Uvod

Glavna cilja raziskav na področju fotovoltaike sta povečati učinkovitosti pretvorbe sončnih celic in zmanjšati stroške izdelave. Izdelava je časovno in materialno potratna, zato je numerično modeliranje in simuliranje delovanja nepogrešljivo pri iskanju optimalnih snovno-geometrijskih parametrov celic. Modeli sončnih celic temeljijo na teoretičnih in eksperimentalnih izsledkih znanosti, npr. fizike trdne snovi, statistične mehanike, kvantne mehanike in kemije. Cilj modeliranja je razviti model, ki zajema fizikalno ozadje delovanja celice, hkrati pa je dovolj enostaven, da omogoča hiter izračun. Danes si pri izračunih pomagamo z računalniškimi programi, v katerih s pomočjo numeričnih metod rešujemo sistem enačb, ki jih model zajema. Z rešitvijo sistema enačb lahko posredno določimo izhodne karakteristike celic.

Z različnimi meritvami sončnih celic dobimo nepogrešljive snovne in geometrijske parametre, ki jih uporabimo za numerično ovrednotenje modela in simuliranje izhodnih karakteristik sončnih celic, kot sta npr. tokovno-napetostna karakteristika in kvantni izkoristek. Med pomembnejše rezultate simulacij sodijo napetost odprtih sponk, kratkostična tokovna gostota, polnilni faktor in izkoristek pretvorbe sončne celice. Z analizo lahko ugotovimo, kateri nabor parametrov daje željene izhodne karakteristike sončne celice.

Električno modeliranje sončnih celic

V LPVO smo razvili računalniški program ASPIN2, ki omogoča izračun karakteristik sončnih celic v eni ali dveh dimenzijah. V ASPIN2 je vgrajen preverjen konduktivno-difuzijski model z dodanima modeloma termionske emisije in kvantnega tuneliranja. Model omogoča tudi vključitev nehomogenosti snovnih parametrov polikristalnih sončnih celic. Za izračun optičnih generacij v simulirani sončni celici se uporablja simulator SunShine

Na sliki je prikazan z vrstičnim elektronskim mikroskopom (angl. scanning electron microscope - SEM) narejen posnetek halkopiritne (CIGS) sončne celice (zgoraj). Na podlagi posnetka določimo strukturo, ki jo simuliramo (spodaj). Pri opisovanju strukture upoštevamo nehomogenosti v materialu, ki so prisotne zaradi polikristalne strukture CIGS plasti.

Zgled uporabe ASPIN2

Kot primer uporabe ASPIN2 električnega simulatorja je predstavljen rezultat simulacije pn-spojne sončne celice s kontakti na zadnji neosvetljeni strani. Svetloba vpada na celico v pozitivni smeri osi x (v celico vstopa pri x = 0). Material, kjer se absorbira večina vpadne svetlobe je p-tipa. V spodnjem levem dopiramo material tako da dobim n-tip in s tem pn-spoj. V spodnjem desnem robu se nahaja močno dopiran p-tip, ki ustvarja električno polje za preprečevanje dostopa manjšinskih nosilcev do kontakta.  Na sliki je predstavljena struktura, ki jo simuliramo (zgoraj) in rezultat simulacije, ki prikazuje koncentracijo manjšinskih nosilcev naboja, v tem primeru elektronov (spodaj).