Numerical Front Contact Grid Optimization for Photovoltaics

Photovoltaic converters are a key part of the power by light systems, which transfer energy via light rather than electrical conduction or induction. They excel in applications requiring galvanic isolation, electromagnetic interference-free operation, and ultra-lightweight transmission lines. Power density is a key performance indicator for any photovoltaic chip, but this is even more true for the photovoltaic converter. Two main loss mechanisms start to play a limiting role as higher power densities are used: heating-related power loss and resistive losses. A common way to tackle the resistive loss of photovoltaic devices is to introduce front contact metallization on top of the chip to aid in the charge carrier transport at the lateral direction of the cell. Numerical front contact grid optimization for two single junction photovoltaic converters is done with a novel Hybrid quasi-3D simulation model. The model is constructed by a collection of established optical and semiconductor simulation models giving an efficient yet reliable and accurate description of the photovoltaic device. Double busbar finger grid design’s finger spacing is optimized for a similar but inverted p-type on n-type (p–n) and n-type on p-type (n–p) structures. Optimization is done for four relevant illumination profiles and three operation temperatures, to yield a comprehensive picture of the behavior between the two structures and different grid spacings. Analysis of the photovoltaic cell performance parameters V_oc, I_sc, and FF is done the gain a deeper knowledge of the cell behavior. Results predict that the n–p structure performs considerably better at high illumination power compared to its p–n counterpart. The n–p structure yielded twice as large spacings and 8.5-9.6% higher output powers. Tolerance to spacing values was also considerably higher for n–p structures than p–n. Both illumination non-uniformity and temperature were found to decrease the optimal spacing values, with illumination having a stronger negative effect. Non-uniform illumination and temperature also had a negative effect on the spacing tolerance. Analysis of FF values revealed that with p–n structure, the device’s low sheet resistance of the p-GaAs emitter starts to limit the cell performance as wider spacings are used. Also, results predicted V_oc values to decrease with increased spacing with non-uniform illumination. This effect was explained by a thought experiment of a voltage source matrix with non-uniform voltages trying to equalize their potential difference. The Hybrid quasi-3D model proved to be a highly useful tool for simulating photovoltaic devices. The efficient 3D model has high value when the chip designer wants to move beyond the 1D layer level design to chip and module level design. The ability to consider the layer structure, illumination profile, and metal grid designs in the same model, gives the designer access to results needed to create world-class photovoltaics and to strive in the highly competitive industry of photovoltaics

Quasi-3D Optimization of Grid Architecture for Photovoltaic Converters Using Solcore

Numerical study of metal front contacts grid spacing for photovoltaic (PV) devices is presented with application to PV converter of relatively small size. The model is constructed based on the open source Solcore Python library. A three-step-process is developed to create a hybrid quasi-3D model. The optimal grid spacing was simulated at different temperatures to yield the highest conversion efficiency under various illumination conditions. The results show that the grid spacing needs to be reduced for higher temperatures to yield the highest efficiency. Moreover, the tolerance of the grid spacing is found to be more critical at higher temperature.acceptedVersionPeer reviewe

