Simulation von neuartigen Hocheffizienzsolarzellen auf Basis von n-dotiertem Silicium
Neuartige Solarzellendesigns zielen darauf ab, die Effizienz der Stromgewinnung zu erhöhen und die Solarzellen in der Herstellung günstiger zu machen.
Ein Faktor von wachsender Bedeutung in der Entwicklung neuer Solarzellen ist die Begleitung der Entwicklungsphasen durch CAD gestützte Simulation. Hierbei ist das Ziel, auch komplizierte Zelldesigns hinsichtlich optischer und elektrischer Eigenschaften akkurat durch Simulation nachstellen zu können.
Ein funktionierendes Simulationsmodell einer Solarzelle eröffnet Möglichkeiten in der Zellentwicklung, die den Forschungsprozess beschleunigen und effizienter machen. So können durch gezielte Variation einzelner Parameter im Zelldesign Änderungen in der Solarzellenphysik getrennt voneinander beobachtet werden. Im praktischen Versuch ist dies oft unmöglich, da Parameter meist untereinander korreliert sind. Durch die Simulation lassen sich die veränderten physikalischen Vorgänge bei veränderten Solarzellendesigns besser verstehen, was sich wiederum positiv auf die weitere Forschung auswirkt.
Für die Zellentwicklung bieten in der Planung oder Begleitung der Versuche durchgeführte Simulationen die Möglichkeit, die Entwicklungszyklen klein zu halten und sowohl Kosten als auch eingesetzte Ressourcen für Experimente zu reduzieren.
Konventionelle Silicium-Solarzellen wurden bisher auf positiv dotiertem (p-Typ) Silicium-Material hergestellt. Simulationsmodelle für hocheffiziente p-Typ Solarzellen sind weit entwickelt und werden für die Analyse und Optimierung z.B. von PERC- und MWT-Solarzellen erfolgreich eingesetzt.
Der Wechsel auf negativ dotiertes (n-Typ) Material, der bisher aufgrund ungeeigneter Produktionstechnologien unrentabel war, wird von den großen Solarzellenherstellern gerade Stück für Stück vollzogen. Da n-Typ Silicium andere physikalische Eigenschaften hat und in der Prozessierung veränderte technologische Randbedingungen mit sich bringt als p-Typ Material, müssen die Solarzellendesigns angepasst werden. Dies wiederum zieht veränderte physikalische Gegebenheiten in einer n-Typ Solarzelle nach sich.
Für die Beschreibung der zu Grunde liegenden physikalischen Eigenschaften von Solarzellen auf p-Typ Silicium sind Modelle verfügbar, jedoch sind Simulationsmodelle für Solarzellen auf n-Typ Silicium auf Grund der bisher geringeren Verwendung des Materials weniger verbreitet.
Das Ziel dieser Promotion ist es daher, die aktuell stark aufkommende Forschung an Silicium-Solarzellen auf n-Typ Basismaterial mit der Entwicklung von passenden Simulationsmodellen zu begleiten. Die mehrdimensionale Simulation der Solarzellen kann in erheblichem Maße dazu beitragen, die genannten Änderungen besser zu verstehen und ihre Auswirkungen einschätzen zu können.
Im ersten Schritt werden neue Solarzellenkonzepte (MWT, PERC, MWT-PERC, IBC, Panda) als CAD-Modell nachgebaut und eine funktionierende Simulation aufgesetzt. Das bedeutet, dass zunächst eine optische Simulation die Lichtabsorption und Reflexion der Solarzelle nachstellt und ein Profil der erzeugten Ladungsträger generiert wird. Daraufhin wird mithilfe des Ladungsträgergenerationsprofils eine Simulation der elektrischen Vorgänge in der Solarzelle durchgeführt, welche schlussendlich charakteristische Zellparameter wie Kurzschlussstrom, offene Klemmspannung, Füllfaktor und Effizienz ausgibt. Die Funktion der Simulation dieser Modelle wird mithilfe von hergestellten Prototypen evaluiert. Sobald die Experimente erfolgreich nachmodelliert wurden, wird im zweiten Schritt dazu übergegangen, die Zelldesigns ausschließlich mithilfe der Simulation zu optimieren, um geeignete Parameterbereiche zu identifizieren, in denen schließlich die experimentelle Herstellung von optimierten Solarzellen gezielt ansetzen kann.
Das Ziel ist also, zunächst funktionierende Modelle zur Simulation von verschiedenen n-Typ Solarzellendesigns zu erstellen. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse über die physikalischen Vorgänge in Solarzellen auf n-Typ Material sollen dazu verwendet werden, diese Konzepte zu optimieren und dies auf eine Weise zu tun, auf welcher der Ressourceneinsatz (Zeit- und Material) auf ein Minimum reduziert wird.