銅銦鎵硒(CIGS)單層太陽能電池模擬
本章節我們將以 Matlab 模擬前面章節所討論出的 p-n 二極體太陽能電池模 型所推導出來的少數載子擴散電流公式來分析，在太陽光全頻譜照射下，配合銅 銦鎵硒的各項參數，表[一]，並找出此模型在能隙為多少時，可得出最大轉換效 率，並改變其中物理參數，分析對太陽能電池效率的影響。
元件截面積 100 (cm2) 介電系數 13.6
本質半導體濃度 2･1020~2.5･1014(cm3) 能隙 1~1.7(eV)
電洞生命期 1 (s) 電子生命期 1 (s)
電洞擴散係數 6.45･10-5(cm2s1) 電子擴散係數 2.5･10-4(cm2s1)
電洞表面復合速率 100(cms1) 電子表面復合速率 100(cms1) 施子摻雜濃度 1019 (cm3) 受子摻雜濃度 1016 (cm3)
表[一] 銅銦鎵硒單層太陽能電池參數。
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單層太陽能電池能隙與效率關係
將表[一]參數代入程式模擬後，已知銅銦鎵硒這個材料可因調整銦與鎵的比 例進而改變能隙大小由 1~1.7eV，首先以能隙為變數我們得到圖(4.1)，在能隙約 為 1.32eV 時有最大轉換效率 13.3%。
單層太陽能電池厚度與效率關係
並在找出最大轉換效率發生於 eg=1.32eV 時，我們以元件厚度為變數，圖 (4.2)，找出當光子全部被吸收時厚度為 5m，轉換效率將趨近於為 13.5%。在 圖中我們也可以發現到，元件厚度約為 0.9m時逐漸有轉換效率，由此可得知 n-type 加上空乏區的厚度約為 0.9m。考慮光子全部吸收以整個銅銦鎵硒太陽 能電池元件來看，厚度僅僅 5m，相較於其他太陽能電池是非常薄的。
圖 4.1 單層太陽能電池能隙與效率關係圖。
圖 4.2 單層太陽能電池厚度與效率關係圖。
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CIGS/CIGS 雙層太陽能電池模擬
在此節我們將探討以上層銅銦鎵硒為材料與下層銅銦鎵硒為材料做堆疊式 太陽能電池，雙極端點串聯式結構，正極與負極的方向一致，上層會先吸收光子，
剩餘的光子在由下層吸收，又因上下層電池光電流大小必須非常相近，不然會被 較小的光電流所限制，所以上層厚度必不能太厚，以致影響效率。在太陽光全頻 譜照射下，考慮到銅銦鎵硒的能隙為可變下，找出上層能隙 eg1與下層能隙 eg2 為多少時，有最大的轉換效率。並先考慮此模型在下層厚度足夠的條件下，找出 上層最合適的厚度，可得出最大轉換效率。
配合銅銦鎵硒的各項參數，表[二]，模擬上下層的能隙變化、與厚度變化，
對效率、短路電流與開路電壓的影響作討論。
雙層太陽能電池能隙與效率關係
在上一章節中，我們模擬出單層銅銦鎵硒太陽能電池的最高效率發生在能隙 為 1.32eV 的時候，並且在厚度為 5m時達到最大轉換效率。做為參考，在此我 們先將第 2 層厚度以 5m做為先決條件，使元件充分吸收光子。
首先為考慮到上層厚度不能太厚，以致於下層吸收不到光子，我們先分別以 1m、2m、3m、4m為上層厚度，找出上下各層的能隙與效率關係為圖 4.3、
圖 4.6、圖 4.9、圖 4.12，以下我們分別討論。
在上層銅銦鎵硒厚度為 1m時，從圖中我們可以看出以下幾個特點，首先，
最大效率並不如單層太陽能電池，原因為整體電流受上層銅銦鎵硒的電流所限制，
即使下層將光子全部吸收，但效率並不會因此上升反而下降。第二，我們可以發 現因為上層厚度很薄，下層光子的吸收對此元件的整體轉換效率有顯著的影響，
使其下層的能隙變化對元件整體的轉換效率有較明顯變化。第三，此時的最大轉 換效率為 10.7%。
再來看到上層銅銦鎵硒厚度為 2m時，我們可以發現，第一，效率已經超 過單層時的最大轉換效率，表示此時元件的電壓與電流都有增長。第二，在 eg1<eg2 時，效率的變化明顯變少，表示上層為元件主要吸收光子區，當光子強 度小於 eg1且大於 eg2時會穿過上層到下層才被吸收，我們可以從整個最高效率 的區域往右偏移看出來，而在 eg2<eg1的部分，整體的元件效率依舊有顯著改變。
