖之光吸收係數
的光譜α(λ)所決定
• Absorption spectra
E=1.24/λ, λ=1.24/E
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短路光電流 (short circuit current)
• 以上因素即可決定轉換效率之理論限界ηmax
• 假設太陽輻射入射光子束密度之波長依存性為Φ(λ)
incident solar light intensity of wavelength
• ，電荷為q，即實際觀察到
• 短路光電流ISC short circuit current
I SC
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  I  d  qA L

0
L
n
 Lp
  e

0
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d
d
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短路光電流(續)
• 而電流方向依構造圖實際為n往p方向流動
• 實際太陽電池之電壓-電流特性，以p側為正，且
太陽電池之
• 端子電壓為V，
• 逆飽和電流為I0，saturation current at reverse bias
• 電流為I，total current in solar cell
 qV 

  nKT  

I  I 0 e
 1  I SC




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開路電壓 (open circuit voltage)
• 當太陽電池開路時，起電力即對應於光電流
之大小而產生。亦即開路電壓VOC
VOC
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nKT  I SC 

ln 
 1
q
 I0

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太陽能電池之電壓-電流特性
voltage-current characteristics of solar cells
Vmax  I max
Dark crt
n 
100%
Pin S
photo crt
Open voltageFF
Vmax  J max

Voc  J sc
Pin : optical power
FF: Filling Factor
Short current
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Pm Im Vm IscVocFF



Pin
Pin
Pin
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出力電功
• 太陽電池上之最佳不可逆電阻RL時，其最大出
力點為Pout，由圖之出力特性可知是位於Vmax與
Imax之交點。
• 圖之灰色部份所示面積相當於出力電功，寫成
一般式，即為
V






nKT
Pout  V  I  V   I SC  I 0 e  1 





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2-5 太陽電池之等價回路
equivalent circuit
of solar cell
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太陽能電池之等效迴路
equivalent circuit
• Rsh：並聯電阻
Shunt resistance
• Rs：串聯電阻
Series resistance
I  I SC
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  q(V  RS I )   V  RS I
 I 0 exp
 1 
(I-V 關係式)

