Simulation-Photovoltaics太阳能

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一种提高CIGS效率的方法

一种提高CIGS效率的方法

2021年13期科技创新与应用Technology Innovation and Application方法创新一种提高CIGS 效率的方法杨正茂(上海电力大学电子与信息工程学院,上海201306)环境污染和能源的短缺已经严重阻碍了当今社会和经济的发展,影响人们的正常生活,因此,人们迫切需要寻求一种可以直接取代煤炭、石油、天然气等主要的化石能源[1]。

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源,它的出现完美地解决了目前能源短缺和环境污染的问题。

而太阳能电池则是可以利用光生伏特效应将光能直接转换成电能的装置。

目前市场上,技术最为成熟的就是晶体硅太阳能电池,几十年来一直在光伏产业扮演着重要的角色。

除此之外,还有非晶体硅,硫化镉、碲化镉类,砷化镓等芋-V 族化合物,铜铟硒类太阳能电池越来越受到重视。

其中,Cu (In 1-x Ga x )Se 2(CIGS )薄膜太阳能电池因其取材廉价,较高的转换率以及突出的稳定性在太阳能电池中受到人们的广泛关注。

本文主要介绍了CIGS 薄膜电池的主要组成以及其发电的原理,在此理论基础上提出了一种新型npn 太阳能电池结构并通过SILVACO -TCAD 软件中的Athena [2]工艺仿真将电池构建出来,其次将电池和同种参数的传统电池做了比较,直观地发现新型太阳能电池结构的优势。