第三，此時的轉換效率為 17.1%。
接下來將我們看到上層厚度增至 3m時，在此元件我們將看到，第一，在 eg1<eg2時的效率影響更為減弱了，除了強度大於 eg1的光子在上層被吸收外，也 因為厚度越厚，強度小於 eg1大於 eg2的光子在上層被減弱許多，在下層所吸收 的光子逐漸減少。第二，在 eg2<eg1的區域，我們可以看到 eg2的變化對整體的 元件的效率依舊有影響，表示上層厚度還尚未將光子阻擋。第三，元件中的最大 轉換效率為 19.1%。
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再來我們將看到上層銅銦鎵硒厚度增至 4m時，從圖中我們可以看出以下 幾個明顯的變化，此時元件的最大轉換效率從 3m的 19.1%，降至 1.3%，這告 訴我們，此時上層的厚度已經超出合適的範圍，上層已經將大部分的光子吸收，
使得下層因吸收極少數的光子而使得轉換效率極低，以至於影響整體元件的電流 與電壓，讓轉換效率不增反減。再者，不論 eg1是否大於 eg2，eg2的改變對整體 元件的轉換效率幾乎不為所動，並且我們可以看到在 eg1=1.4~1.5、eg2=1~1.2，
相較於其他地方在此時效率卻有明顯變化，推測有 2 個原因，其一是 eg1>eg2， 第二是上層所產生的電壓在此為最大，下層的吸收雖然不多但一些都會使整體元 件轉換效率產生影響。此時元件的最大轉換效率約為 1.3%。
將上層厚度分幾次討論完後，我們了解到此太陽能電池的轉換效率與上下層 的能隙的關係，並發現到整個元件轉換效率的最大值會隨著上層厚度的改變而改 變，轉換效率最大值不會發生在固定 eg1=eg2=1.32eV 時，而是會隨著變動，在 厚度為 1m時最大效率大約發生在 eg1=1.3eV、eg2=1.25eV 時，在厚度為 2m時 最大效率大約發生在 eg1=1.45eV、eg2=1.3eV 時，而在厚度為 3m時最大效率大 約發生在 eg1=1.45eV、eg2=1.4eV 時，最後在厚度為 4m時最大效率大約發生在 eg1=1.4eV、eg2=1.3eV 時，接下來我們持續進行改變上層厚度的模擬，試著找出 上層厚度為何時使的整體元件的轉換效率達到最大值，如圖 4.15，這是在上層厚 度為 2.85m時，出現最大轉換效率 20.3%，並發生在大約 eg1=1.35eV、eg2=1.3eV 時。
雙層太陽能電池下層厚度與效率關係
上面我們討論完，找出每個上層的厚度改變，影響到整體的能隙與轉換效率，
在這節我們把每個厚度下發生最大轉換效率的地方做 I-V 曲線與整體元件最大 吸收厚度，在上層厚度為 1m、eg1=1.3eV、eg2=1.25eV 時 I-V 曲線為圖 4.4，在 上層厚度為 2m、eg1=1.45eV、eg2=1.3eV 時 I-V 曲線為圖 4.7，在上層厚度為 3m、eg1=1.45eV、eg2=1.4eV 時 I-V 曲線為圖 4.10，在上層厚度為 4m、eg1=1.4eV、
eg2=1.3eV 時 I-V 曲線為圖 4.13，在上層厚度為 2.85m、eg1=1.35eV、eg2=1.3eV 時，I-V 曲線為圖 4.16。
隨著每次上層厚度的增加，短路電流與開路電壓皆會隨之增加，也因此整體 轉換效率也增加，但當上層厚度超過 2.85m時，因為受限於下層的光電流，短 路電流與開路電壓開始下降，致使轉換效率的驟降。
我們也看下層的厚度對整體元件效率的影響，在上層厚度為 1m、eg1=1.3eV、
eg2=1.25eV 時下層厚度與轉換效率關係為圖 4.5，在上層厚度為 2m、eg1=1.45eV、
eg2=1.3eV 時下層厚度與轉換效率關係為圖 4.8，在上層厚度為 3m、eg1=1.45eV、
eg2=1.4eV 時下層厚度與轉換效率關係為圖 4.11，在上層厚度為 4m、eg1=1.4eV、
