[论文解读] 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 3

一句话总结

TASC-1D-cSi 是一种一维模拟工具，用于在不同辐照度和热力条件下，模拟单晶硅太阳能电池中热、电和辐射传输的耦合行为。该工具可实现对温度依赖性能的详细分析，包括损耗的空间和光谱分布，并准确预测在散射光和直射光辐照下的电池温度、量子效率和功率损耗。

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.

研究动机与目标

• 开发一种能够捕捉单晶硅太阳能电池中热、电和辐射传输相互作用的仿真工具。
• 分析温度变化如何影响在不同辐照条件下电池的效率和损耗机制。
• 提供电流密度、温度和光子吸收等关键物理量的空间和光谱分布。
• 通过将热性能作为设计标准之一，与光学和电学参数并列，实现太阳能电池的优化。
• 通过设定电池温度和散射辐照的案例研究，验证模型的准确性。

提出的方法

• 该工具求解单晶硅太阳能电池一维垂直结构中的热传导、辐射传热和电荷传输的耦合方程组。
• 采用有限体积法对热传导和辐射传热的控制偏微分方程进行数值求解。
• 电学模型采用漂移-扩散方程描述载流子输运，其中材料参数随温度变化。
• 热边界条件由太阳辐照度和环境温度定义，从而计算电池的平衡温度。
• 模型同时考虑直射和散射辐照分量，支持在真实天空条件下的分析。
• 在电池厚度方向上计算关键输出量（如量子效率和功率损耗）的光谱和空间分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同辐照和热边界条件下，电池温度如何变化？这种变化如何影响整体效率？
• RQ2 光学和电学损耗的空间和光谱分布如何随温度和辐照度变化？
• RQ3 电池内部的温度梯度在多大程度上影响载流子复合和电流收集？
• RQ4 与直射辐照相比，散射辐照分量在多大程度上影响热性能和电性能？
• RQ5 该模型能否准确预测给定环境条件下电池的平衡温度和功率输出？

主要发现

• 该仿真工具在不同辐照和热边界条件下，对太阳能电池平衡温度的预测具有高度准确性。
• 模型揭示了温度梯度显著影响复合损耗和电流收集效率的空间分布。
• 在散射辐照条件下，与直射辐照相比，该工具显示了可测量的功率输出降低，主要由于热和光学耦合关系的改变。
• 量子效率的光谱分布受温度强烈调制，热应力下峰值效率发生偏移。
• 该工具识别出与热源相关的特定损耗机制，例如高温下Shockley-Read-Hall复合增加。
• 仿真可识别出关键的热学和光学瓶颈，支持对 c-Si 太阳能电池的多准则优化。