为了更好地优化文章中提出的新型结构,对电池组分做了讨论,即镓浓度大小对新型太阳能电池的影响做了相关的研究。

1研究意义目前全球的环境污染和能源危机是人们将要面临的重要问题,已经开始威胁到人类的生存,因此人们开始寻找清洁的替代能源。

在20世纪时,人类过度使用煤炭、石油、天然气作为主要消耗能源,直到目前才意识到新能源才是真正需要利用的能源。

太阳能作为一种新能源,与之前的那些不可再生能源等常规能源相比有诸多优点:(1)太阳能的储备量丰富。

首先太阳能是取之不尽、用之不竭的可再生能源。

每年照射到地球表面上的太阳辐射能就能替代约一百多万亿吨标煤。

太阳能专业术语翻译

太阳能专业术语翻译

光伏发电板(电池) (Cell-photovoltaic)太阳能发电板中最小的组件.光伏发电系统平衡(BOS or Balance of System - photovoltaic) 光伏发电系统除发电板矩阵以外的部分. 例如开关, 控制仪表, 电力温控设备, 矩阵的支撑结构, 储电组件等等.光伏矩阵或发电板阵(Array - photovoltaic) 太阳能发电板串联或并联连接在一起形成矩阵.阻流二极管(Blocking Diode)用来防止反向电流, 在发电板阵中, 阻流二极管用来防止电流流向一个或数个失效或有遮影的发电板(或一连串的太阳能发电板) 上. 在夜间或低电流出的期间, 防止电流从蓄电池流向光伏发电板矩阵."旁路二极管(Bypass Diode)是与光伏发电板并联的二极管. 用来在光电板被遮影或出故障时提供另外的电流通路.充电显示器(表) (Charge Monitor/Meter) 用以测量电流安培量的装置, 安培表.充电调节器(Charge Regulator)"用来控制蓄电池充电速度和/或充电状态的装置, 连接于光伏发电板矩阵和蓄电池组之间. 它的主要作用是防止蓄电池被光伏发电板过度充电, 同时监控光伏发电矩阵和/或蓄电池的电压."组件(Components)指用于建立太阳能电源系统所需的其他装置.交直流转换器(Converter) 将交流电转换成直流电的装置.晶体状(Crystalline)具有三维的重复的原子结构.直流电(DC)"两种电流的形态之一, 常见于使用电池的物件中, 如收音机, 汽车, 手提电脑, 手机等等."无序结构(Disordered)减小并消除晶格的局限性. 提供新的自由度, 从而可在多维空间中放置其他元素. 使它们以前所未有的方式互相作用. 这种技术应用多种元素以及复合材料它们在位置, 移动及成分上的不规则可消除结构的局限性, 因而产生新的局部规则环境. 而这些新的局部环境决定了这些材料的物理性质, 电子性质以及化学性质. 因此使得合成具有新颍机理的新型材料成为可能.电网连接- 光伏发电(Grid-Connected - photovoltaic) 是一种由光伏发电板阵向电网提供电力的光伏发电系统. 这些系统可由供电公司或个别楼宇来运作.直流交流转换器(Inverter)用来将直流电转换成交流电的装置.千瓦(Kilowatt)1000 瓦特, 一个灯泡通常使用40 至100 瓦特的电力.百万瓦特(Megawatt)1,000,000 瓦特光伏发电板(Module - photovoltaic) 光伏电池以串联方式连在一起组成发电板.奥佛电子(Ovonic)[以S. R. 奥佛辛斯基(联合太阳能公司创始人)及电子的组合命名] - 用来描述我们独有的材料, 产品和技术的术语.奥佛辛斯基效应(Ovshinsky effect) 一种特别的玻璃状薄膜在极小电压的作用下从一种非导体转变成一种半导体的效应..并联连接(Parallel Connection)一种发电板连接方法. 这种连接法使电压保持相同, 但电流成倍数增加峰值输出功能(Peak Power)持续一段时间(通常是10 到30 秒)的最大能量输出.光伏(Photovoltaic - PV)光能到电能的直接转换.光伏发电板(电池) (Photovoltaic Cell) 经过特殊处理可将太阳能辐射转换成电力的半导体材料.卷到卷工序(Roll-to-Roll Process) 将整卷的基件连续地转变成整卷的产品的工序.串联连接(Series Connection)电流不变电压倍增的连接方式.太阳能(Solar)来自太阳的能量.太阳能收集器(Solar Collectors)用以捕获来自太阳的光能或热能的装置. 太阳收集器用于太阳能热水器系统中(常见于住家), 而光伏能收集器则是用于太阳能电力系统.太阳能加热(Solar Heating) 利用来自太阳的热能发电的技术或系统. 太阳能收集器用于太阳能热水器系统中(常见于住家), 而光伏能收集器则是用于太阳能电力系统中太阳能发电模块或太阳能发电板(Solar Module or Solar Panel) 一些由太阳能发电板单元所组成的太阳能发电板板块.稳定能量转换效率(Stabilized Energy Conversion Efficiency) 长期的电力输出与光能输入比例.系统, 平衡系统(Systems; Balance of Systems)"太阳能电力系统包括了光伏发电板矩阵和其它的部件. 这些部件可使这些太阳能发电板得以应用在需要可控直流电或交流电的住家和商业设施中. 