Optimierung von Solarzellendesigns mit einer Simulations-App

Solarzellen sind wichtige Bausteine für den Übergang zu einer weniger kohlenstoffintensiven Energieversorgung. Die Solarenergietechnologie hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt, doch es sind noch weitere Fortschritte nötig, um die boomende Nachfrage nach erneuerbaren Energien zu decken. Um die Forschung zu Solarzellentechnologie zu unterstützen, entwickelte der Masterstudent João Vieira eine Simulations-App namens SolCelSim. Vieira nutzte den Application Builder der Software COMSOL Multiphysics^®, um SolCelSim im Rahmen seines Erasmus+-Praktikums an der slowakischen Universität Zilina zu entwickeln, die das von Dr. Peter Cendula und seinen Mitarbeitern entwickelte COMSOL-Modell verwendet. Im Folgenden erfahren Sie mehr über die App.

Über die Silizium-Photovoltaik hinaus: Die Entwicklung neuer Materialien für photoelektrochemische (PEC) Solarzellen

Solarmodule sind weltweit zu einem vertrauten Anblick geworden, aber um die Ablösung fossiler Brennstoffe als Energiequellen zu beschleunigen, muss der Prozess der Umwandlung von Sonnenlicht in Energie darin münden, diese Energie in Form von Brennstoff (Wasserstoff) zu speichern und billiger und effizienter werden.

Photoelektrochemische (PEC) Solarzellen, die Sonnenlicht nutzen, um Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser zu gewinnen, sind ein vielversprechender Weg für weitere Forschung. Ingenieure erforschen neue Materialien und Prozesse, die die PEC-Technologie verbessern könnten, und SolCelSim soll ihnen dabei helfen, Simulationen ihrer Systeme durchzuführen. Mit der SolCelSim-Software können Forscher neue Designkonzepte testen, bevor sie Zeit und Geld in reale Prototypen investieren.

Eine PEC-Zelle nutzt Licht, um Wassermoleküle in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Das Verfahren wird derzeit intensiv erforscht und konzentriert sich auf verschiedene Halbleiter- und Katalysatormaterialien. Bild gemeinfrei über Energy.gov.

Ein Einstieg in die Simulation von Solarzellen

João Vieira beschreibt seine Simulations-App als “einen Einstieg in die Drift-Diffusions-Simulation von Solarzellensystemen”. Sein Ziel war es, Forschern Werkzeuge an die Hand zu geben, mit denen sie Solarzellendesigns simulieren können, auch wenn sie mit Simulationssoftware nicht vertraut sind.

SolCelSim ermöglicht es jedem Benutzer, modellierte Designs mit denselben Maßstäben zu bewerten, die auch für den Test eines echten Prototyps verwendet werden. Durch die Eingrenzung des Pools potenzieller Designs in der Simulationsphase können Forschungsteams mehr Vertrauen in die Konzepte haben, die sie mit experimentellen Prototypen verfolgen. Wenn die Live-Tests ihrer Designs neue Daten liefern, kann die SolCelSim-App einfach neu kalibriert werden, um die neuesten Ergebnisse zu berücksichtigen, ohne dass das gesamte Modell erneut in COMSOL Multiphysics^® ausgeführt werden muss.

Mit SolCelSim können die Parameter eines herkömmlichen Solarzellenmodells eingerichtet und angepasst werden, einschließlich der:

• Anzahl der Schichten
• Arten von Ladungstransport
• Bedingungen an Kontakten

Die Nutzer der App können auch Werte aus der Simulation der Drift-Diffusions-Gleichungen ableiten:

• Photostrom-Spannung
• Wirkungsgrad von einfallenden Photonen zu Strom
• Impedanzspektroskopie

Schließlich ermöglicht es die App dem Nutzer, Simulationsergebnisse zu exportieren und mit importierten experimentellen Ergebnissen zu vergleichen. Darüber hinaus kann das integrierte Modell der App im Model Builder weiter angepasst werden, um zusätzliche physikalische Prozesse zu koppeln.

Ein kleiner Einblick in die SolCelSim-App für Solarzellendesigns

Die App enthält vier Tabs:

1. Layer Stack
2. Study Types
3. Global Conditions
4. Results

Im Folgenden finden Sie eine kurze Übersicht über die Funktionen der einzelnen Tabs.

