模拟al的性能_0.3GA._0.7在谱辐照度和温度变化下的AS / INP / GE多结太阳能电池

摘要

光谱辐照度和温度变化对机械叠置铝性能的影响_0.3GA._0.7使用仿真方法研究了AS / INP / GE多结太阳能电池。通过使用MATLAB代码模拟每个子单元的进入和传输光谱，而PC1D软件执行了电力产生的模拟。第一子单元上的进入的太阳辐射是AM1.5D光谱的倍增，具有光谱辐照度乘法因子（SIMF）1,5,10,50,100,150和200个太阳的值。每组模拟在25°C，50°C，75°C和100°C下完成。仿真结果显示了开路电压的线性行为和太阳能电池在温度变化时的效率，而由于SIMF的变化，也获得了太阳能电池性能的非线性响应。仿真结果还表明，在100℃下的频谱辐照度曝光和25°C的工作温度给出了最高效率。

1.介绍

在过去的几十年中，可再生能源研究的进展明显增加，特别是在太阳能光伏领域。已经深入研究了各种类型的太阳能电池，如硅基材料，基于CIGS的（铜铟镓砷）材料和III-V基化学基团，以产生高效的太阳能电池。参考资料等一些记录的成就[1-4.]装饰了全球努力找到更好的太阳能电池，其能够为更美好的未来生产清洁，可持续的能源。

III-V-based太阳能电池材料的组合如GaInP AlGaAs,输入,砷化镓多结太阳能电池的形式(MJSCs)和太阳辐射的暴露在数百乘法了高达46%的发电效率在508个太阳GaInP /砷化镓/ GaInAsP / GaInAs系统[4.］．一些新的实验结果和方面在高效的太阳能电池，诸如垂直外延异质结构的新的设计（其允许高效窄带细胞）[5.那6.]，使用发光太阳能聚光器[7.，或六结太阳能电池[8.[还在太阳能电池研究中扩展了我们的知识。大多数与高效MJSC相关的实验是使用小型样本原型完成的，其在市场和工业规模中的实现仍然远远。需要更多与多结太阳能电池相关的研究包括在各种条件下的MJSC性能的模拟和建模方面[9.-13.］．

在多结太阳能电池中，半导体层(或亚电池)的多个p-n结按照带隙能量的顺序从上到下排列。第一层带隙能量最大，吸收小波长区域的太阳辐射，而下一层带隙能量较小，吸收长波长区域的太阳辐射。理论上，在太阳能电池中放入更多的亚电池可以获得更高的效率[14.］．

基于其制造技术，存在多种类型的MJSC，例如单片集成太阳能电池和机械堆叠的太阳能电池。在单片多结太阳能电池中，子单元之间的电流匹配，晶格匹配和隧道交界处成为限制MJSC的整体性能的主要问题。在机械堆叠的多结太阳能电池中，可以通过应用于每个子单元的单独载荷控制来克服上述问题。通过在两个相邻的子单元之间插入诸如ITO（铟钛氧化钛）的中间透明和导电层，通常通过在两个相邻的子单元之间插入诸如ITO（铟钛氧化钛）来减小的光学损耗。

有一些实验性的[15.-18.[模拟研究[19.-21.[在温度变化下多结太阳能电池的性能和浓缩辐射的性能，但对于最好的作者的知识，他们都没有讨论al_0.3GA._0.7正如/的InP /锗太阳能电池。本文旨在研究铝的性能_0.3GA._0.7As/InP/Ge MJSC在光谱辐照度(由聚光器产生)和温度变化下的模拟[22.］．使用PC1D程序来模拟MJSC上面提到的效果，再次是作者的知识，从未在文献中找到过。希望这项研究可能有助于我们在未来设计强大，稳定和高效的太阳能电池。

2.方法

在这项研究中需要进行三个步骤。首先，编写进入的光谱;其次，计算吸收系数和透射辐射;最后一步是生产力仿真。通过使用MATLAB求解一些相关的公式来数量完成前两个步骤，而使用自由可用的PC1D程序进行下一步骤[22.］．必须为每个子单元完成所有这些步骤。