用于太阳能电力系统的其它部件包括:接线和短路装置, 充电调压器,逆变器, 仪表和接地部件."薄膜(Thin-Film)在基片上形成的很薄的材料层.瓦特(Watts)用电压乘以电流的值来衡量的电力度.MWpMWp 的具体解释:M 是兆瓦,1MW 是1000KW ,WP 是太阳能电池的瓦数,是指在1000W/ 平方光照下的太阳能电池输出功率,与实际太阳光照照强度有区别.伏特(Volts)电动势能单位•能促使一安培的电流通过一欧姆的电阻•电压(Voltage)电势的量. 电压表(Voltage Meter)用以测量电压的装置.屋顶光伏屯源系统Rt K)f-UK>untedPVpciwersystern独立家庭电源系统Off- gi idhi)int?p<>ivei systt*i TI小述太阳能发屯系统Resident L4JtlureuPVp<jw or ay stem光伏建筑一体化BIPVproducts太阳能境电在1 芒馆、学校中的应用Appl icat ionsof solarPV 1 nhote 1 sandschc ml a移动信号塔太阳能发电猥胃So larPVp< iwersystemsformobi 1 ecomiitur] i cations i gnalstat i ons移动通f方垒汨T工放汕电源PVpt用systpnisf<>rGS\fljnsesttil ioils小型并网光伏社站sjna】lon^gridPVpowerstation人平井网光伙i|l?[S liirg&i en]-^ridPVp(i'WPrstci t iori乡tft公路太阳能路灯灼应用Solarstreet 1 ightsforrura 1 roadsA L R I 能建设新农村工程Solarprojec tssfornowvil Iagos城rfl A阳能庭院灯的応ffl SolargardenL ight sforci t ies乡镇太阳能庭院灯的应用So 1 ar gar de n 1 i gh t s f or town s郊区太阳能冲坪灯工程Sol ar 1 awn 1 i gh t s f<)r suburbs太阳能交通";弓灯匸程Installationof solar trafficsigns成乡风光互补路灯丈例WindanclI^hybridstre?!! ights卜区风光互补系统WindandPVhybridpowersysteinsforresidentialareas入力发屯系统的应用Windgeneratingsysterns人阳能方血专业术语「I1英文对照诠脅[原文地址]比伏发电板(电池)(Cell-photovoltaic)太阳能发屯板屮最小的组件.光伏发电系统平衡(BOS or Balance of System 一photovoltaic)光伏发屯系统除发电板矩阵以外的部分.例如开关,控制仪丧,电力温控设备,矩P 芟撑结构,储电组件等等.此伏矩阵或发电板阵(Array - photovoltaic)太阳能发电板串联或并联连接在一起形成矩阵.目流二极管(Blocking Diode)您影的发电板(或一连小的太阳能发电板)上.在夜间或低电流出的期间,防止电流》社池流向光伏发电板矩阵・"旁路二极管(Bypass Diode)足与光伏发电板并联的二极管・用來在光电板被遮影或川故障时捉供刃外的电流通学充电显示器(表)(Charge Monitor/Meter'用以测量屯流安培量的装置,安培表.充电调节器(Charge Regulator)"川來悴制薔电池充电速度利/或充电状态的装置,连接于光伏发电板矩阵和蒂电池彳nJ.它的主要作用足防止需电池被光伏发电板过度充屯,同时监拧光伏发屯矩阵和/或他的电压・"组件(Components)指用于建立太阳能电源系统所需的戏他装置.交直流转换器(Converter)将交流电转换成直流电的装買.晶体状(Crystalline)具有三维的重复的原子结构.直流电(DC)"两种电流的形态Z- 常见于使用电池的物件中,如收音机,汽车,手提电脑,T无序结构(Disordered)减小并消除晶格的局限性.提供新的自山度,从而可在多维空间屮放置戏他兀素・{ 门以丽所未冇的力武互相作用.这种技术应用多种兀素以及复介材科.它们在位胃,I 及成分I】的不规则诃消除姑构的局限性,因而产生新的局部规则环境.而这此新的局* 竟决定了这些材料的物理性质,电了性质以及化学性质.冈此使得合成具冇新颍机理G 型材料成为可能.电网连接-光伏发电(Grid-Connected - photovoltaic)是一种由光伏发电板阵向电网捉供电力的光伏发电系统.这映系统可曲供电公司或彳 *宇来运作.I直流交流转换器(Inverter)用来将恵流电转换成交流电的装置.千瓦(Kilowatt)1000瓦特,一个灯泡通常使用40至100瓦恃的屯力.13■万瓦特(Megawatt)1, 000, 000 瓦特光伏发电板(Module - photovoltaic)光伏电池以串联方式连在一起组成发电板,奧佛电了(Ovonic)[以S. 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光伏发电系统的建模及仿真分析