Layer Stack

Dieser Tab bietet die Möglichkeit, individuell zusätzliche Schichten hinzuzufügen, die dem zu simulierenden Solarzellendesign entsprechen. Das Vernetzen kann entweder physikalisch oder nutzergesteuert sein. Der Nutzer der App kann auch Ohmsche oder Schottky-Kontakte für das Modell auswählen, wodurch gleichrichtende oder nicht gleichrichtende Verbindungen zwischen dem Metall und dem Halbleiter festgelegt werden.

Der Tab Layer Stack mit dem Standard-Schichtnamen Cu20 als P-Typ-Halbleiter. Der Name und die Parameter sollten entsprechend der gewünschten lichtabsorbierenden Schicht geändert werden.

Study Types

Mit der Einstellung Parametric Sweep im Tab Study Types kann jeder Parameter einer beliebigen Schicht mit jedem dieser Studientypen gesweept werden:

• Photocurrent voltage (IV)
• Thermal equilibrium (TE)
• Electrochemical impedance spectroscopy (EIS)
• Incident photon-to-current efficiency (IPCE)
• Capacitance-voltage (CV)

Das erste Dropdown-Menü (Cu20) enthält die Liste der Schichten und das zweite (NDoping) besteht aus den verfügbaren Parametern für diese Schicht.

Global Conditions

Dropdown-Menüs im Tab Global Conditions ermöglichen die Auswahl von verschiedenen Kontinuitätsmodellen für die verschiedenen Schichten der Solarzelle. Der Nutzer kann auch Dateien mit Beleuchtungsspektren importieren.

Der Ladungsträgertransport über die Grenzfläche zwischen zwei benachbarten Schichten kann so gewählt werden, dass kontinuierliche Quasi-Fermi-Niveaus erzwungen werden oder dass der Transport über die Grenzfläche durch thermionische Emission möglich ist.

Results

Der Tab Results zeigt Plots von Energiediagrammen für die verschiedenen Studientypen IV, TE, EIS, IPCE und CV. Sie können innerhalb einer Studie zwischen verschiedenen Plot-Typen wechseln, ohne die Berechnungen neu durchführen zu müssen. Bei einigen Studientypen ermöglicht SolCelSim dem Benutzer den Vergleich der simulierten Ergebnisse mit experimentellen Daten, die aus .csv-Dateien importiert wurden.

Mehr Wissenschaftler zur Erforschung sauberer Energie befähigen

Durch die Nutzung von Sonnenenergie zur Erzeugung von Strom oder Wasserstoff können konventionelle oder PEC-Zellen dazu beitragen, saubere Energie zugänglicher zu machen. Mit der Entwicklung einer Simulations-App und ihrer Verbreitung macht João Vieira sein wertvolles Analysewerkzeug leichter zugänglich und befähigt mehr Forscher, uns beim Übergang zu einer weniger kohlenstoffintensiven Wirtschaft zu helfen. Die App kann hier kostenlos heruntergeladen werden. Zum Ausführen der App ist COMSOL Multiphysics^® Version 5.2 oder höher erforderlich.

Weitere Ressourcen

Versuchen Sie selbst, eine App zu erstellen. Diese Ressourcen zeigen Ihnen, wie es geht:

• Video: Build Simulation Apps from Your COMSOL Multiphysics^® Model
• Blog-Beiträge:
  • Using Layout Templates for Simulation App Design
  • Using Editor Tools to Simplify Your App-Building Process

Referenzen

1. J. Vieira, SolCelSim – A COMSOL App for Charge Transport in a Multilayer Solar Cell, master’s report, Faculdade de Ciencias e Tecnologia, Universidade de Coimbra, Portugal, 2019.
2. J. Vieira and P. Cendula, “SolCelSim: simulation of charge transport in solar cells developed in COMSOL Application Builder,” International Journal of Modelling and Simulation, 2021, https://doi.org/10.1080/02286203.2021.1963144.
3. P. Cendula et al., Analytical Model for Photocurrent–Voltage and Impedance Response of Illuminated Semiconductor/Electrolyte Interface under Small Voltage Bias, Phys. Chem. C, vol. 124, no. 2, pp. 1269–1276, 2020, https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b07244.