Advanced Numerical Simulation of Silicon-Based Solar Cells
Creators: name: Zanuccoli, Mauro <1974>
Publisher: name: Alma Mater Studiorum - Università di Bologna
Year: 2012
Subjects: ING-INF/01 Elettronica

description: Photovoltaic (PV) conversion is the direct production of electrical energy from sun without  involving the emission of polluting substances.  In order to  be competitive with other energy sources, cost of the  PV  technology must be reduced ensuring  adequate conversion efficiencies. These goals have motivated the interest of researchers in investigating advanced designs of crystalline silicon solar (c-Si) cells.  Since lowering the cost of  PV devices involves the  reduction of the volume of semiconductor,  an effective light trapping strategy aimed at increasing the photon absorption is required. Modeling of solar cells by electro-optical numerical simulation  is helpful  to predict the performance of future generations devices exhibiting advanced light-trapping schemes and to provide new and more specific guidelines to industry. The approaches to optical simulation  commonly adopted for c-Si solar cells  may lead to inaccurate results  in case of thin film and nano-stuctured solar cells. On the other hand,  rigorous solvers  of Maxwell equations are really cpu- and memory-intensive. Recently, in optical simulation of solar cells, the RCWA method has gained relevance, providing a good trade-off between accuracy and computational resources requirement.  This thesis is  a contribution to the numerical simulation  of advanced silicon solar cells by means of  a state-of-the-art numerical 2-D/3-D device simulator, that has been successfully applied to the simulation of  selective emitter and the rear point contact solar cells, for which the multi-dimensionality of the transport model is required in order to properly account for all physical competing mechanisms. In the second part of the thesis, the optical problems is discussed. Two novel and computationally efficient RCWA  implementations for 2-D simulation domains as well as  a third RCWA  for 3-D structures based on an eigenvalues calculation approach have been presented. The proposed simulators have been validated in terms of accuracy, numerical convergence, computation time and correctness of results.
description: La conversione fotovoltaica è la produzione diretta di energia elettrica dal sole che non comporta  l'emissione di sostanze inquinanti. Al fine di competere con altre fonti di energia, la tecnologia fotovoltaica deve subire una riduzione del  costo  garantendo contemporaneamente adeguate efficienze di conversione. Questi obiettivi hanno motivato l'interesse dei ricercatori al  progetto ed all'analisi di  celle solari avanzate in silicio cristallino. Poiché la riduzione del costo dei dispositivi fotovoltaici comporta tipicamente la riduzione del volume di semiconduttore, è necessaria una strategia efficace di  intrappolamento della luce per aumentare l'assorbimento dei fotoni. Gli approcci orientati alla simulazione ottica comunemente adottati per la celle solari in silicio cristallino possono condurre a risultati non accurati in caso di celle a film sottile e nanostrutturate. D'altra parte, i risolutori rigorosi delle equazioni di Maxwell sono altamente onerosi in termini  computazionali. Recentemente, nella simulazione ottica di celle solari, il metodo RCWA ha acquisito una forte popolarità, fornendo un buon compromesso  tra accuratezza e  fabbisogno di risorse computazionali. Questa tesi rappresenta un contributo alla simulazione numerica  -sia ottica che elettrica- di celle solari avanzate al silicio.   Un  simulatore numerico di dispositivi a semiconduttore 2-D/3-D allo stato dell'arte è stato applicato con successo alla simulazione di celle a doppia diffusione di emettitore a di celle con superficie posteriore passivata e contatto locale, per le quali è richiesta la multi-dimensionalità del modello di trasporto al fine di descrivere correttamente  tutti i meccanismi fisici. Nella seconda parte della tesi, vengono discussi gli aspetti relativi alla simulazione ottica. Due innovative   e computazionalmente efficienti implementazioni del metodo   RCWA per  domini di simulazione 2-D  nonché un terzo simulatore RCWA per strutture 3-D basato sul calcolo di autovalori sono stati presentati in questa tesi. I simulatori proposti sono stati validati in termini di accuratezza, convergenza numerica,  tempo di calcolo e  correttezza dei risultati.