國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告 - 以光場增強效應提升薄膜太陽能電池吸收效率研究

日期：101 年 12 30 日

報告內容應包括下列各項：

一、參加經過第一天

論文發表 Poster Presentation (A unified mathematical framework for intermediate band solar cell 中間能帶太陽能電池數學模擬模型研究) 在壁報展示期間有多位國際學者參與討論包括西班牙的 Antonio Marti 和來自 National Renewable Energy Lab(美國國家再生能源實驗室), 香港理工大學和中國大陸之與會人士

聆聽演講

將第一天重要演講內容紀錄如下

由 United Solar Inc. 演講之薄膜矽多接面太陽能電池之最新發展矽奈米太陽能電池之光場增益技術近之期發展

Advances in Light Trapping for Hydrogenated Nanocrystalline Silicon Solar Cells,

United Solar Ovonic LLC, Troy, MI, United States

United Solar Inc 表示，對於氫化奈米矽（NC-Si：H）的太陽能電池，有紋路的背面反射鏡（BR）

通常用來實現光捕獲。他們提出了氫化奈米矽（NC-Si：H）的太陽能電池銀/氧化鋅背面反射鏡的最新進展。首先，United Solar Inc 研究背面反射鏡的銀材質紋路對於氫化奈米矽（NC-Si：H）太陽能電池之光學特性的影響。United Solar Inc 調查了銀紋理的範圍很廣，而在研究中氧化鋅的厚度保持在 110-130 nm。他們觀察到，進一步加大銀質感，有效地提高光散射，但卻不增加電流密度。

United Solar Inc 發現，銀/氧化鋅的結構與銀質感（RMS 約為 40 nm）和薄氧化鋅的組合提供了最高的 NC-Si：H 太陽能電池的效率。

OM&T 接著演講運用奈米壓印技術製作薄膜太陽能電池光子捕獲增強結構

計畫編號 NSC 101-2218-E-009-001-

計畫名稱以光場增強效應提升薄膜太陽能電池吸收效率研究出國人員

姓名

林詩淳服務機構

及職稱

交通大學電子工程學系

會議時間

101 年 6 月 2 日至

101 年 6 月 8 日

會議地點

Austin, TX, USA

會議名稱

(中文) 國際電機電子 38^th 光伏打專家會議

(英文) IEEE 38^th Photovoltaic Specialist Conference 發表論文

題目

(中文) 太陽能隨機底部反射鏡之最佳化運用基因演算法

( 英文 ) Optimization of solar cell random reflector using genetic Algorithm

Gen5 Production Tool for Light Management Textures,

OM&T B.V. / Moser Baer Technologies, Eindhoven, Netherland

OM&T 表示光場增強正成為越來越重要的太陽能電池研究議題。 OM＆T 公司摩斯巴爾技術正在探索大量低成本製造光場增強結構的可能性。在玻璃上使用奈米印跡(Nano-Imprint)的紋理，以使得最大限度的太陽光通過太陽能電池組件。OM&T 早先進行的調查表明，使用這種優化的定期紋理可以導致 10-20％的電流增益。這樣的工具可以用來生產優化紋理薄膜矽太陽能電池的 1 至 2 平方米的大型玻璃 Superstrate 太陽能電池。

第二天聆聽演講

將第二天重要演講內容紀錄如下

Berkeley 和 LBNL 演講基礎熱力學轉換效率極限突破太陽能電池效率之光電物理

The Opto-Electronic Physics That Broke the Efficiency Limit in Solar Cells,

Material Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, United States,

niversity of California, Berkeley, Dept. of Electrical Engineering & Computer Science, Berkeley, CA, United States, National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO, United States

他們表示當接近根本的 Shockley -Queisser 限制時，一個太陽能電池內部物理會有所改變。光子設計的考量將超越電子的，激烈的內部和外部的發光效率需要仔細的光子管理。反直觀的說，最大限度地提高光提取效率可以提高電壓，因此。一個太陽條件下，直到 2010 年單交面 GaAs 太陽能電池的效率紀錄為 26.4％，

V

^OC= 1.03 V。Alta Devices 突破這一紀錄，達到 28.8％效率，和

V

^OC=1.12V，這證明光子管理的重要性。即使是用最好的材料，也不一定能達到最高的效率，除非太陽能電池的設計使其也是一個很好的發光二極管（LED）。在下一代高效率太陽能電池，光提取(light extraction)物理將是必要的

接著 U of Oklahoma & Sandia 演講運用超級晶格結構吸收太陽輻射中的紅外光能帶中接續結構之中波段紅外光元件

Mid-IR Photovoltaic Devices Based on Interband Cascade Structures

, School of Electrical and Computer Engineering, University of Oklahoma, Norman, OK, United States, Homer L.

