OPTICAL MODELLING AND OPTIMIZATION OF SOLAR CELLS WITH NANO- AND MICROPHOTONIC STRUCTURES BASED ON RIGOROUS COUPLED WAVE ANALYSIS

LOKAR, ŽIGA (avtor), Krč, Janez (mentor)

This thesis is focused on the optical simulations of the silicon heterojunction (Si HJ) solar cells. A model based on Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA) was developed and integrated in the so-called Coupled Modelling Approach (CMA). The Si HJ structure consists of a thick crystalline silicon wafer as the absorber, while thin layers of amorphous silicon serve for passivation and selective charge carrier collection to the transparent conductive oxide contacts. Textured silicon wafers with inverted nano pyramids and random micro pyramids were experimentally fabricated at IMEC, Belgium. Some of the wafers were completed to Si HJ solar cells. Primary purpose of the experimental samples was validation and calibration of the developed optical models. The RCWA model was implemented in MATLAB and extended with calculation of local absorption to calculate local absorption in individual layers of the solar cell. After, it was coupled together with ray tracing (RT) and transfer matrix method (TMM) models in the CMA. We show that under certain conditions (number of sub-layers and number of modes) RCWA method accurately simulates structures with nanometer textures, while the CMA is applicable to structures including thin and thick layers, and nano, micro or combined textures. RCWA was extensively analyzed with respect to the number of modes and sublayers required for accurate simulations of textures of different sizes. The P = 900 nm and h = 530 nm textures were found to be efficiently simulated by the RCWA, requiring only 30 sublayers and 3 modes for the inverted pyramid grating, while sine grating required 20 sublayers and 5 modes. Considering the worst-case simulations, 30 sublayers and 5 modes are sufficient for simulations of textures with P = 900 nm and h = 530 nm. Oblique light incidence requires slightly increased number of modes and sublayers. Simulation of P = 1800 nm texture with same aspect ratio was also found possible with reasonable convergence speed and resulting in good efficiency, enabling simulations of structures too large for finite element method (FEM) on current PCs, while requiring wave optics and preventing RT simulations. P = 5000 nm texture, however, was found too large to accurately simulate – convergence was poor, while simulations also showed numeric artefacts. RCWA was applied to partial solar cell structure optimization to improve light in-coupling in Si HJ solar cell. Inverted nano pyramid texture was optimized in simulations by varying pyramid fraction (PF) and found that PF = 1 is the optimal value. CMA was utilized for simulations of complete and encapsulated (PV module) Si HJ structures. Different combinations of front and rear silicon textures were tested first with CMA. Nano/flat texture combination outperformed the rest and offered approximately 0.5 mA/cm2 (1.4%) higher JSC than the commonly used random micro pyramids on both sides. Besides single-side illuminated devices, bifacial PV module was also optimized. In addition to considering different front and rear textures, light management foil (LMF) was applied on top of glass layers. LMF offered significant improvement to the performance of the untextured Si HJ module beyond lowering initial reflectance, while improvements on the textured modules were limited to the lowering air-glass reflectance. Nonetheless, the optimized module with LMF on both sides and micro/nanotexture combination offered 2.63 mA/cm2 (5.6%) higher JSC and thus the conversion efficiency than the one without LMF and micro/micro texture combination. Additionally, for bifacial illumination at albedo α=0.3 at the rear side it had higher JSC than would be theoretically possible with single side illumination.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: Optical modelling, photovoltaics, silicon heterojunction solar cells, RCWA, CMA
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Organizacija: FE - Fakulteta za elektrotehniko
• Leto izida: 2019
• PID: 20.500.12556/RUL-106891
• Datum objave v RUL: 25.03.2019

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: OPTIČNO MODELIRANJE IN OPTIMIZACIJA SONČNIH CELIC Z NANO- IN MIKROFOTONSKIMI STRUKTURAMI NA OSNOVI RIGOROZNE ANALIZE SKLOPLJENIH VALOV