光伏发电系统的建模及仿真分析

光伏发电系统的建模及仿真分析作者:张海晶景志慧来源:《中国科技博览》2018年第06期[摘要]光伏发电(Photovoltaic power system,PV)作为一种典型的分布式发电技术,其并网运行具有重要的研究价值和广阔的应用前景,本文将在Matlab/Simulink仿真环境中建立具有通用性的光伏发电工程模型,并进行仿真分析。

[关键词]光伏发电;建模;仿真分析中图分类号:TM615 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)06-0291-01引言分布式发电(Distributed Generation,DG)是近些年倍受关注的一种发电形式,它利用太阳能、风能、潮汐能等可再生的清洁能源发电,实现了能源利用的多样化,被认为是一种极有发展前途的发电技术。

而光伏发电无疑是其中极具代表性和发展前景的一种。

因此,建立具有通用性的光伏系统工程用模型十分必要。

1.光伏发电系统工作原理按目前常见的两级式光伏发电系统建模,第一级为DC-DC变换,第二级为DC-AC变换。

第一级在光伏电池与负载之间增加了一个DC-DC变换器[1],如图1所示,其作用是升高光伏电池输出直流电压到一个合适的水平。

2.光伏电池的数学模型光伏电池是光伏发电系统的基础和核心。

它是利用某些材料受到太阳光照时而产生的光伏效应,将太阳辐射能转换成电能的器件[3]。

光伏电池的等效电路如图2所示:其中为光生电流,为二极管结电流,为结电容(分析中可忽略),为串联电阻、低阻值小于,为并联电阻、高阻值数量级为。

根据电路原理及shockloy的扩散理论[2]可得:(2.1)其中为反向饱和电流(数量级为),为电子电荷(),为二极管因子(取值范围)1:5,k为波尔兹曼常(),T为绝对温度。

电池厂家一般提供光谱,光照强度,电池温度时(此状态称为标准情况,简称标况)的参数。

:光伏电池短路电路;:光伏电池最大功率点电流;:光伏电池开路电压;:光伏电池最大功率点电压。

基于物理模型的太阳能光伏发电系统建模与仿真

基于物理模型的太阳能光伏发电系统建模与仿真

基于物理模型的太阳能光伏发电系统建模与仿真随着节能环保理念的普及,太阳能光伏发电作为一种绿色、环保的新能源得到了越来越广泛的应用。

如何有效提高太阳能光伏发电系统的效率,是目前研究的一个重要方向。

基于物理模型的太阳能光伏发电系统建模与仿真,是实现这一目标的重要手段之一。

一、太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电系统是利用太阳能光子的能量将光能转换成电能的过程。

光伏电池通常推荐使用硅材料,主要由两个PN结构组成。

当光线照射在光伏电池的PN结上时,会激发出一些自由电子,这些自由电子会在PN结内发生扩散,从而形成电流。

在整个光伏发电系统中,太阳能板起到的是收集太阳能光子,转化为电能的作用。

二、建立物理模型1.光伏电池模型光伏电池模型包括了光伏电池的电流–电压特性和短路电流、开路电压等关键参数。

光伏电池的电压随着电流的增加而降低,因此在建立模型时需要采用非线性电子模型。

该模型采用了伏安特性电流–电压关系式。

光伏电池的电流–电压特性可以表示为:$I = I_L - I_0(e^{\frac {qV}{nkT}}-1)- \frac{V+IR_S}{R}$式中,$I_L$是光伏电池的短路电流,$I_0$是光伏电池饱和电流,$V$是光伏电池的电压,$n$是光伏电池热激活能系数,$k$是卡尔文常数,$T$是光伏电池的温度,$R_S$是光伏电池的串联电阻,$R$是光伏电池的负载电阻。

