太陽電池は, 二酸化炭素排出量の少ないエネルギー供給への移行を目指す世界にとって不可欠なツールです. 太陽エネルギー技術は近年急速に進歩していますが, 急増する再生可能エネルギーの需要を満たすためには, さらなる進歩が必要です. 太陽電池技術の研究を支援するため, 修士課程の学生 João Vieira 氏は SolCelSim と呼ばれるシミュレーションアプリを開発しました. Vieira 氏は, スロバキアのジリナ大学でのエラスムス+インターンシップの一環として, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのアプリケーションビルダーを使用して SolCelSim を開発しました. アプリの詳細は以下をご覧ください.
シリコン太陽電池を超える: 光電気化学 (PEC) 太陽電池用新材料の開発
ソーラーパネルは世界中で見慣れたものになりましたが, エネルギー源としての化石燃料の代替を加速させるためには, 太陽光をエネルギーに変換する過程で, 燃料 (水素など) としてエネルギーを貯蔵できるようになり, より安価で効率的なものにならなければなりません.
太陽光を利用して水から水素と酸素を抽出する光電気化学 (PEC) 太陽電池は, さらなる研究への有望な道筋です. エンジニアは, PEC テクノロジーを改善できる新しい材料とプロセスを模索しており, SolCelSim はデバイスのシミュレーションの実行を支援するように設計されています. 研究者は, 実際のプロトタイプに時間と費用を費やす前に, SolCelSim ソフトウェアを使用して新しい設計コンセプトをテストできます.
PEC セルは光を使用して水分子を水素と酸素に分離します. このプロセスは現在, さまざまな半導体および触媒材料に焦点を当てた集中的な研究が行われています. Energy.gov 経由の公知の画像.
太陽電池シミュレーションのエントリーポイント
João Vieira 氏は, 自分のシミュレーションアプリを ”太陽電池デバイスのドリフト拡散シミュレーションのエントリーポイント” と説明しています. 彼の目標は, シミュレーションソフトウェアに詳しくない研究者でも, 太陽電池の設計をシミュレーションするために使用できるツールを研究者に提供することでした.
SolCelSim を使用すると, 実プロトタイプ試験と同じ評価基準でモデル化した設計を評価することができます. シミュレーションの段階で潜在的な設計の選択肢を絞り込むことで, 研究チームは実験的プロトタイプで追求するコンセプトに大きな自信を持つことができます. 設計の実地試験で新しいデータが生成されると, COMSOL Multiphysics® のフルモデルを再実行することなく, SolCelSim アプリを簡単に再較正して最新の結果を反映させることができます.
SolCelSim は, 以下のような従来の太陽電池モデルのパラメーターの設定や調整に使用できます:
- レイヤー数
- 電荷輸送の種類
- 接触時の状況
アプリのユーザーは, ドリフト拡散方程式のシミュレーションから次のような値を導き出すこともできます.
- 光電流 – 電圧
- 入射光子電流効率
- インピーダンス分光法
最後に, このアプリを使用すると, ユーザーはシミュレーション結果をエクスポートして, インポートされた実験結果と比較できます. さらに, アプリの組み込みモデルをモデルビルダーでさらに調整して, 追加の物理プロセスを結合することができます.
太陽電池設計用の SolCelSim アプリのクイックツアー
アプリケーションには4つのタブがユーザーに表示されます:
- レイヤースタック
- スタディの種類
- グローバル条件
- 結果
各タブの機能を簡単にご紹介します.
レイヤースタック
このタブには, シミュレーション中の太陽電池設計に一致する追加のレイヤーを個別に追加するオプションが提供されます. メッシュ作成はユーザーが制御することも, 物理的に制御することもできます. アプリのユーザーは, モデルのオーミック接点またはショットキー接点を選択することもでき, これにより金属と半導体間の整流または非整流接合が指定されます.
デフォルトのレイヤー名で, P型半導体の Cu20 を表示するレイヤースタックのタブ. 名前とパラメーターを目的のメイン光吸収層に変更する必要があります.
スタディタイプ
スタディタイプタブのパラメトリックスイープ設定を使用すると, 任意のレイヤーのパラメーターを次のスタディタイプのいずれかでスイープできます:
- 光電流電圧 (IV)
- 熱平衡 (TE)
- 電気化学インピーダンス分光法 (EIS)
- 入射光子電流効率 (IPCE)
- 静電容量 – 電圧 (CV)
最初のドロップダウンメニュー (Cu20) にはレイヤーのリストが含まれており, 2番目 (NDoping) にはそのレイヤーで使用可能なパラメーターが含まれています.
グローバル条件
グローバル条件タブのドロップダウンメニューを使用すると, 太陽電池のさまざまな層に対してさまざまな導通モデルを選択できます. ユーザーは照明スペクトルファイルをインポートすることもできます.
隣接する2つの層間の界面でのキャリア輸送は, 連続的な準フェルミ準位を強制するか, 熱電子放出による界面での輸送を可能にするかを選択できます.
結果
結果タブには, IV, TE, EIS, IPCE, および CV スタディタイプのエネルギーダイアグラムプロットが表示されます. ユーザーは, 再計算することなく, 同じスタディ内でプロットタイプを交互に変更することができます. 一部のスタディタイプでは, SolCelSim でシミュレートした結果を .csv ファイルからインポートした実験データと比較することができます.
より多くの研究者がクリーンエネルギーを探求できるようにする
太陽エネルギーを使って電気や水素を生産することで, 従来型セルや PEC セルは, よりクリーンなエネルギーをより身近なものにすることができます. シミュレーションアプリを開発し, 広く利用できるようにすることで, João Vieira 氏は, 貴重な分析ツールをよりアクセスしやすくし, より多くの研究者が炭素集約度の低い経済への移行を支援できるようにしています. このアプリは, こちらから無料でダウンロードできます. 実行するには COMSOL Multiphysics® バージョン5.2以降が必要です.
その他のリソース
自分でアプリを作ってみてください. これらのリソースがその方法を紹介してくれます:
参考文献
- J. Vieira, SolCelSim – A COMSOL App for Charge Transport in a Multilayer Solar Cell, master’s report, Faculdade de Ciencias e Tecnologia, Universidade de Coimbra, Portugal, 2019.
- J. Vieira and P. Cendula, “SolCelSim: simulation of charge transport in solar cells developed in COMSOL Application Builder,” International Journal of Modelling and Simulation, 2021, https://doi.org/10.1080/02286203.2021.1963144.
- P. Cendula et al., Analytical Model for Photocurrent–Voltage and Impedance Response of Illuminated Semiconductor/Electrolyte Interface under Small Voltage Bias, Phys. Chem. C, vol. 124, no. 2, pp. 1269–1276, 2020, https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b07244.
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