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ペロブスカイト太陽電池の大面積化予測
概要
本記事では、FLUXiM AGの大面積半導体デバイスシミュレータLaossを用いて、ペロブスカイト太陽電池の大面積モジュール特性を予測した事例を紹介します。本手法では、ラボスケールの小面積太陽電池デバイスのJ-V特性と電極内における電流の2次元方向の移動を組み合わせることで、大面積モジュールのJ-V特性を予測しました。さらに、サブセル数、デッドエリアの幅、透明導電膜(TCO)のシート抵抗を変化させた場合の最大出力の変化を予測しました。本記事はLaossが太陽電池モジュールの設計を迅速かつ効率的に最適化できる有用なツールであることを示しています。
この資料はFLUXiM AGのResearch Blogを参考にして作成しました。詳しくはこちらをご覧ください。
解析目的および解析手法
背景と目的
ペロブスカイト太陽電池や有機太陽電池といった次世代の薄膜太陽電池は、大面積かつフレキシブルなデバイスに適した候補となります。大面積太陽電池を実現するための手法として、モノリシックモジュール設計(monolithic module design)が挙げられます。これはデバイスのアクティブエリア(active area)を複数の小さなサブセル(subcell)に分割し、サブセル間にギャップを設けて相互接続を行う手法です。光電変換層は電気的に絶縁された複数のサブセルに分割されており、上部電極と下部電極を介して直列に接続されます(図1[1])。
図1：太陽電池のモノリシックモジュール設計
サブセルの幅が狭いほど抵抗成分が低下し、それに伴いフィルファクター(Fill Factor、FF)は増加します。一方、各サブセル間を相互接続したギャップの部分は発電に寄与しないデッドエリア(dead area)となるため、モジュール全体のアクティブエリアは減少します。 このように、サブセルの面積とデバイス内の相互接続数との間には明確な関係がありますが、一般的には太陽電池モジュールの最適化は、実験的な試行錯誤によって行われてきました。
本記事では、シミュレーションソフトウェアLaossを用いて総面積50×41 mm2のミニモジュールの出力を最大化できるサブセルの面積を予測する方法を提示します。本手法はあらゆるモジュールサイズに適用可能であり、時間を要する実験的な試行錯誤による設計手法に代わる有効なアプローチとなります。
本ソフトウェアでは電流の横方向成分は太陽電池電極内のみで発生すると仮定します(2Dシミュレーション)。さらに、ラボスケールのペロブスカイト太陽電池(PSC)デバイスから取得したJ-V特性を上下電極間に接続する1D結合則(1D coupling law)として適用します。これにより、ラボスケールの小面積太陽電池デバイスのJ-V特性に基づき、大面積モジュール化した場合のJ-V特性を予測することが可能になります。
解析条件
本記事では、スロットダイコーティングにより作製されたラボスケールのペロブスカイト太陽電池(アクティブエリア: 0.25 cm2)のJ-V特性に基づき大面積化した場合の特性予測を行いました。これらの特性は、University of Surreyの研究成果[2]と整合しています。モジュールの下部電極である透明導電膜(Transparent Conductive Oxide、TCO)はシート抵抗Rsheet=15 Ω/□のITO、上部電極はシート抵抗Rsheet=0.159 Ω/□の銀電極と仮定しました。
解析結果
図2(左)にLaossにインポートしたモジュールのレイアウトを示します。これは図1に示したモジュールの上面図であり、最右端および最左端にそれぞれ上部電極および下部電極が配置されています。図2(右)は、区画(subdomain)における上部電極、下部電極に対してシート抵抗(Rsheet)を入力したLaossのユーザーインターフェースを示しています。本記事では最右端の上部電極(top-contact)、最左端の下部電極(bottom-contact)、アクティブエリア(active-area)、および3種類のスクライビング(P1、P2、P3)の計6区画について、それぞれの幅を定義しました。
図2：Laossのスクリーンショット
モノリシックモジュールの上面図
各区画のシート抵抗
※ P1、P2、P3スクライビング、アクティブエリア、上部および下部電極は色分けして表示
本モジュールに対してLaossのFull Module Handling機能を用いてサブセル数を変化させたときの出力特性を比較しました。図3にサブセル数の違いによって得られる最大電力点(Maximum Power Point、MPP)を示します。サブセル数が増加すると、直列接続されたサブセルに対するキルヒホッフの法則に従い、電圧は線形に増加します(図4)。一方で、サブセルの面積が減少するため電流は減少し、それに伴い、モジュール全体のアクティブエリアも減少します。FFの傾向は電流を反映しており、モジュール全体の抵抗が低減されることから、サブセル数が10の場合に最大値を示します。
図3：50×41 mm2の基板を持つモノリシックモジュールのサブセル数に対する面積あたりの最大電力点(MPP)
図4：50×41 mm2の基板を持つモノリシックモジュールのサブセル数に対するVoc、Jsc、FFの変化
まとめ
モノリシックモジュールでは、光電変換層を複数の小面積サブセルに分割するためにデッドエリアが生じます。サブセルの面積が小さくなるほど、抵抗成分は減少しますが、電流も減少します。 本記事では、ラボスケール太陽電池のJ–V特性を出発点として、Laossに搭載されたFull Module Handling機能を用いることで、モノリシックモジュール設計を迅速に最適化できることを示しました。
下記ボタンよりダウンロード可能な資料では、デッドエリアの幅を変化させたときの出力特性の変化についても記載されています。ご興味がございましたら資料ダウンロードをお願いいたします。
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