[논문 리뷰] TASC-1D-cSi: a simulation tool to scrutinize the thermal impacts on the performances of crystalline silicon solar cells

Olivier Dupré, Mohamed Amara외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 30.

Silicon and Solar Cell Technologies참고 문헌 17인용 수 3

한 줄 요약

TASC-1D-cSi는 다양한 일조 및 열 조건에서 단결정 실리콘 태양전지의 열, 전기 및 복사 전달 간의 상호작용을 모델링하는 1D 시뮬레이션 도구이다. 이 도구는 온도에 따른 성능 분석을 가능하게 하며, 손실의 공간적 및 스펙트럼 분포를 포함하여 직접 및 산산이 흩어진 일조 조건 하에서 세포 온도, 양자 효율성 및 출력 손실을 정확하게 예측한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단결정 실리콘 태양전지에서 열, 전기 및 복사 전달 간의 상호작용을 정확히 반영하는 시뮬레이션 도구 개발
• 다양한 일조 조건 하에서 온도 변화가 세포 효율성 및 손실 메커니즘에 미치는 영향 분석
• 전류 밀도, 온도 및 광자 흡수와 같은 주요 물리량의 공간적 및 스펙트럼 분포 제공
• 광학 및 전기적 파rameter와 함께 열 성능을 설계 기준으로 통합하여 태양전지 최적화 가능
• 지정된 세포 온도 및 산산이 흩어진 일조 조건을 바탕으로 한 사례 연구를 통한 모델 정확도 검증

제안 방법

• 1D 수직 기하구조의 단결정 실리콘 태양전지에서 열전달, 복사전달 및 전기적 전달을 위한 연립 방정식을 해결하는 도구
• 열 및 복사 전달에 대한 지배 방정식을 수치적으로 해석하기 위해 유한체적 방법을 사용
• 온도에 따라 변화하는 재료 특성을 반영한 드리프트-디퓨전 방정식을 통한 전자 운반체 운반 모델링
• 태양 일조 및 주변 온도를 바탕으로 열적 경계 조건을 정의하여 세포 평형 온도 계산 가능
• 실제 하늘 조건을 고려한 실제 일조 조건 분석을 위해 직접 및 산산이 흩어진 일조 성분을 모두 고려
• 세포 두께 전반에 걸쳐 양자 효율성 및 출력 손실과 같은 주요 출력의 스펙트럼 및 공간 분포 계산

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 일조 및 열 경계 조건 하에서 세포 온도는 어떻게 변화하며, 이는 전체 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 온도 및 일조량에 따라 광학적 및 전기적 손실의 공간적 및 스펙트럼 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 세포 내부의 온도 기울기가 운반체 재결합 및 전류 수확에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 직접 일조에 비해 산산이 흩어진 일조 성분이 열 및 전기적 성능에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ5 지정된 환경 조건 하에서 모델이 평형 온도 및 출력을 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 이 시뮬레이션 도구는 다양한 일조 및 열 경계 조건 하에서 세포 평형 온도를 높은 정확도로 정확히 예측함을 입증하였다.
• 모델은 온도 기울기가 재결합 손실의 공간 분포 및 전류 수확 효율성에 중대한 영향을 미친다는 것을 드러내었다.
• 산산이 흩어진 일조 조건 하에서, 열 및 광학적 결합 방식의 변화로 인해 직접 일조에 비해 출력이 유의미하게 감소하는 것으로 나타났다.
• 온도에 따라 양자 효율의 스펙트럼 분포가 뚜렷하게 조절되며, 열 스트레스 하에서 최고 효율 피크가 이동함을 확인하였다.
• 높은 온도에서 증가하는 쇼크리-리드-홀 재결합과 같은 열원과 관련된 고유한 손실 메커니즘이 도구에 의해 규명되었다.
• 이 시뮬레이션은 열 및 광학적 제약 요소를 식별할 수 있게 하여 c-Si 태양전지의 다기준 최적화를 지원한다.