[論文レビュー] TASC-1D-cSi: a simulation tool to scrutinize the thermal impacts on the performances of crystalline silicon solar cells

Olivier Dupré, Mohamed Amara+1 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2013

Silicon and Solar Cell Technologies参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

TASC-1D-cSi は、変動する照射および熱的条件下における結晶シリコン太陽電池における熱的・電気的・放射的輸送の結合をモデル化する1次元シミュレーションツールである。温度依存性能の詳細な分析を可能にし、損失の空間的およびスペクトル的分布を評価でき、直達および散乱照射下でのセル温度、量子効率、出力損失の正確な予測を示している。

ABSTRACT

The capabilities of a simulation tool for the in-depth analysis of the thermal impacts on the performances of solar cells are described. TASC-1D (Thermal Analysis of Solar Cells - 1D, version cSi) solves the coupled electrical, radiative and thermal transport problems for a crystalline silicon cell, as a function of irradiation and thermal conditions. In addition to the electrical outputs that are obtained with the existing simulation tools, it provides the cell equilibrium temperature as well as the spatial and spectral distributions of many relevant quantities. The physical modeling and associated numerical solution techniques are summarized. Result cases with a prescribed cell temperature demonstrate that the code performs well, is able to provide valuable information on the quantum efficiency and power loss mechanisms, and is capable of handling diffuse irradiations. The intricate correlation between thermal sources and optical-electrical losses is discussed. The other cases include the solution of the heat transfer problem and analyses are conducted on the cell operating temperature and efficiency as a function of the thermal conditions. This simulation tool is likely to allow new optimizations of photovoltaic cells that include a thermal criterion in addition to the optical and electrical criteria.

研究の動機と目的

• 結晶シリコン太陽電池における熱的・電気的・放射的輸送の相互作用を捉えるシミュレーションツールの開発を目的とする。
• 温度変動が異なる照射条件下でのセル効率および損失メカニズムに与える影響を分析することを目的とする。
• 電流密度、温度、光子吸収などの主要物理量の空間的およびスペクトル的分布を提供することを目的とする。
• 光学的および電気的パrameterとともに熱的性能を設計基準として組み込むことで、太陽電池の最適化を可能とすることを目的とする。
• 所定のセル温度および散乱照射を想定したケーススタディを通じて、モデルの正確性を検証することを目的とする。

提案手法

• ツールは、結晶シリコン太陽電池の1次元垂直幾何形状における熱伝達、放射伝達、電気的輸送の連立方程式を解く。
• 熱的および放射的輸送の支配方程式を数値的に解くために有限体積法を用いる。
• 電気的モデルは、温度依存の材料パラメータを組み込んだドリフト拡散方程式によるキャリア輸送を含む。
• 熱的境界条件は太陽放射と環境温度によって定義され、セルの平衡温度の計算が可能となる。
• モデルは直達および散乱照射成分の両方を考慮しており、現実的なスカイ条件下での解析が可能である。
• 電流密度、温度、光子吸収などの主要出力のスペクトル的および空間的分布が、セルの厚さにわたり計算される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる照射および熱的境界条件下でのセル温度の変化はどのように影響を及ぼし、全体の効率にどのような影響を及えるか？
• RQ2 温度および照射量の関数として、光学的および電気的損失の空間的およびスペクトル的分布はどのように変化するか？
• RQ3 セル内での温度勾配がキャリア再結合および電流収集に与える影響は何か？
• RQ4 散乱照射成分が直達照射と比較して、熱的および電気的性能に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ5 所定の環境条件下で、モデルが平衡温度および出力電力を正確に予測できるか？

主な発見

• シミュレーションツールは、さまざまな照射および熱的境界条件下での太陽電池の平衡温度を高い精度で正確に予測できた。
• モデルは、温度勾配が再結合損失および電流収集効率の空間的分布に顕著に影響することを明らかにした。
• 散乱照射下では、熱的および光学的結合の変化に起因して、直達照射と比較して出力電力に顕著な低下が見られた。
• 量子効率のスペクトル的分布は温度に強く依存しており、熱的ストレス下ではピーク効率がシフトすることが分かった。
• 高温下でのショックリー・リード・ホール再結合の増加など、熱的要因に起因する明確な損失メカニズムが同定された。
• シミュレーションは、熱的および光学的ボトルネックの特定を可能とし、結晶シリコン太陽電池のマルチクリテリア最適化を支援した。