从AM1.5d太阳直接光谱(ASTM G173-03)中获取一次太阳辐射在第一个亚电池上的入射光谱辐照度，将该光谱与其相应的放大因子相乘得到光谱辐照度的倍数(5、10、50、100、150、200个太阳)。网上免费提供的AM1.5d数据由于波长的不连续步长而存在缺陷。为了克服这个问题并获得一个平滑的AM1.5d光谱辐照度，我们必须首先利用式(1）并确定常数 那在哪里用于黑体辐射和对于实际光谱辐照度。黑体辐射的温度设定为T. = 6000 K. The spectral irradiance (intensity divided by wavelength) of blackbody radiation received by the earth’s surface (terrestrial) is expressed as follows: 在哪里是太阳的半径，是太阳中心和地球表面之间的距离，普朗克是常量的，还是是玻耳兹曼常数。By integrating the whole spectrum using a trapezoid method and setting the intensity value to 989.9 W/m²（AM1.5d光谱的总强度是下的整个区域相对曲线)，我们可以得到的值并使用插值方法重建平滑的AM1.5D频谱。

使用等式计算每个子单元的吸收系数（2)在参考文献之后[23.]： 在哪里是作为波长的函数的系数吸收，是相应子单元的带隙能量，以及是特定波长的进入光子能量。

传输的强度到下一个子单元取决于以前的太阳辐射量 那先前的子单元的厚度 那和前一子电池的吸收系数 那这如下： 在哪里是第一个子单元的传入光谱辐照度，是在所述第二子电池的传入光谱辐照度，和是在第三子电池传入光谱辐照度。的厚度细胞， 那用PC1D程序计算。由于这个程序一次只能模拟一个层，因此必须根据所涉及的连接的数量进行若干次模拟。然后用下列公式计算入射的倍增辐射: 在哪里被定义为将相乘传入光谱辐照度。所述SIMF（光谱辐照乘法因子）设定为1，5，10，50，100，150，和200，并且具有太阳的单元。对于每一组的模拟（在SIMF和温度的特定值），我们模拟了短路电流的形式MJSC的电性能（ ），开路电压（ ），每个子单元的输出功率（ ），和总效率（ ）。然后使用以下等式计算机械堆叠多结太阳能电池的总效率：

有两种类型的MJSC模拟。首先，相同的电流模型，第二，非识别电流模型[13.］．在相同的电流模型（子单元的串联连接）中，在每个子单元中流动的电流量设置为相同。最后一个子单元中的电流将决定整个MJSC中的电流量，因为最后一个子单元（底层）接收最小量的频谱辐照度，并产生最小的电流，结果，输出和总效率MJSC将被拖到此模型中。相反，非识别电流模型，例如机械堆叠多结太阳能电池的情况，将最大化每个子单元中的输出功率，并提高太阳能电池的总效率。该非识别电流模型可以在参考文献中报告的总效率将总效率增加1.7因子[13.］．如果目前MJSC的效率记录为45%，那么非相同电流模型的预期效率可以达到70%以上。太阳能电池在集中辐射下的效率如此之高，在以前的理论预测中已见参考文献[24.］．尽管实际上，与相同的电流模型相比，非识别的电流模型（从每个子面收集来自每个子区的功率）似乎是不现实的，因此选择该模型不会改变MJSC的内在特性，以响应温度和输入光谱辐照度的变化。注意，此建模可以被视为玩具模型，因为这里已经使用了一些理想化。细胞水平的不均匀因素产生诸如热点发生的问题，子单元之间的当前不匹配，以及电阻损失的增加[25.本文没有考虑到。

3.结果和讨论

使用方程计算进入辐射的光谱（1） 和 （3.）。在图中1，选择25℃和SIMF = 1和200的温度的太阳辐射光谱以​​表示整个光谱。随着SIMF值的增加，MJSC接收的最大频谱辐照度和强度。每个子单元的能隙和吸收系数将限制每个结截止波长后的吸收光谱辐照度的频谱范围（ ）。基于该截止波长，Al的吸收光谱_0.3GA._0.7如在280nm到685nm范围内，在INP的范围内，在598到841nm和GE之内，在872范围内，在872到1773nm的光谱范围内。两个相邻的子单元之间的一些重叠区域无法在图中看到1由于颜色重叠。