Rsh
  nkT  
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矽PN接合太陽電池輸出特性
（光輸入功率固定(100mW/cm2 )以Rs為變數時)
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矽PN接合太陽電池輸出特性
光輸入功率固定（100mW/cm2)以RSH為變數時）
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2-6 載體收集效率
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載體收集效率
• 以理想的白色光照射太陽電池，所生成
的光生成載體之光譜，以量子效果加以
量化的感受光譜。
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太陽能工程-太陽能電池篇
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均-接合面能階模式
均-接合面能階模
式為兩材料之不純
物濃度相同，而且
元件製作中，也沒
有不純物元素擴散
發生之理想不均一
接合能階樣式。
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不均-接合面能階模式
不均一接合中，
製造過程上很難
避免各層元素的
相互擴散，而且
為降低表面層擴
散電阻，而使用
高不純物濃度之
窗側材料。
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不均-接合之寬間隙窗作用說明圖
(a)均-相介面之能階模式
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不均-接合之寬間隙窗作用說明圖
(b)W(n)-N(p)不均-接合面之能階模式
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太陽能工程-太陽能電池篇
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不均-接合之寬間隙窗作用說明圖
• 波長的長光Ⅰ及短光
Ⅱ，以x點之光強度
Φ及收集到的載體數
g(x)來表示。
2015/4/13
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不均-接合之寬間隙窗作用說明圖
• 波長的長光Ⅰ及短光
Ⅱ，以x點之光強度
Φ及收集到的載體數
g(x)來表示。
2015/4/13
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均相與不均相接合之載體收集效率比較
• 由圖可以知道收集效率，
因不均一接合之窗效果而
大幅改善。
• 由於不均一接合太陽電池
的效率，是由這些效果互
相連動著，故必須考慮到
組合材料之禁制帶寬、光
學、電學之常數及太陽輻
射能量，做構造上的最佳
設計。
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2-7 理論限界效率與太陽電池之損失
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理論限界效率與太陽電池之損失
• 對於結晶矽而言，理論限界為27%，研發
階段為24.2%，但量產規模時只有16~18%。
• 低成本之非晶矽太陽電池，理論限界為
25.5%，但pin單一接合為13%，且
10x10cm2之實用型只有12%。
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各種太陽電池在室溫理論效應
• 實際製做之太陽電池的實測效
率如圖其效率只有理論值的
50~70%而已。
• 矽p-n接合太陽電池之理論值
為26%，實際市售矽太陽電池
轉換效率只有12~14%。
• 已定案之不能回收之損失成分，
為材料的光電光譜感度與太陽
光光譜之不整合所致，也就是
完整通過太陽電池用材，且不
生成光載體之成分，與在表面
被反射或散射損失之能量。
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太陽能工程-太陽能電池篇
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損失因素
• 從光譜感度而言，屬有效光，但在表面反射造成
反射損失。
• 生成之載體在太陽電池之表面或背面電極之邊界
面上，再結合所生表面再結合損失。
• 在半導體整體材料上，再結合所生之整體再結合
損失。
• 太陽電池因供給電力負載，當電流流過時，因電
極或半導體整體內之電阻，所生焦耳熱之串聯電
阻損失。
• 生成之光載體，因半導體之內部電場作用而移動，
造成分極，產生出力電壓。
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2-8 高效率化技術及其構造物性
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太陽能工程-太陽能電池篇
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高效率化技術
• 太陽光發電計畫在眾多新能源開發當中，
以其豐富性及無公害性而言，是乾淨能
源中的佼佼者，但卻因為使用超高純度
半導體，故發電成本高為其最大之缺點。
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太陽能工程-太陽能電池篇
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實用太陽電池原理機能與基本構成
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太陽能工程-太陽能電池篇
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高效率化原理機構與具體的技術
Device 對策
實用技術
(a)進入材料之光
能有效封存
a-1 抗反射塗覆(表面反射損失的減少)
a-2 Texture 表面處理
a-3裡面電極的亂射處理
(b)光生成載體之
有效收集與光電
效應
b-1 不均一接合所生少數載體鏡面效果
b-2 Drift 型光起電力效果
pin 接合
Gray dead Gap
Gray dead 不純物 Dope(BSF)法
b-3 超格子的利用
(c)光生成載體再
結合損失的降低
c-1 光生成活性層膜質的改善
c-2 pn, pi, in 接合及不均一接合界面上的再結合降低
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表652-1
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高效率化原理機構與具體的技術(續)
Device 對策
實用技術
(d)串聯電阻損
失的降低
d-1 透明電極的低電阻
d-2 電極樣式的最佳化
d-3 Tunuel 效果電極及其最佳配置設計
(e)電壓因子損
失的減輕
e-1 不均一接合的少數載體鏡面效果所生界面
再結合的減少
e-2 Drift 型光起電力效果的利用
e-3 其它BSF處理等
(f)更寬能量光
譜的收集
f-1 4端子積層型電池
f-2 2端子積層型電池
f-3 不均一面接合
f-4 Wide Gap 窗作用(不均一接合,超格子利用)
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太陽能工程-太陽能電池篇
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效率改善
• 表2-1之(B)(C) 為光生成載體之有效收集
及其再結合損失之降低法。首先為改善
半導體活性層之膜質改善，其次為不均
接合，超格子在寬間隙窗作用成移動效
果上，為有效收集載體之對策
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太陽能工程-太陽能電池篇
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太陽電池用AR(抗反射)塗覆之反射特性
anti-reflection
• 在玻離上以MgF2、TiO2與CeF3之順序，塗上單層到3層
之反射膜。
• 除了上述之塗覆材料外，也可以採用ZrO2及Al2O3等，
這些膜的折射率不同，故最低反射率之波長也不同。
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TiO2與Ag膜所生成BSR效率改善例
• 非晶矽太陽電池的
裡面塗上TiO2及銀
膜，藉銀粒子之亂
反射，從裡側將光
封存之BSR方法，
比較插入圖之光收
集效率，可以知道
長波長的光被有效
的封存在裡面，與
不鏽鋼基板比較，
增加近10%之效率。
Indium Tin Oxide
In-Sn-O
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a-Si太陽電池之能階圖
• 在a-Si太陽電池中，
窗側p型層之光吸收
率特別大。
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不均-接合
• 在a-Si太陽電池中，
由於窗側p型層之
光吸收率特別大，
故如圖所示使用aSiC之寬間窗作用
較有效果。
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Gray dead band gap
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超格子效果
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單晶矽PN接合太陽電池
P型基板的電子擴散長度Dn與轉換效率η關係
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a-Si不均-接合積層型太陽電池動作原理
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高能區域光收集與內部電極作用
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a-Si不均-接合積層型太陽電池動作原理
光速浸透樣式與不均一接合特色
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a-Si不均-接合積層型太陽電池動作原理
積層型太陽電池接合構造
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a-Si不均-接合積層型太陽電池動作原理
(d)光譜與各分層光收集效率
利用2到3種類之半導體將光譜感度，從光入射
邊將寬間隙材料到窄間隙材料作一積層，使全
體增加光譜感度
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第一二層材料之禁制帶寬與積層型太陽電池
理論效率
• 針對二端子及四端子之二層積層型太陽電池上，其理論報成效率
與第一層及第二層半導體之禁制帶寬函數關係，求得結果之報成
效率與第一層及第二層半導體之禁制帶寬函數關係
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