太阳能电池是全球向低碳型能源供给过渡的重要技术。近年来，太阳能技术发展迅速，但要满足日益增长的可再生能源需求，还需要取得更大进步。为了支持太阳能电池技术的研究，理科硕士 João Vieira 开发了一个名为 SolCelSim 的仿真 App。作为他在斯洛伐克日利纳大学（Slovakia’s University of Zilina）Erasmus+ 项目实习的一部分，这个仿真 App 是 Vieira 使用 COMSOL Multiphysics® 软件中的 App 开发器，基于 Peter Cendula 博士团队在 COMSOL Multiphysics 中建立的模型开发的。阅读本文，了解更多关于该仿真 App 的更多信息。
超越硅光伏：开发用于光电化学电池的新材料
太阳能电池板已经在全球范围内广泛应用，但是为了加速取代化石燃料，将太阳光转化为能量的过程必须能以燃料（即氢气）的形式储存能量，并且越来越便宜和高效。
利用太阳光从水中提取氢气和氧气的光电化学（PEC）太阳能水分解装置是进一步研究的可行性路径。工程师们正在探索能够改进 PEC 技术的新材料和新工艺，设计 SolCelSim 旨在帮助他们模拟 PEC 太阳能水分解装置。在投入时间和资金制作实际原型之前，研究人员可以使用 SolCelSim 来测试新的设计概念。
PEC 太阳能水分解装置利用光将水分解成氢气和氧气。研究人员目前正重点研究该工艺中的各种半导体和催化材料。图像通过 Energy.gov 已进入公有领域。
太阳能电池仿真的切入点
João Vieira 将他的仿真 App 描述为 “模拟 PEC 太阳能电池装置漂移-扩散的一个切入点”。他的目标是为研究人员提供可以用来模拟太阳能水分解装置的工具，即使他们不熟悉仿真软件。
任何一个使用 SolCelSim 的用户都能够使用与现场原型测试相同的指标来评估模拟的设计。通过在模拟阶段缩小设计方案的选择范围，研究团队可以对他们选择的设计更加自信。根据他们的设计在现场测试生成的新数据，可以轻松地对 SolCelSim 进行重新校准以获取最新的结果，不需要在 COMSOL Multiphysics 中重新运行完整的模型。
SolCelSim 可用于设置和调整传统光伏太阳能电池模型的参数，包括：
- 层数
- 电荷传输类型
- 接触条件
用户通过该仿真 App 还能够模拟漂移-扩散方程，获得以下数值：
- 光电流-电压特性
- 光电转化效率
- 阻抗谱
最后，用户使用该仿真 App 还能够导出模拟结果，并将其与导入的实验结果进行比较。此外，还可以在模型开发器中进一步调整仿真 App 中嵌入的模型来耦合其他物理过程。
SolCelSim 仿真 App 简介
该仿真 App 在用户界面上显示了4个选项卡：
- 层堆叠
- 研究类型
- 全局条件
- 结果
接下来，我们简要介绍每个选项卡的功能。
层堆叠
这个选项卡提供了单独添加额外层的功能，以匹配正在模拟的太阳能电池设计。网格划分可以由用户控制或物理场控制。App 用户还可以为模型选择欧姆接触或肖特基接触，指定金属和半导体之间的整流或非整流结点。
默认层名为 Cu20 的层堆叠选项卡，用作 P 型半导体。使用时应将名称和参数更改为所需的主吸光层。
研究类型
使用 研究类型 选项卡下的 参数化扫描 设置，可以使用下列任意一个研究类型来扫描任意图层的任何参数：
- 光电伏安特性（IV）
- 热平衡 (TE)
- 电化学阻抗谱 (EIS)
- 光电效率 (IPCE)
- 电容电压 (CV)
第一个下拉菜单 (Cu20) 包含层列表，第二个下拉菜单 (NDoping) 包含该层的可用参数。
全局条件
全局条件 选项卡的下拉菜单可以为太阳能电池的各个层选择不同的连续性模型。App 用户还可以导入光谱辐照度文件。
可以选择相邻两个层之间的载流子传输使准费米能级强制连续,或允许载流子通过热离子发射在界面之间传输。
结果
结果 选项卡显示了用于 IV，TE，EIS，IPCE 和 CV 研究类型的能级图。用户可以在同一研究中的绘图类型之间切换选择，无需重新计算。对于某些研究类型，用户能够使用 SolCelSim 将模拟结果与从 .csv 文件导入的实验数据进行比较。
帮助更多研究人员探索清洁能源
通过太阳能发电或制氢，传统太阳能电池或 PEC 太阳能水分解装置可以帮助更多的人获得清洁能源。通过开发一个仿真 App 并拓展其应用范围，João Vieira 正在使更多的研究人员方便地使用他开发的宝贵分析工具，帮助全球过渡到低碳经济。点击此处，免费下载该仿真 App，您需要 COMSOL Multiphysics 5.2 版本或更高版本才能运行它。
推荐阅读
如果您想尝试自己创建一个仿真 App，请查看下面这些资源，了解如何操作：
参考文献
- J. Vieira, SolCelSim – A COMSOL App for Charge Transport in a Multilayer Solar Cell, master’s report, Faculdade de Ciencias e Tecnologia, Universidade de Coimbra, Portugal, 2019.
- J. Vieira and P. Cendula, “SolCelSim: simulation of charge transport in solar cells developed in COMSOL Application Builder,” International Journal of Modelling and Simulation, 2021, https://doi.org/10.1080/02286203.2021.1963144.
- P. Cendula et al., Analytical Model for Photocurrent-Voltage and Impedance Response of Illuminated Semiconductor/Electrolyte Interface under Small Voltage Bias, Phys. Chem. C, vol. 124, no. 2, pp. 1269–1276, 2020, https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b07244.
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