在一个太阳光谱辐照度的标准模拟和25℃的温度下被用作其他模拟的引用作为参考[建议19.］．来自一个太阳模拟的一些参数，例如子单元的厚度，每个子单元的P掺杂和n掺杂的值，以及如表所示所示的吸收光谱范围1将作为本研究进行的整个模拟的参考值。对于其他模拟，使用PC1D程序中的快速批处理菜单，根据该标准模拟(大约10)，通过改变n掺杂和p掺杂的值来获得最大的总效率^20./厘米^3.对于n-doping和10^16./厘米^3.对于p掺杂）。在所有模拟中的每个子单元的厚度保持恒定，如表所示的值1(2.778μ.米为铝_0.3GA._0.73.50,μ.m f for INP，4.0 μ.M对于GE），因为我们仅关注MJSC的光谱辐照度和温度变化的影响。

太阳能聚光器在MJSC的应用不仅影响吸收的辐射量，而且增加了太阳能电池的温度。在该模拟中，在25℃，50℃，75℃和100℃下评估MJSC的性能。MJSC接收的温度越来越大，将降低其性能，如图所示2（a），总效率下降，速率约为-0.10％/°C。对温度的整体效率的线性依赖性（具有负斜率）类似于传统整体式MJSC的单调行为，其中两个相邻的子单元之间的晶格错配会消散透射功率并降低太阳能电池性能[26.-28.］．在开路电压(V._OC.）每个子单元，在哪里V._OC.线性取决于温度（用负斜率）。更高的温度将产生更实质性的晶格错配，最终减少了V._OC.和输出功率。这V._OC.下降和功率损耗也可能来自两个相邻子单元的吸收区域的重叠，这减少了下一个子单元中吸收的能量（光子）的量。线性行为V._OC.到三个子细胞的温度如图所示2（b）-2（d）．图上的负斜率表示温度的系数V._OC.对于图中的每个子单元2（b）-2（d）并被发现约为-1.0 mV /°C，这与其他III-V基MJSC的结果合理一致[15.那17.那18.那29.那30.］．

光谱辐照度的倍增将积累MJSC接收的大量光子（和能量）。根据每种材料的电子结构，每个子单元的吸收光子的数量限制。过量未吸收的光子将产生热量并将子单元的温度提高到可能熔化子单元本身的点。By assuming that MJSC in this simulation equipped with a cooling system that keeps the temperature of the subcell to be 25°C, 50°C, 75°C, and 100°C, we expect to only see the MJSC’s response to the variation of spectral irradiance and intensity.

的MJSC非线性增加（对数）作为SIMF的函数的总效率和到达大约100个太阳太阳强度，峰值减小之前和倾向于在一个特定的值，如图所见饱和3（a）．基于III-V-V-CJSC的其他研究人员还发现了相同的行为[15.那17.那18.那31.那32.］．此MJSC的对数行为与Nishioka等人的现有模型一致。[33.]使用单二极管近似模型。表中显示了1至100℃的总效率增强量和100至200次太阳光谱辐照度如表所示2．结果发现，从1到100个太阳，MJSC的总效率提高了22％的平均值，而为100〜200个太阳，总有效率平均下降了5％。太阳能集中器，以提高光谱辐照度超过效率的峰值中的应用是不必要的，因为上述的峰值限制时，总效率将缓慢下降并饱和到一个特定的值。在我们的模拟中，效率的峰值在100个太阳达到，因此增加高于100个太阳的光谱辐照度在经济上是不可行的和甚至降低Al的总效率和性能_0.3GA._0.7作为太阳能电池/输入/通用电气。

