Роль алгоритмического языка в SDE-моделировании структуры солнечных элементов

DOI: 10.32743/UniTech.2021.84.3-1.14-17

АННОТАЦИЯ

В этой статье объясняются проблемы моделирования фотоэлектрических энергетических устройств применительно к алгоритмическим языкам с использованием модуля SDE системы Sentaurus TCAD.

ABSTRACT

This article explains the challenges of modeling photovoltaic power devices as applied to algorithmic languages using the Sentaurus TCAD SDE module.

Ключевые слова: Sentaurus TCAD, SDE, структура, алгоритм, моделирование, фотоэлемент, энергетические устройств.

Keywords: Sentaurus TCAD, SDE, structure, algorithm, modeling, photocell, energy devices.

Введение. Солнечная энергетика в последнее время рассматривается в качестве одного из самых перспективных направлений в системе энергетической безопасности любой страны. Растет понимание, что солнечная энергия является не просто одним из видов возобновляемых источников энергии, но действительно неистощимым источником энергии, вызывающий наименьшее загрязнение окружающей среде и для планеты в целом [2]. В связи с этим в Республике Узбекистан проделана значительная работа по созданию правовых основ развития данной отрасли. В частности, 26 мая 2017 года Президент Республики Узбекистан принял Постановление №ПП-3012. Это постановление о программе мероприятий по дальнейшему развитию возобновляемой энергетики на 2017-2021 годы, энергоэффективности в экономике и социальной сфере. Планируется реализовать широкий комплекс мероприятий, включая строительство возобновляемых источников энергии, в частности, солнечных фотоэлектрических станций мощностью 100 МВт и на реализацию проекта планируется потратить 699,3 миллиона долларов [1].

В качестве основного элемента при создании фотоэлектрических станций используются солнечные батареи. Солнечные панели, в свою очередь, состоят из солнечных элементов. Исследование солнечных элементов проводилось путем натурного эксперимента, что, с одной стороны, позволяет достоверно и в полном объеме выявить свойства конкретного устройства, но с другой – накладывает ограничения на возможность изучения влияния как можно более широкого набора входных параметров устройства на его характеристики [2]. Развитием информационных и коммуникационных технологий создана перспективная возможность для решения таких проблем. В настоящее время доступно множество программных инструментов, систем и пакетов для моделирования на основе известных научных представлений по физике.

Существует множество таких систем, предназначенных для работы с солнечными элементами: система Sentaurus TCAD, система Silvaco TCAD, симулятор PV Lighthouse, пакет COMSOL Multiphysics® и другие. В данной работе обсудим алгоритмы создания структур устройств в модуле SDE системы Sentaurus TCAD.

Постановка задачи. Рассмотрим пример исследования простого солнечного элемента с p-n-переходом на основе кремния (рис. 1, а). Для этого формируем список составляющих солнечного элемента: кремний; р-тип; n-тип; контакт.

Загружается модуль SDE с окном редактирования в графическом виде. На панели инструментов выбирается «Silicon» – то есть кремниевый элемент. Чтобы нарисовать прямоугольник, выбирается нужный инструмент и нарисуется области p и n. Войдя в соответствующий раздел меню, контакты активируются и устанавливаются в поля n и p. Чтобы образовать p-n-перехода, вводится концентрация 3-валентных химических элементов в поле p и 5-валентных элементов в поле n. Для обеспечения точности вычислительных процессов в областях, где выполняются основные процессы, формируется более плотная сеть, а в остальных областях - разреженная сеть. Процесс расчета отправляется в модуль SDevice.

Рисунок 1. Солнечные элементы с разной структурой.

Хотя показанный выше процесс не является сложным, он может занять много времени. Усложняем задачу исследования, например, не полностью покрываем контакт p-типа (рис. 1, б), приведем значения концентраций типов p и n в виде градиента (рис. 1, в), заменяем позицию типов n и p (рис. 1, г), вводим n типов, не закрывая полностью поверхность, сменяя друг друга типы p и n (рис. 1, д) или даём концентрация последней структуры в виде градиента (рис. 1, е).

Процесс моделирования. Процесс создания структуры в графической среде SDE для решения этих проблем является относительно сложным. Поэтому мы используем окно кодирования следующим образом: определим начальные параметры, для этого определяем переменные, используемые в структуре (рис. 2).

Рисунок 2. Структура солнечного элемента

В командной строке SDE для определения переменных используется оператор define. Чтобы определить переменные, показанные на рис. 2, вводим следующие строки:

(define c_h 0.1)    ;толщина контакта

(define n_h 1  )     ;толщина n-типа

(define p_h 10)     ;толщина p-типа

(define fc_l 1  )     ;ширина переднего контакта

(define rc_l 1  )     ;ширина тыльного контакта

(define d_l  20)     ;длина солнечного элемента

(define n   3 )        ;количество тыльных контактов

Такая форма идентификации переменных является входным сигналом с точными значениями. Значение также можно ввести позже тогда, когда SDE используется в Sentaurus Workbench’а. Для этого сначала добавляется параметр со значением в проекте, ранее созданном Sentaurus Workbench, и этот параметр записывает между двумя символами @, например, (define c_h @Contact_length@).