Dodge Department of Physics and Astronomy, Norman, OK, United States, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM, United States

此一演講主要是在報告光伏（PV）元件應用帶間級聯（IC）的結構設計和實施的進度。這些設備的設計，增強的電子屏障和 p 型砷化銦/銻化鎵超晶格(superlattice)吸收層。這些功能已被證明是能成功的抑制探測器的暗電流。他們的七個階段的元件，在 80 K 和 300 K 的截止波長為 4.0 微米和 5.0 微米。在低溫下觀察具良好的光響應和暗電流抑制。在 1200K 黑體輻射之照射下和 80 K 的器件溫度條件，短路電流為 5.46 mA/cm2，開路電壓為 1.61V。當溫度為 80 K 以上，光照下，U of Oklahoma 能夠觀察到的高值開路電壓一直到 140 K。

第三天

將第三天重要演講內容紀錄如下聆聽演講

Simulation of Carrier Relaxation in Hot-Carrier Solar Cells ,

Arizona State University, Tempe, AZ, United States

ASU 的學者表示，熱載流子的太陽能電池嚴格依賴於吸收材料中之光生載流子能量弛豫動力學，其中熱載流子通過能量選擇性接面而被提取。在這裡，他們用與能量平衡方程方法相結合的綜蒙特卡羅

（EMC）去仿真模擬半導體量子阱（QW）的熱載流子的太陽能電池結構下微觀載流子弛豫過程和相應的電子和電子電洞溫度，在瞬態和穩態照明的條件下。 EMC 的程式模擬光生電子和電洞的在量子局限 III-V 族多量子阱結構的動態，透過一個 Schrodinger 和 Poisson 自我一致求解的解決方案。散射過程包括由於光學聲子（極性和非極性），電子-電子在屏蔽的多子能帶散射（或是電洞-電洞，電子-電洞）。在此一研究中包括了非平衡光學聲子。

Purdue 和 U. of Washington 的教授報告修正熱力學極限的實用極限 Shockley-Queisser 極限和現實的轉換效率極限

The Shockley-Queisser Limit and Practical Limits of Nanostructured Photovoltaics,

Purdue University , West Lafayette, IN, United StatesUniversity of Washington, Seattle, WA, United States

在這裡，Purdue Univ. & U. of Washington 發表：（1）討論所謂的 Shockley-Queisser 轉換效率極限和用來計算它的假設條件（2）通過修改詳細的平衡計算，包括 Shockley-Read-Hall 材料中和接面複合，提出新的和簡單的模型去計算奈米光伏照明的實際轉換效率極限。一般來說“Shockley-Queisser 極限＂為一個理想之單一能隙太陽能電池的轉換效率極限。然而，取決於選用的太陽能頻譜和背面折射指數，（後者的意義，尤其是低估），結果將有巨大的變化。他們發現，最合理的轉換效率極限值與原來報告的 Shockley-Queisser 顯著不同，他們也報告了當前最高記錄的光伏設備相對於 Shockley-Queisser 轉換效率極限的差異，並研究

FF

J

^SC,

V

^OC,

的實際和理論極限值的不同。此外，

提出一種新的模式，構建了詳細的平衡限制，特別是在計算實用轉換效率極限與奈米器件的特徵尺寸的關係。他們假設一個平均的過剩少數載流子並包括 Shockley-Read-Hall 整體合接面複合來計算暗

電流。光電流計算，使用過境時間模型。他們能夠廣泛的估計半導體

V

^OC，

J

^SC和η不論元件參數為何。

他們的結果強調了長的少數載流子的壽命，低界面複合速度，和雜質參雜控制的重要以實現 MEG 的利益。

第四天

將第四天重要活動內容紀錄如下我自己的論文發表

論文發表 Oral Presentation (Optimization of solar cell random reflector using genetic Algorithm 對於隨機幾何太陽能電池底部反射鏡之最佳化)