eg2=1.3eV 時下層厚度與轉換效率關係為圖 4.14，在上層厚度為 2.85m、 eg1=1.35eV、eg2=1.3eV 時下層厚度與轉換效率關係為圖 4.17，在這裡我們發現 到以下幾點，第一，隨著上層厚度的增加，下層達到完全吸收時的厚度也隨著減 少。第二，上層厚度的增加影響到下層厚度對效率的敏感度，在上層厚度較薄時，
元件效率的增加隨下層厚度增加的幅度不大，但厚度越厚時，下層厚度增加對元 件轉換效率的增加幅度就非常大。
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上層 CIGS/下層 CIGS
介電系數 13.6
電洞生命期 1 (s)
電子生命期 1 (s)
電洞擴散係數 6.45･10-5(cm2s1) 電子擴散係數 2.5･10-4(cm2s1) 本質摻雜濃度 2･1020~2.5･1014(cm3)
施子摻雜濃度 1019 (cm3)
受子摻雜濃度 1016 (cm3)
電洞表面復合速率 100(cms1)
電子表面復合速率 100(cms1)
元件截面積 100 (cm2)
能隙 1~1.7(eV)
表[二] 兩層太陽能電池參數
圖 4.3 上層厚度 1m的能隙與效率關係圖。
圖 4.4 上層厚度 1m、效率 10.7%情況下，元件的 I-V 關係曲線。
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圖 4.5 上層厚度 1m、效率 10.7%情況下，下層厚度與元件效率關係圖。
圖 4.6 上層厚度 2m的能隙與效率關係圖。
圖 4.7 上層厚度 2m、效率 17.1%情況下，元件的 I-V 關係曲線。
圖 4.8 上層厚度 2m、效率 17.1%情況下，下層厚度與元件效率關係圖。
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圖 4.9 上層厚度 3m的能隙與效率關係圖。
圖 4.10 上層厚度 3m、效率 19.1%情況下，元件的 I-V 關係曲線。
圖 4.11 上層厚度 3m、效率 19.1%情況下，下層厚度與元件效率關係圖。
圖 4.12 上層厚度 4m的能隙與效率關係圖。
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圖 4.13 上層厚度 4m、效率 1.3%情況下，元件的 I-V 關係曲線。
圖 4.14 上層厚度 4m、效率 1.3%情況下，下層厚度與元件效率關係圖。
圖 4.15 上層厚度 2.85m的能隙與效率關係圖。
圖 4.16 上層厚度 2.85m、效率 20.3%情況下，元件的 I-V 關係曲線。
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圖 4.17 上層厚度 2.85m、效率 20.3%情況下，下層厚度與元件效率關係圖。
CIGS/CIGS/Si 三層太陽能電池模擬
在模擬完 CIGS/CIGS 雙層堆疊式太陽能電池後，我們希望能在加一層做更多 的光吸收，因此我們將以上層銅銦鎵硒為材料、中層銅銦鎵硒為材料最後下層以 矽為材料做堆疊式太陽能電池，雙極端點串聯式結構，正極與負極方向一致，此 時會先經由上層吸收較高能量的光子，在經過中層最後到下層全部吸收，且上中 下層光電流大小必須非常接近，不然會被較小的光電流所限制，所以上層與中層 的厚度一定不能太厚，以致影響效率。
在此節以太陽光全頻譜照射下，我們以固定上層銅銦鎵硒的能隙 eg1=1.4 eV，
中層的銅銦鎵能隙 eg2=1.3 eV，並配合此元件中的各項參數，表[三]，來模擬且 找出各層厚度的改變對轉換效率的影響並進行討論。
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三層太陽能電池厚度與效率關係
在先前章節我們討論完單層與雙層的結果，此章節我們也是運用到前面模型
在先前章節我們討論完單層與雙層的結果，此章節我們也是運用到前面模型