Izvleček

Raziskave in razvoj na področju fotovoltaike (PV), v okviru obnovljivih virov energije, so v svetovnem merilu še vedno v polnem razcvetu. Tehnologija se je prebila iz nišne uporabe na satelitih in odročnih predelih na strehe stanovanjskih hiš, vozil, ceste in še mnogo drugega. Na trgu prevladujejo fotovoltaični moduli narejeni na osnovi sončnih celic iz kristalnega silicija. To je zrela tehnologija, vendar še vedno deležna novih raziskav različnih materialov, struktur in tekstur, ki omogočajo, da se izkoristek najboljših sončnih celic s to tehnologijo še vedno povečuje. Rekordna silicijeva celica (pod osvetlitvijo enega sonca – brez koncentracije svetlobe) je bila narejena s kombinacijo različnih pristopov in ima t.i. silicijevo heterospojno (Si HJ) strukturo ter v tem trenutku dosega 26.6% izkoristek. Disertacija se osredotoča na optično modeliranje in simulacije Si HJ sončnih celic. Struktura je osnovana na monokristalnem siliciju, rezina je v našem primeru dopirana s fosforjem. Nanj so dodane plasti hidrogeniziranega amorfnega silicija (a-Si:H), najprej je dodana plast intrinzičnega, nato pa z akceptorji ali donorji dopirana plast za selektivno zbiranje nosilcev naboja. Na vrhu dopiranega silicija je še plast prevodnega oksida, navadno je to indij-kositer-oksid (ITO). Za dokončanje sončne celice sledijo kovinski kontakti, sprednji mrežasti in zadnji čez celotno strukturo (v primeru struktur za obojestransko osvetlitev sta oba kovinska kontakta mrežasta). Za izdelavo PV modula je potrebno opisani strukturi dodati še steklo za mehansko zaščito ter vmesno enkapsulacijsko sredstvo, ki je običajno etilen-vinil-acetat (EVA). V procesu razvoja in optimizacije struktur sončnih celic sta pomembna tako aspekt eksperimentalnega dela kot numeričnih simulacij. Eksperimentalni vzorci so s stališča modeliranja potrebni za preverjanje rezultatov simulacij, poleg tega pa so osnova končnim sončnim celicam in PV modulom, ki se uporabijo – kar pa je tudi končni cilj raziskav. Vendar pa je eksperimentalna optimizacija počasna in draga. Simulacije tu ponujajo možnost hitrih iteracij – namesto počasne eksperimentalne optimizacije se naredi hitre simulacije, poišče optimizirano strukturo in nato izdela le optimalen primerek strukture, da se potrdi izboljšave. Simulacije se v grobem lahko razdeli na optične in električne simulacije, kjer so rezultati optične simulacije večinoma vhodni podatek za električne simulacije, električni odziv pa na optičnega nima vpliva. Disertacija se ukvarja z optičnimi simulacijami, v prvem delu z metodo RCWA. RCWA, kratica za »rigorous coupled-wave analysis« - rigorozna analiza sklopljenih valov, se odlikuje, da lahko obravnava večje simulacijske domene kot npr. znani metodi končnih elementov (FEM) ter končnih diferenc (FDTD), ki sta omejeni v velikosti strukture v vseh 3 dimenzijah. To je zelo prikladno predvsem za simulacijo debelih sončnih celic iz kristalnega silicija, kjer je metoda zadostna za simulacijo nanostrukturirane sončne celice, brez aproksimacij ali uporabe drugih metod. Vendar metoda po naših ugotovitvah ni zadostna za simulacijo mikroteksturirane sončne celice. Zaradi tega smo sklopili metodo RCWA z metodo prenosnih matrik (TMM) ter metodo sledenja žarkom (RT) ter poimenovali pristop sklopljeno modeliranje (CMA). CMA omogoča učinkovite simulacije poljubnih struktur – za velike teksture in za propagacijo čez debele plasti uporabimo RT, za odziv tankih planparalelnih plasti je izbira TMM in opcija tudi RCWA, za simulacije nanotekstur pa se uporabi RCWA. Podobni pristopi, kot so OPTOS, GENPRO ali SETFOS, vsi razrežejo strukturo na plasti, v vsaki plasti izračunajo sipanje in 1D stolp plasti neiterativno sklopijo. Mi te aproksimacije ne naredimo, temveč sklapljamo RCWA, RT in TMM v 3D prostoru, kar omogoča tudi simulacije t.i. moduliranih tekstur kot na primer kombinacija nano in mikro tekstur. Razvita modela RCWA in CMA smo validirali na realnih vzorcih struktur. Ti vzorci so uporabljali kombinacijo nano in mikro tekstur. Nekateri vzorci so bili le teksturiran sicilij, drugi pa Si HJ sončne celice za bolj zahtevno testiranje simulatorja. Rezultate RCWA simulacij smo poleg validacije tudi temeljito analizirali ter določili uporabnost in natančnost metode v odvisnosti od izbranega števila rodov in podplasti v strukturi. Analiza je bila osredotočena na obrnjene nano piramide in objavljena v izvirnem znanstvenem članku. Poleg analize omenjene teksture smo preverili še natančnost za sinusno teksturo. Za razvojem optičnih modelov in eksperimentalno validacijo smo razvita orodja uporabili za analizo in optimizacijo struktur Si HJ sončnih celic in PV modulov. Z uporabo RCWA smo analizirali dobitke v gostoti kratkostičnega toka celice v odvisnosti od deleža piramid, v odvisnosti od periode strukture ter v odvisnosti od debeline plasti ITO. Poleg optimizacije individualnih parametrov smo hkrati spreminjali tako periodo kot tudi debelino ITO. Nadalje smo optimizirali strukturo celotne enkapsulirane celice (PV modula) za izvedbe z enostransko in obojestransko osvetlitvijo. Pri obeh strukturah smo preizkusili različne kombinacije tekstur jedkanih v silicij, pri dvostranski pa poleg tega tudi izboljšave, ki jih omogoča plast za vodenje svetlobe (LMF) na steklu.

• Ključne besede: Optično modeliranje, fotovoltaika, silicijeve heterospojne sončne celice, RCWA, CMA