Solar Cell Simulation

太陽電池

太陽電池 (図 1) は、物理的および化学的現象である光起電力効果によって、光のエネルギーを直接電気に変換する電気デバイスです。これは、光にさらされると電流、電圧、または抵抗などの電気的特性が変化するデバイスとして定義される光電池の一種です。太陽電池は、太陽電池パネルとも呼ばれる太陽電池モジュールの構成要素です。

図 1 -太陽電池

用途:安全でクリーンな再生可能エネルギーとして、太陽電池は重要なエネルギー源として使用されるようになっています。これは、家庭用アプリケーション (図 2)、産業、公共照明、スマートフォン充電、航空宇宙 (図 3) など、多くの分野で適用されています。

図 2 -家庭でエネルギー源として使用されるソーラー パネル


図 3 -ソーラー パネルを搭載した国際宇宙ステーション

太陽電池をシミュレートする理由

• PV効率の向上
• 設計性能と目標信頼性の最適化
• システム性能への変動の影響の低減
• 製造歩留まりの予測
• 生産コストの削減

問題の説明

継続的な技術革新により、細胞はより複雑になります (より多くのプロセスおよび幾何学的変数 – 3D 効果、複雑な光路など…)。これが、シミュレーションなしで新しいセルを設計することが現実的でない理由です。 EMS 電気伝導モジュールは、太陽電池をシミュレートする機会を提供し、設計モデルを調査するために必要な多くの実験を回避します。

モデルは、ソーラー パネルの単一セルです (図 4)。セルは、シリコンセルを覆う一対のアルミニウム電極で構成されています。上部電極は薄いテーパー体で、電位は 0.6V です。下部電極は平らな長方形で、接地として機能します。分析では、シリコン セル全体、および前面電極のテーパー端に沿った電圧降下を決定することに焦点を当てています (図 5)。電界と電流密度が主な分析ポイントです。

図 4 -太陽電池シミュレーション モデル


図 5 -太陽電池の動作

スタディ

EMS で電気伝導を作成した後、常に次の 4 つの重要な手順に従う必要があります。モデルと 4- ソルバーを実行します。電気伝導解析では、空気はモデル化されないことに注意してください。

材料

EMS の電気伝導解析では、電気伝導率と熱伝導率 (熱結合の場合) のみが必要です (表 1)。

表 1 -材料表

負荷と制約

この研究では、固定電圧のみが印加されます

表 2 -印加固定電圧

メッシング

メッシングは、設計解析において非常に重要なステップです。 EMS は、モデルの体積、表面積、およびその他の幾何学的詳細を考慮して、モデルの全体的な要素サイズを推定します。生成されるメッシュのサイズ (節点と要素の数) は、モデルのジオメトリと寸法、要素サイズ、メッシュ許容値、およびメッシュ コントロールによって異なります。おおよその結果で十分な設計解析の初期段階では、解析を高速化するために、より大きな要素サイズを指定できます。より正確な解を得るには、より小さい要素サイズが必要になる場合があります。
メッシュの品質は、メッシュ コントロール (表 3) を使用して調整できます。これは、ソリッド ボディと面に適用できます。以下 (図 4) は、メッシュ コントロールを使用した後のメッシュ モデルです。

表 3 -メッシュ コントロール

図 6 -メッシュ モデル

結果

この例のシミュレーションを実行すると、多くの結果が得られます。 EMS の電気伝導は、電場 (図 7、8)、電流密度 (図 9、10)、および電位 (図 11) を計算して視覚化するために使用されます。また生成される結果テーブルには、抵抗と消費電力が含まれます。

EMS は、多くの種類のプロットの可能性を提供します。以下では、フリンジ、ライン、およびベクトル プロットを確認できます。

図 7 -電界、フリンジ プロット


図 8 -電場、折れ線グラフ


図 9 -電流密度、フリンジ プロット


図 10 -電流密度、ベクトル プロット


図 11 -太陽電池の可能性

結論

さまざまなパラメーターを使用した複数の研究の EMS を使用したシミュレーションは、太陽電池のさらなる最適化につながります。