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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Bauelementsimulation

In der Arbeitsgruppe Bauelementsimulation werden mathematische Modelle entwickelt und eingesetzt, die detailliert die Physik von Solarzellen beschreiben. Die Kombination aus Experiment und Simulation erlaubt es hierbei die für die Funktionsweise des Bauelementes entscheidenden physikalischen Prozesse sehr genau zu analysieren. Die detaillierte Analyse hilft zum Einen bei dem Verständnis und zum Anderen bei der Charakterisierung und Optimierung von Materialien und Bauelementen..

Zur Simulation der Solarzelle werden sowohl elektrische als auch optische Modelle entwickelt und genutzt. In Dünnschichtsolarzellen werden normalerweise strukturierte Grenzfläche sowie hoch reflektierende Rückkontakte eingesetzt, so dass möglichst viel Licht in der Zelle eingefangen und absorbiert wird. Die hieraus resultierenden optischen Eigenschaften des Bauelementes sind sehr komplex. Um die Optik solcher Solarzellen zu modellieren werden unterschiedliche Ansätze verfolgt. Entweder werden Softwarepakete eingesetzt, die numerisch die Maxwell Gleichungen lösen oder es werden vereinfachte Modelle verwendet, die auf Strahlenoptik beruhen.

Die elektrischen Eigenschaften von Silizium-Dünnschicht-Solarzellen werden mit Hilfe der klassischen Halbleitergleichungen simuliert. Dünne Schichten aus amorphem und mikrokristallinem Silizium besitzen viele strukturelle Defekte, die ganz wesentlich die optischen und elektrischen Eigenschaften des Materials beeinflussen. Deshalb nutzen wir, ergänzend zu den klassischen Halbleitergleichungen, Modelle,, die die elektrischen Eigenschaften von ungeordneten Materialien beschreiben. Das hieraus resultierende elektrische Modell lasst sich einfach mit den bereits erwähnten optischen Modellen kombinieren.

Eine wesentliche Eigenschaft von "Third-generation" Solarzellen ist die Nutzung von  Quanteneffekten. Deshalb wird eine Modell für Quantenprozesse in photovoltaisch aktiven Nanostrukturen benötigt, um diese Art der Solarzellen simulieren zu können. Wir entwickeln solche auf Quanteneffekten basierende Modelle, die konsistent die optischen Eigenschaften, die optische Absorption, den Quantentransport (Tunneln, Beschränkung und Kohärenz), die Streueigenschaften und die Strominjektion beschreiben.

Zweidimensionale SimulationZweidimensionale Simulation der Lichtintensität bei einer texturgeätzten Zinkoxid-Luft-Grenzfläche mit Hilfe der Chandzon-Methode. Die Chandezon Methode bietet einen schnellen numerischen Algorithmus, um die Maxwell Gleichungen in 2D lösen zu können.


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