MJSC到SIMF变化的非线性行为也反映在太阳能电池效率的降解速率中，如图所示3（b）．MJSC的降解速率从-0.13％/℃降低至-0.07％/°C，因为SIMF从1到100个太阳增加到200个太阳时再次增加到-0.10％/°C之前。这些结果是合理的协议，与另一种基于III-V基MJSC中的一个左右 - 0.15％/°C至-0.10％/°C [19.］．

如图所示3（a）,获得最高的效率在100个太阳和25°C,但MJSC的温度保持在25°C也将增加运营成本由于额外的冷却系统的使用工具,如主动冷却,被动冷却、喷雾冷却或利用相变材料(34.］．为了减少这一额外成本，较高的操作温度(T. > 25°C) might be used at the expense of a slightly lower MJSC efficiency. Further studies to clarify this situation are still needed to be done in the future.

作为SIMF的功能的每个子单元的开路电压如图所示4（a）-4（c）．随着SIMF的值增加，量V._OC.在饱和到极端SIMF值的特定点之前也增加。每个子单元倾向于对SIMF的响应类似，如图中几乎相同的曲线图案所示4（a）-4（c）．将温度升高至75°C减少V._OC.在第一个子单元（al_0.3GA._0.7AS）在第二个子单元（INP）中的69mV以72mV和第三个子电池（GE）的69 mV，达到69 mV。SIMF的变异也显示出价值没有重大变化V._OC.降解速率（系数温度）V._OC.）在所有的子电池，如图4（d）．温度系数的变化V._OC.在第一个子单元中，与最大值相比，仅0.6 mV，相对较小V._OC.在第一个子单元中，为1.61 V（约0.04％变化）V._OC.每次摄氏度）。对于第二个子电池，变化V._OC.仅为0.05％/°C，对于第三亚壳0.20％/°C。光谱辐照递增率的应用表明，如图中的曲线的大致相似趋势所示，将子细胞对温度的敏感度降低4（d）．类似的结论也报告了参考文献[19.］．

电流 - 电压（电流-电压）图25°C和75°C和75°C（50,100,150和200个太阳）的每个子单元的特性如图所示5（a）-5（c）．选择25℃和75℃的温度以表示将温度升高到的效果电流-电压特性各子电池的。我们已经排除了电流-电压曲线为1,5和10个太阳在图中5.因为与其他simf值相比，这些simf的电流太小。所有simf的详细数据如表所示3.．短路电流一世_SC.每个子单元都在图中依赖于SIMF，如图所示5（d）．增加的速度一世_SC.对于每个子单元（如图中的图中的斜率所示）5（d））were found to be 33.0 mA/sun for Al_0.3GA._0.7AS / INP / GE，20.0 mA / SUN用于INP，GE为11.0 mA / SUN。预期这些结果，随着在高SIMF值中吸收的越来越多的光子数量产生的更多电流。一般来说，数字5.说明温度升高会降低开路电压(V._OC.）的子单元，而越来越多的SIMF值将线性地增加短路电流（一世_SC.）子单元。在实验中也发现了类似的特征[18.］．

4.总结

我们模拟铝的性能_0.3GA._0.7与谱辐照度和温度变化的AS / INP / GE多功能太阳能电池与基于III-V的MJSC（实验和仿真）的其他研究研究相比，具有合理的结果。多结太阳能电池显示了线性响应（带负斜率）V._OC.温度的总效率和光谱辐照度(SIMF)乘法的非线性(对数)响应。光谱辐照度倍增的应用也证明了亚细胞对温度敏感性的降低。的非线性行为V._OC.SIMF的总效率与单二极管近似模型一致。根据这里使用的材料参数假设，在某些情况下可能比实验结果更有利，我们发现铝的照明_0.3GA._0.7AS / INP / GE多结太阳能电池在100阳光下和25°C提供最高的太阳能电池效率。

数据可用性

仿真数据可根据要求提供给相应的作者。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者对印度尼西亚共和国共和国共和国的研究，技术和高等教育部进行了达邦·达·丹本鹏迪安Masyarakat的感谢，以通过PUP计划合同提供这项研究。011 / SP2H / LT / DRPM / IV / 2017。

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