III–V-Puolijohdeaurinkokennojen Mallinnus Diodiyhtälöllä

Puolijohdeaurinkokennot ovat rakenteeltaan optimaalisia aurinkoenergian muuttamiseen sähköenergiaksi. Siksi aurinkokennojen kehitys on painottunut historiallisesti niiden kehitystyöhön, jonka lopputuloksena on tullut parhaimmillaan lähes 50 % hyötysuhteiset puolijohdeaurinkokennot. Puolijohdeaurinkokennon tarkoitus on tuottaa energiaa sähköiseen piiriin, joten onkin tärkeää osata kuvata kennoa osana virtapiiriä. Tästä syystä aurinkokennolle on kehitetty erilaisia virtapiiri ekvivalentteja malleja. Niistä yksi niistä on kaksidiodimalli. Malli koostuu tunnetuista sähköisistä komponenteista, jotka ovat: rinnakkain kytketty kaksi diodia, virtalähde sekä vastus ja lisäksi sarjaan kytketty toinen vastus. Diodeista toinen kuvaa rekombinaatiota kvasineutraalilla alueella ja toinen tyhjennysalueella. Rinnakkaisvastus puolestaan kuvaa mahdollisia vuotovirtoja kennossa ja sarjavastus ohmisia häviöitä. Kaksidiodimalli saadaan määriteltyä aurinkokennolle kätevästi sovittamalla sille tehtyyn virta-jännitemittaukseen mallin mukainen virtayhtälö. Tässä työssä tarkastellaan aurinkokennon virtapiirimallien käyttöä, sekä luodaan kaksidiodimallin virtayhtälön sovitukseen sovitusalgoritmi, joka käyttää hyväkseen Lambertin W -yhtälöä ja Nelder-Mead algoritmia. Työ jakautuu neljään osaan: aurinkokennon ominaisuuksien kuvaamiseen tunnetuilla sähköisillä komponenteilla, kaksidiodiyhtälön sovittamiseen virta-jännitekuvaajaan, luodun sovitusalgoritmin ja kaksidiodimallin toimivuuden tarkasteluun sekä esimerkkiin mallin soveltamisesta tutkimuksessa. Työssä luotu algoritmi on testattu galliumarsenidi (GaAs) pohjaisten puolijohdeaurinkokennojen diodimallin määrittämiseen. Tutkimusesimerkissä samojen aurinkokennojen diodimallin käyttäytymistä on tutkittu protonisäteilyn alla. Säteily vastaa avaruudessa operoivien kennojen toimintaympäristöä Van Allenin sisemmällä ionivyöhykkeellä. Tulosten perusteella algoritmi toimii tehokkaasti sekä sen luomat sovitteen vastaavat erinomaisesti kennojen virta-jännitemittauksia. Kaksidiodimalli kuvaa siis erinomaisesti GaAs pohjaista puolijohdeaurinkokennoa, sen yksinkertaisesta luonteestaan huolimatta. Protonisäteilytettyjen kennojen tutkimuksesta selviää, että diodien saturaatiovirrat kasvavat jyrkästi tietyn säteilytysannoksen jälkeen, mutta rinnakkaisvastus puolestaan pysyy melko muuttumattomana. Sarjavastuksen muutosta ei voitu luotettavasti määritellä menetelmällä.Semiconductor solar cells have optimal structure for solar energy conversion to electrical energy. It is the main reason why solar cell development has historically focused to semiconductors which has yield almost 50 % efficient semiconductor solar cells. Main function of the solar cell is to provide electrical power to an external circuit. That is why it is important to develop circuit equivalent models for solar cells. One of the most used circuit equivalent models is double diode model. Double diode model consists of well-known electrical components which are: two parallel diodes, current source, resistors in parallel and series. The first diode models recombination at quasi neutral regions of the cell and the second diode models recombination at depletion region of the cell. Resistor in parallel models shunt currents and in series it models ohmic losses in the cell. The current source models light generated current caused by sunlight. Determining the double diode model to solar cell is relatively straight forward. It can be extracted from current voltage measurement of the cell by fitting the equivalent current equation derived from circuit model. In this theses circuit models for solar cell is revised and working fitting algorithm for double diode model is created using Lamber W function and Nelder-Mead algorithm. This theses is divided to four parts: review of solar cell modelling with electrical components, how double diode model can be determined from current voltage measurement, fitting algorithm’s and double diode model’s fitness and lastly an example how double diode model can be utilized at solar cell research. Algorithm made in this work has been used to extract double diode model from gallium arsenide (GaAs) based semiconductor solar cells. At the research example same solar cells diode model parameters behaviour has been studied under proton radiation. Radiation is similar that solar cells are under satellite operations at lower Van Allen radiation belt. Results conclude that algorithm works efficiently, and it fits accurately double diode model to given data. It is also concluded that double diode model describes well the GaAs based solar cell’s current voltage behaviour regardless its simple nature. Proton radiation research concludes that diodes’ saturation currents starts to rise quickly after critical dose of protons. The parallel resistance at the other hand stays the same and the series resistance’s behaviour could not be determined with the method