Как видно на рисунке, для того, чтобы нарисовать контакт, нужна соединить точки координатах (0,0) (0, c_h), (fc_l, c_h) и (fc_l,0). Эти отрезки образует правильный прямоугольник. Нам не нужна вводить все его точки, чтобы нарисовать правильный прямоугольник. Достаточно получить две точки, соответствующие диагонали сечения, например, получаем точки (0,0) и (fc_l, c_h).

Теперь нам нужно получить следующие точки для создания n-типа: (0, c_h) и (d_l, c_h+n_h). Но операцию сложения в SDE следует указывать в начале, а не между двумя переменными. То есть в нашем примере он должен быть в форме (0, c_h) и (d_l, (+ c_h n_h)).

А также, получаем координаты для создание p-типа (0, (+ c_h n_h)) и (d_l, (+ c_h n_h p_h)), для тыльного контакта (0, (+ c_h n_h p_h)) и (bc_l, (+ c_h n_h p_h c_h)). Теперь мы представляем чертежи в следующих координатах с соответствующим синтаксисом SDE:

(sdegeo:create-rectangle (position 0 0 0) (position fc_l c_h 0) "Silicon" "front_contact")

(sdegeo:create-rectangle (position 0 c_h 0) (position d_l (+ c_h n_h) 0) "Silicon" "n_type")

(sdegeo:create-rectangle (position 0 (+ c_h n_h) 0) (position d_l (+ c_h n_h p_h) 0) "Silicon" "p_type")

(sdegeo:create-rectangle (position 0 (+ c_h n_h p_h) 0) (position bc_l (+ c_h n_h p_h c_h) 0) "Silicon" "back_contact")

Здесь видно, что можно изучать солнечные элементы разной толщины и ширины, задав переменным произвольные значения.

Но это не все. Как видно из рисунка, тыльные контакты несколько, их количество также указано с n. Чтобы разместить контакты на одинаковой ширине и на одинаковом расстоянии, нам нужно определить координаты (x₁, y₁) и (x₂, y₂). Для этого вводим параметр i и получаем его значение в диапазоне от 0 до n-1. Тогда координаты вычисляются по следующим формулам:

x₁=(bc_l+dx)∙i,    y₁= c_h+n_h+p_h,   

x₂=x₁+bc_l,    y₂= y₁+c_h

здесь, dx = (d_l-n∙bc_l)/(n-1)

Создаем алгоритм, повторяющий значение параметра i за один шаг в диапазоне от 0 до n-1.

(define dx (/ (- d_l (* n bc_l)) (- n 1)))

(do ( (i 0 (+ i 1)) )

( (= i n) )

(begin

(define BConReg (string-append "backcontact_" (number->string i)))

(define x (* (+ bc_l dx) i))

(define y (+ c_h n_h p_h))

(sdegeo:create-rectangle (position x y 0) (position (+ x bc_l) (+ y c_h) 0) "Silicon" BConReg))

В результате выполнения этого алгоритма тыльный контакт солнечного элемента может быть больше одного, в зависимости от значения n.

Результат моделирования. Рассмотренные расчеты и введенные коды дают результат в соответствии с точными параметрами. После того, как все коды были написаны и скопированы в среду SDE, мы можем увидеть геометрическую структуру нужного нам солнечного элемента в графическом редакторе (рис. 3).

Таким же способом можно получить градиент концентрации, увеличивая концентрацию (рис. 1; c, e), а элементы n-типа или p-типа могут быть расположены непересекающимся образом (рис. 1; d, e).

Рисунок 3. Геометрическая структура солнечного элемента, нарисованная в модуле SDE

Заключение. Знание алгоритмического языка в компьютерном моделировании солнечных элементов на основе кремния позволяет использовать широкий спектр возможностей моделирования. Используя команды и элементы алгоритмического языка, все элементы, показанные на рисунке 1, могут быть организованы в один проект с различными параметрами и значениями. Это удобно как для разработчика моделей, так и для системы программирования для сокращения времени расчета.

Список литературы:

1. «О программе мер по дальнейшему развитию возобновляемой энергетики, повышению энергоэффективности в отраслях экономики и социальной сфере на 2017 — 2021 годы» Постановление Президента Республики Узбекистан, ПП‑3012. Ташкент, 2017, 26 май.
2. А.Б.Гниленко и др. Моделирование кремниевого солнечного элемента с вертикальным p-n переходом. // Відновлювана енергетика. 2013, №2, 34-44 сс.
3. Е.Ю. Товстая, Е.П. Черных. Компьютерное моделирование влияния диодных параметров на выходные параметры солнечных элементов. // Харьковский политехнический университет, 2011 год, №21. 81-стр.