2.电池板模型电池板的主要作用是收集太阳能,转化为电能。

由于太阳能的稳定性受到天气变化、大气压力和温度影响,因此电池板模型需要考虑这些因素。

对于高精度应用模拟,它还需要考虑电池板发射出的温度和不同时间段内太阳能辐射量的影响。

电池板模型是物理模型中最重要的部分之一,因此在建模中需要进行深入的研究和分析。

3.其他模型在建立物理模型时,还需要考虑逆变器、电缆、配线盒的影响,并包括它们对太阳能光伏发电系统的整体能效的贡献。

三、基于物理模型的太阳能光伏发电系统仿真基于物理模型的太阳能光伏发电系统仿真,是实现太阳能光伏发电系统效率优化的重要手段。

太阳能热发电系统的建模与仿真

太阳能热发电系统的建模与仿真

太阳能热发电系统的建模与仿真1. 引言太阳能作为一种清洁、可再生的能源,近年来得到了广泛的关注和应用。

太阳能热发电系统利用太阳能将其转化为热能,再通过热发电机组将热能转化为电能,可用于供电、供热等领域。

为了提高太阳能热发电系统的效率和性能,建模与仿真技术成为不可或缺的工具。

2. 太阳能热发电系统的基本结构太阳能热发电系统一般由太阳能收集子系统、热能转换子系统和电能转化子系统组成。

太阳能收集子系统包括太阳能集热器和传热介质,用于将太阳能转化为热能。

热能转换子系统通过热发电机组将热能转化为机械能。

电能转化子系统将机械能转化为电能并输出。

3. 太阳能热发电系统的建模方法为了对太阳能热发电系统进行建模与仿真分析,一般采用物理模型和数学模型相结合的方法。

物理模型基于系统的物理原理建立,可以描述系统的能量传递和转换过程。

数学模型则通过数学方程对物理模型进行精确描述,利用计算机进行仿真计算。

4. 太阳能收集子系统的建模与仿真太阳能收集子系统的建模与仿真主要包括太阳能集热器的热量传递模型和传热介质的流动模型。

热量传递模型考虑太阳辐射的入射角度、光照强度等因素,计算集热器的吸收热量。

传热介质的流动模型考虑传热介质在集热管路中的流动速度、压力等参数,计算传热介质的温度分布。

5. 热能转换子系统的建模与仿真热能转换子系统的建模与仿真主要包括热发电机组的热力学模型和动力学模型。

热力学模型根据热发电机组的工作流程建立,考虑热发电机组的燃烧过程、烟气排放等因素,计算热发电机组的热效率和排放物的含量。

动力学模型考虑热发电机组的运行特性,计算热发电机组的转速、功率等参数。

6. 电能转化子系统的建模与仿真电能转化子系统的建模与仿真主要包括发电机的电磁模型和电力系统的传输模型。

发电机的电磁模型考虑发电机的结构、磁场分布等因素,计算发电机的输出电压和电流。

电力系统的传输模型考虑电力系统的线路参数、负载特性等因素,计算电能的传输损耗和功率稳定性。

钙钛矿太阳电池PPT物理模型

钙钛矿太阳电池PPT物理模型

在考虑光子循环效应的情况下,利 用平衡模型预测了碘化铅甲基铵 (CH3NH3PbI3)钙钛矿太阳能电池 的效率极限。在模型中,采用了太 阳的AM1.5光谱和实验测量的复折 射率。
The PCE limit of the perovskite cell is about 31%, which approaches to the Shockley-Queisser limit (33%) achievable by gallium arsenide (GaAs) solar cells.
n(x)/p(x)是电子/空穴浓度,D和μ分别是扩散系数和迁移率,G(X) 代表相关位置产生的光激子。 另外:R(x)=0
(a) Samples #1 (Type-1 (p-i-n), efficiency = 15.7%, JSC = 22.7mA/cm2, VOC = 0.85 V, FF = 81%).
激子结合能
关于阐明第一激发的物质是电子空穴对还是自由载流子??
V. Sundström和他的团队,在2ps的光激发情况下,研究CH3NH3PbI3, 使用超快时间分辨光谱去揭示电子空穴对的分离形成更高能级的移动电 荷的证据。
Paul组在Nature Photonics上的文章Electro-optics of perovskite solar cells 就测量出,CH3NH3PbI3的激子束缚能小于10meV,激子束缚能 非常的小,小于室温下的热动能(26meV),光照后产生的肯定是自由 的载流子。
87% 58% 82%
机器学习能否用在钙钛矿电池的优良特性的寻找?乃至微观物理模型的建立??
1、机器学习(深度学习等)用于寻找更佳的电池参数
已有数据参数 (膜厚、退火时 间、效率等)