III–V-Puolijohdeaurinkokennojen Mallinnus Diodiyhtälöllä

Puolijohdeaurinkokennot ovat rakenteeltaan optimaalisia aurinkoenergian muuttamiseen sähköenergiaksi. Siksi aurinkokennojen kehitys on painottunut historiallisesti niiden kehitystyöhön, jonka lopputuloksena on tullut parhaimmillaan lähes 50 % hyötysuhteiset puolijohdeaurinkokennot. Puolijohdeaurinkokennon tarkoitus on tuottaa energiaa sähköiseen piiriin, joten onkin tärkeää osata kuvata kennoa osana virtapiiriä. Tästä syystä aurinkokennolle on kehitetty erilaisia virtapiiri ekvivalentteja malleja. Niistä yksi niistä on kaksidiodimalli. Malli koostuu tunnetuista sähköisistä komponenteista, jotka ovat: rinnakkain kytketty kaksi diodia, virtalähde sekä vastus ja lisäksi sarjaan kytketty toinen vastus. Diodeista toinen kuvaa rekombinaatiota kvasineutraalilla alueella ja toinen tyhjennysalueella. Rinnakkaisvastus puolestaan kuvaa mahdollisia vuotovirtoja kennossa ja sarjavastus ohmisia häviöitä. Kaksidiodimalli saadaan määriteltyä aurinkokennolle kätevästi sovittamalla sille tehtyyn virta-jännitemittaukseen mallin mukainen virtayhtälö. Tässä työssä tarkastellaan aurinkokennon virtapiirimallien käyttöä, sekä luodaan kaksidiodimallin virtayhtälön sovitukseen sovitusalgoritmi, joka käyttää hyväkseen Lambertin W -yhtälöä ja Nelder-Mead algoritmia. Työ jakautuu neljään osaan: aurinkokennon ominaisuuksien kuvaamiseen tunnetuilla sähköisillä komponenteilla, kaksidiodiyhtälön sovittamiseen virta-jännitekuvaajaan, luodun sovitusalgoritmin ja kaksidiodimallin toimivuuden tarkasteluun sekä esimerkkiin mallin soveltamisesta tutkimuksessa. Työssä luotu algoritmi on testattu galliumarsenidi (GaAs) pohjaisten puolijohdeaurinkokennojen diodimallin määrittämiseen. Tutkimusesimerkissä samojen aurinkokennojen diodimallin käyttäytymistä on tutkittu protonisäteilyn alla. Säteily vastaa avaruudessa operoivien kennojen toimintaympäristöä Van Allenin sisemmällä ionivyöhykkeellä. Tulosten perusteella algoritmi toimii tehokkaasti sekä sen luomat sovitteen vastaavat erinomaisesti kennojen virta-jännitemittauksia. Kaksidiodimalli kuvaa siis erinomaisesti GaAs pohjaista puolijohdeaurinkokennoa, sen yksinkertaisesta luonteestaan huolimatta. Protonisäteilytettyjen kennojen tutkimuksesta selviää, että diodien saturaatiovirrat kasvavat jyrkästi tietyn säteilytysannoksen jälkeen, mutta rinnakkaisvastus puolestaan pysyy melko muuttumattomana. Sarjavastuksen muutosta ei voitu luotettavasti määritellä menetelmällä.Semiconductor solar cells have optimal structure for solar energy conversion to electrical energy. It is the main reason why solar cell development has historically focused to semiconductors which has yield almost 50 % efficient semiconductor solar cells. Main function of the solar cell is to provide electrical power to an external circuit. That is why it is important to develop circuit equivalent models for solar cells. One of the most used circuit equivalent models is double diode model. Double diode model consists of well-known electrical components which are: two parallel diodes, current source, resistors in parallel and series. The first diode models recombination at quasi neutral regions of the cell and the second diode models recombination at depletion region of the cell. Resistor in parallel models shunt currents and in series it models ohmic losses in the cell. The current source models light generated current caused by sunlight. Determining the double diode model to solar cell is relatively straight forward. It can be extracted from current voltage measurement of the cell by fitting the equivalent current equation derived from circuit model. In this theses circuit models for solar cell is revised and working fitting algorithm for double diode model is created using Lamber W function and Nelder-Mead algorithm. This theses is divided to four parts: review of solar cell modelling with electrical components, how double diode model can be determined from current voltage measurement, fitting algorithm’s and double diode model’s fitness and lastly an example how double diode model can be utilized at solar cell research. Algorithm made in this work has been used to extract double diode model from gallium arsenide (GaAs) based semiconductor solar cells. At the research example same solar cells diode model parameters behaviour has been studied under proton radiation. Radiation is similar that solar cells are under satellite operations at lower Van Allen radiation belt. Results conclude that algorithm works efficiently, and it fits accurately double diode model to given data. It is also concluded that double diode model describes well the GaAs based solar cell’s current voltage behaviour regardless its simple nature. Proton radiation research concludes that diodes’ saturation currents starts to rise quickly after critical dose of protons. The parallel resistance at the other hand stays the same and the series resistance’s behaviour could not be determined with the method

Hybrid quasi-3D optimization of grid architecture for single junction photovoltaic converters

A numerical study of metal front contacts grid spacing for photovoltaic (PV) converter of relatively small area is presented. The model is constructed based on Solcore, an open-source Python-based library. A three-step-process is developed to create a hybrid quasi-3D model. The grid spacing under various operating conditions was assessed for two similar p–n and n–p structures. The key target was finding optimal configuration to achieve the highest conversion efficiency at different temperatures and illumination profiles. The results show that the n–p structure yields wider optimal spacing range and the highest output power. Also, it was found that temperature increase and illumination nonuniformity results in narrower optimal spacing for both structure architectures. Analyzing the current–voltage characteristics, reveals that resistive losses are the dominant loss mechanism bringing restriction in terms of ability to handle nonuniform illumination.publishedVersionPeer reviewe