聆聽演講

大規模奈米線薄膜太陽能電池之模擬與製造

Fabrication and Modeling of Large-Scale Silicon Nanowire Solar Cells for Thin-Film Photovoltaics

Department of Photonic & Institute of Electro-Optical Engineering, National Chiao Tung

University, Hsinchu, Taiwan

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics,

的有潛力。在這項研究中，提出了一個簡單和符合成本效益的方法，採用聚苯乙烯奈米球光刻和金屬輔助化學蝕刻（MACE）生產各種長度的大面積矽奈米線（矽奈米線）陣列，。奈米線的結構具有寬帶和全方位的抗反射性，最低的 AM1.5G 頻譜加權矽奈米線陣列的反射率是 4.38％，比傳統的單層防反射塗層（SLARC）的 8.84％。下一步，他們將太陽能電池結合矽奈米線陣列結構，其電源效率達到 10.8％。之後透過外部和內部量子效率測量，他們對矽奈米線陣列太陽能電池的性能進行分析，他們發現直接和間接的界面載子複合式效率轉換的最大限制。他們進一步發展基於三維（3D）光學和二維

（2D）量身定制的奈米矽光伏器件的電氣模擬建模技術。光學模擬採用了嚴格的耦合波分析（RCWA）

技術，計算電磁場分佈，以獲得在奈米結構中的電子電洞對生成率。下一步，電氣計算是基於二維自我一致漂移擴散和泊松方程式使用有限元素法（FEM）求解。他們調查在三種不同的結構中載流子擴散長度對奈米晶體矽薄膜太陽能電池性能的影響。仿真結果表明，短的擴散長度不嚴重惡化的核殼 (core-shell)PN 接面太陽能電池的短路電流密度和功率轉換效率，相較於傳統的平面結構。他們的工作表明，矽奈米線太陽能電池，相比於傳統的技術，可以實現高效的捕光效益和較低的材料品質要求，這將是矽薄膜太陽能電池的前景。

第五天

第五天是研討會最後一天

主要是聆聽交大余教授之 invited talk，關於防反射層之研究

聆聽演講 ( 光伏之基礎與新概念 : 光捕獲與集中 Fundamental and new concepts for light concentration and light trapping)

對於 InGaP/InGaAs/Ge 三接面太陽能電池之防反射層之理論與製作運用 TiO2仿生結構

Antireflective Scheme for InGaP/InGaAs/Ge Triple-Junction Solar Cells based on TiO² Biomimetic Structures ,

Department of Photonics and Institute of Electro-Optical Engineering, National Chiao Tung University, Hsinchu, Taiwan, Arima Photovoltaic &

Optical Corp, Taoyuan, Taiwan

他們表示，隨著磊晶成長的技術成熟和廉價的集中器的優勢，III-V 族多接面太陽能電池具有地面光伏應用的巨大潛力。近日，多接面太陽能電池的功率轉換效率可達到～32％，下一個太陽光照，這在所有類型的太陽能電池中的性能是最高的。由於 III-V 族多接面太陽能電池的廣泛吸收範圍，抗反射起著重要的作用，這是由於在空氣/半導體界面的顯著光損失。一個精心設計的防反光結構可以增加光子收集，以產生更多的電流密度，從而導致更高的電源轉換效率。然而，反射損耗量是與半導體和空氣折射率差有關，這是抗反射設計的關鍵，目標是消除介質環境折射率的突然變化。仿生結構，抑制菲涅爾(Fresnel)反射，由於其分級結構的分布，統稱為光子的功能梯度折射率介質。然而，在奈米結構製作的材料應該密切匹配半導體的折射率，以獲取寬帶穿透增益。在這項工作中，他們建議使用～2.4-2.6 折射率的二氧化鈦製作仿生奈米結構與單層抗反射（SL ARC）來做比較。他們還優化三接面太陽能電池厚的二氧化鈦 SLARC 厚度。初步結果表明， SLARC 與仿生奈米結構太陽能電池的表

在文檔中以光場增強效應提升薄膜太陽能電池吸收效率研究 (頁 33-39)