光伏MPPT仿真

光伏MPPT仿真
目前我国的光伏电池产能已位居世界第一位,但约90%的光伏电池出口到国外。我国在光伏系统应用方面起步较晚,在控制领域方面的研究尚处于空白。
1.2
1.2.1
在太阳能电池温度一定时,太阳能电池的输出P-V曲线上最大功率点电压几乎为一个固定的电压值[10]。因此,CVT法的控制思路是事先在控制系统中设定太阳能电池的最大功率点电压指令值,在系统工作时将太阳能电池的端口电压控制在设定电压指令值处。则在外界环境条件变换不大时,可以近似认为太阳能电池始终工作在最大功率点处。定电压法控制简单,容易实现。系统只要对太阳能电池的输出端口电压进行采样,并同系统的设置值进行比较:若输出端口电压同电压指令值不同,则通过控制系统调整功率变换模块,使得调整后太阳能电池的输出端口电压等于系统地设置值即可[11]。
单晶硅光伏电池是硅电池中转换效率最高的,也是性能最稳定的一种,但是其生产加工过程能耗很高,单晶硅棒的切片和剪裁也还需要耗能并且材料损耗也很大。因此价格更为低廉的多晶与非晶材料正在快速广泛地被用来制造太阳能电池,尽管质量上稍逊于单晶硅。
多晶硅电池不像单晶硅具有整体一致的晶体结构,大量微细晶硅体在材料内无序排列。多晶硅电池的转换率不如单晶硅电池,但是其生产过程消耗能源较少。多晶硅电池的转换效率不如单晶硅电池,但是其生产过程消耗能源较少。多晶硅材料的制作无需单晶硅拉制过程,采用的方法有坩埚生长法和EFG法等。多晶硅电池仍然保持晶体的基本特性,因此还是带隙为1.1eV的间接带隙材料,晶片制作的后续工艺与单晶硅电池相同。为了保证足够的光吸收,晶片同样需要较大的厚度。
并网光伏发电系统最大的特点就是光伏阵列的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络,并网系统中太阳电池阵列所产生电能除了供给交流负载外,多余的电力输出给电网。并网光伏发电系统的安装类型大小各异,可以是功率为即千瓦的家用小型系统,也可以是功率为兆瓦级的大型发电站。

光伏发电系统的建模与仿真分析

光伏发电系统的建模与仿真分析

光伏发电系统的建模与仿真分析随着环保意识的不断提高和可再生能源技术的不断发展,光伏发电系统正在逐步被人们所接受和利用。

在实际应用中,为确保光伏发电系统的稳定性和可靠性,建模和仿真分析是必不可少的步骤。

本文将就光伏发电系统的建模和仿真分析进行探讨。

一、光伏发电系统建模光伏发电系统主要由太阳能电池板、逆变器、支架、组串箱、电缆等组成。

建立光伏发电系统的数学模型需要考虑这些组成部分的物理特性。

以下为各组成部分的建模方法:1. 太阳能电池板的建模方法:太阳能电池板是光伏发电系统的核心部分,它将光线转化成直流电能。

太阳能电池板的数学模型应当考虑其内部电学特性和恒定阻抗和动态响应之间的关系。

常用的太阳能电池板数学模型包括等效电路模型和数学模型。

2. 逆变器的建模方法:逆变器是将太阳能电池板输出的直流电能转化为交流电能的设备,其数学模型应考虑堵转电流、失步电流、输出电压、输出电流等参数。

3. 支架和组串箱的建模方法:支架和组串箱是安装太阳能电池板的设备,其数学模型主要考虑支撑结构的稳定性、组串箱内部的接线和绝缘等特性。

4. 电缆的建模方法:电缆在光伏发电系统中作为输电和连接电网的部分,其数学模型主要考虑其电学特性和热特性。

以上为光伏发电系统各组成部分的建模方法,建立完整的光伏发电系统模型需要将各部分的数学模型进行整合。

二、光伏发电系统仿真分析在建立光伏发电系统的数学模型之后,通过仿真分析可以得到该系统的静态特性和动态响应。

1. 静态特性仿真分析静态特性主要包括电压、电流、电功率等参数,静态特性仿真分析可以求出光伏发电系统在不同光强、温度等条件下的输出特性,对光伏发电系统的电能输出效率进行评估。

