太阳能电池是世界向低碳密集型能源供应过渡的重要工具。近年来，太阳能技术发展迅速，但仍需要更多的进步来满足可再生能源的蓬勃发展需求。为了支持对太阳能电池技术的研究，理科硕士 João Vieira 开发了一个名为 SolCelSim 的仿真应用程序（仿真App）。SolCelSim 是 Vieira 使用 COMSOL Multiphysics® 软件中的 App开发器开发的一款仿真 App，这是他在斯洛伐克日利纳大学（Slovakia’s University of Zilina）的 Erasmus+ 项目实习的一部分。这个仿真 App 是基于 Peter Cendula 博士和同事应用 COMSOL Multiphysics 开发的模型建立的。阅读今天的博客文章，了解更多关于该仿真 App 的信息。
超越硅光伏：开发用于光电化学太阳能电池的新材料
太阳能电池板已经成为全世界所熟知的景象，为了加速取代化石燃料，将太阳光转化为能源的过程必须能够以燃料（即氢气）的形式储存能量，并且更加便宜、高效。
光电化学（PEC）太阳能电池利用阳光从水中提取氢和氧，是进一步研究的一条可行途径。工程师们正在探索可以改进PEC技术的新材料和新工艺，而 SolCelSim 旨在帮助他们对该设备进行仿真。在投入时间和金钱制作实际原型之前，研究人员可以使用 SolCelSim 软件来测试新的设计概念。
PEC 电池利用光将水分子分离为氢和氧。这一工艺目前正重点研究各种半导体和催化材料。图像来自Energy.gov的公开资料。
太阳能电池仿真的切入点
João Vieira 将他的仿真 App 描述为 “模拟太阳能电池设备漂移-扩散的一个切入口”。他的目标是为研究人员提供可以用来模拟太阳能电池设计的工具，即使他们不熟悉仿真软件。
借助 SolCelSim 仿真 App，用户能够以用于现场原型测试的相同指标来评估建模设计。通过在模拟阶段缩小可能的设计选择的范围，研究团队可以对他们选择的实验原型概念更有信心。根据他们的设计进行的现场测试生成新的数据，可以很容易地对 SolCelSim 重新校准以反映最新的结果，而不需要在 COMSOL Multiphysics 中重新运行完整的模型。
SolCelSim 可用于设置和调整普通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
该仿真 App 的用户还可以通过模拟漂移-扩散方程获得以下数值，包括：
- 光电伏安特性
- 光电转换效率
- 阻抗谱
最后，用户使用该仿真 App 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，仿真 App 还可以通过在模型开发器中进一步调整来耦合额外的物理过程。
SolCelSim 仿真 App 简介
该应用程序的用户界面包含四个选项卡：
- 层堆叠
- 研究类型
- 全局条件
- 结果
下面简要介绍每个选项卡中功能。
层堆叠
这个选项卡提供了单独添加额外层的选项，以配合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。
具有默认层名为 Cu20 的层堆叠选项卡，作为 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，可以使用以下任一研究类型来扫描任何图层的任何参数：
- 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 选项卡中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。用户还可以导入光谱辐照度文件。
载流子在相邻两层界面处的传输可以选择准费米能级进行强制连续或通过热电子发射在界面上传输。
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交替选择，而无需重新计算。对于某些研究类型，SolCelSim 使用户能够将模拟结果与从 .csv 文件导入的实验数据进行比较。
帮助更多研究人员探索开发清洁能源
通过利用太阳能发电或制氢，传统电池或 PEC 电池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 正在使他更多的研究人员方便的使用他宝贵的分析工具，帮助我们过渡到一个低碳经济。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。
拓展资源
如果您想尝试自己创建一个仿真 App，请点击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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