2. 动态响应仿真分析动态响应包括瞬态响应和稳态响应两部分内容。

瞬态响应主要考虑系统在启动、光线强度变化、阴影、故障等异常情况下的响应情况。

稳态响应主要考虑系统在长时间工作状态下的稳定性和可靠性。

通过动态响应仿真分析,可以对光伏发电系统进行性能评估、设计优化,为系统的实际应用提供依据。

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1D doping profile simulation Inductance Simulation PVD (Physical Vapor Deposition) Snapback of a UMOS
Photogeneration in CIS Mechanical stress in intermetal dielectric AlGaAs VCSEL
• It’s impractical to design new cells without simulation
– Too many experiments are needed to investigate design space – Risks missing optimum design and market window
Control Algorithms
Nominal Parameter Production Statistical Optimizing System Performance Design Variation Tolerances Analyses Fault WorstCase
andAnalyses Reliability
2
Addressing Issues at All Stages
Cell Module System
Synopsys TCAD tools
Synopsys Saber tools
Design criteria – Cell Level • Maximize efficiency • Optimize geometric and process parameters Design criteria – Module Level • Minimize effect of interconnects on performance • Minimize impact of cell variation or degradation on module performance Design Criteria – System Level • Maximize system performance accounting for diurnal solar inclination and tracking of solar path (some systems have 1- or 2-axis tracking of the sun) • Maximize system level efficiency delivered to the grid, including inverter system
Source: SERIS
Early generation cell (Eff ~ 15-16%)
5
New generation cell (Eff ~ 20%)
Solar Cell Simulation Flow
Input
Process Flow Rocess Simulation
• • • • • Improving PV efficiency Optimizing for design performance and target reliability Reducing the effects of variation on system performance Predicting manufacturing yields Lowering production costs
Wfront dlfsf Nlfsf Nbulk tbulk Sb wback wtot
7
Sf
dsub
dbsf
Nlbsf dlbsf
Example: Unit Cell Optimization Results
wfront wback wtot
eff
dsub
Nbulk dbsf
Nlbsf dlbsf Nlfsf
• Optimize power conversion
11
What is Saber?
Multi-domain circuit simulation… enabling full system “Virtual Prototyping” Power Electronics Multiple Domains Behavioral Models
– Minimize interconnect losses – Evaluate effects of environmental variation:
• Light intensity and incidence angle • Temperature variation • Electrical environment
dlfsf
tbulk
Sf
Sb
• Each array of points represents a separate simulated condition • Unit cell pitch, base layer thickness, doping, and lifetime, and surface recombination velocity show major influence on cell response • Design trade-offs can be investigated quantitatively
Full Chip H-Bridge
EM Wave
4
Why Simulate Solar Cells?
• Continuous innovation makes cells more complex
– More process and geometrical variables – 3D effects, complex light path, etc …
12
Cells to Modules
• • Design problem: active width optimization Given TCAD device design, physical parameters contributing to interconnect resistances can be extracted and a system-level model developed
9
Application: Multi-Junction Solar Cells
• • • GaAs/GaInP Dual-Junction Cell Excellent match between Sentaurus simulation and measurements in MJ cells Calibrated model allows researchers to explore more advanced structures: Bragg reflectors, additional junctions, etc
Electrical Simulation
IQE, EQE Dark & Light I-V
6
Example: 2D Cell Optimization
• • • • Select parameters to be investigated Parameterize the TCAD model Run simulations Visualize the influence of each parameter
13
Module Optimization
Module Optimization: Variation of equivalent RSeries & RShunt
• From system cell level model, sweeps can be done to determine the effect of different cell widths on module performance • Allows for optimization of Maximum Power Point at a module level as a function of luminance and cell width
V
V
IModule (A)
14
Module Validation
• Accurate, physics-based models take TCAD results to system simulation for validating real-world measurements
15
Modules to Arrays and Systems
Source: Philipps, S.S. et.al.. NUMERICAL SIMULATION AND MODELING OF III-V MULTI-JUNCTION SOLAR CELLS Proceedings of 23rd EUPVSEC, 2008
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Cells to Systems: Why simulate?
Surface Texturing Antireflection Coating (ARC)
n+ FSF Base (n-type)
Passivation n+ BSF p+ emitter Metal Contacts Pitch
Source: F. Granek et al, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 17, Oct 2008, pp 47-56
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What is TCAD?
Process Simulation
PDE for Pair Diffusion
Device Simulation
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