Project

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PV2050: Simulation and characterization: from cells to systems

Applicant Schmid Matthias
Number 153952
Funding scheme NRP 70 Energy Turnaround
Research institution ZHAW ICP - Institute for Computational Physics
Institution of higher education Zurich University of Applied Sciences - ZHAW
Main discipline Other disciplines of Physics
Start/End 01.12.2014 - 31.12.2018
Approved amount 392'480.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Other disciplines of Physics
Mathematics
Condensed Matter Physics
Other disciplines of Engineering Sciences

Keywords (6)

experimental characterization; photovoltaics; numerical simulation; modeling; finite element method; multiphysics

Lay Summary (German)

Lead
Gemäss der Energiestragie 2050 des Bundes soll die Photovoltaik in Zukunft einen signifikanten Beitrag zur erneuerbaren Elektrizitätsproduktion in der Schweiz beitragen. Dafür braucht es jedoch kostengünstige Photovoltaik-Technologien der nächsten Generation. Für den kommerziellen Durchbruch dieser neuen Photovoltaik-Technologien ist sowohl ein weiterer technologischer Fortschritt in Richtung höherer Effizienzen als auch die Aufskalierung zu kostengünstig herstellbaren und effizienten Solarzellen-Modulen nötig. Rechnergestützte, numerische Simulationen basierend auf physikalischen Modellen können einen entscheidenden Beitrag zur anzustrebenden Effizienzsteigerung und Aufskalierung zu kommerziell verfügbaren Solarzellen-Modulen leisten.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojektes

Im vorliegenden Forschungsprojekt im Rahmen des übergeordneten NFP70-Projekts “PV2050: Novel PV technologies for optimum space usage and efficient electricity production” werden physikalische Modelle und Software-Pakete für die numerische Simulation verschiedener Photovoltaik-Technologien der nächsten Generation entwickelt.

Die entwickelten Software-Tools werden für die Modell-basierte Charakterisierung der Solarzellen eingesetzt. Durch Vergleich von experimentellen Messungen an Zellen mit entsprechenden rechnergestützten Simulationen können beispielsweise die für eine Effizienzsteigerung entscheidenden Parameter extrahiert werden. Simulationen auf grösserer Längenskala von ganzen Solarzellen-Modulen erlauben es den Effizienz-Verlust bei der Aufskalierung von Laborzellen zu Modulen zu verringern. Schliesslich können Simulationen auch für die Optimierung von Tandem-Solarzellen eingesetzt werden oder es können Alterungsprozesse von Solarzellen untersucht werden.

 Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojektes

Das vorliegende Forschungsprojekt verknüpft die experimentelle Arbeit in den Laboren mit der theoretischen Modellierung von Solarzellen. Die entwickelten Modelle und Software-Tools sollen die Anwendung auf verschiedene Photovoltaik-Technologien der nächsten Generation abdecken und so die verschiedenen Forschungsgruppen vernetzen. Das Forschungsprojekt schafft somit Synergien in Forschung und Entwicklung von innovativen Photovoltaik-Technologien. Die entwickelten Software-Tools und Konzepte sollen für Forschungslabore und für potentielle Hersteller der neuartigen PV-Technologien zur Verfügung stehen.

Direct link to Lay Summary Last update: 20.10.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Fluxim AG Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Glass2Energy SA Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Industry/business/other use-inspired collaboration

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
EU PVSEC Poster DESIGN OF PEROVSKITE/CRYSTALLINE-SILICON TANDEM S OLAR CELLS 20.05.2016 München, Germany Losio Paolo Antonio;


Self-organised

Title Date Place
SimOEP'18 04.09.2018 Winterthur, Switzerland
SimOEP'16 14.09.2016 Winterthur, Switzerland

Use-inspired outputs

Software

Name Year
IMPS/IMVS Simulation Tool (Comsol App) 2018


Abstract

Photovoltaics (PV) is well positioned to produce a significant share of the future energy consumption in Switzerland. To do so the technological advances reached in laboratories need to lead to even higher device performance and have to be up-scaled and implemented into commercial systems.Model-based characterization and numerical simulations of solar cells have proven effective in improving conversion efficiencies and in translating these efficiencies to the solar module level. However, current device architectures of solar cells and modules relying on novel absorber materials and interfaces are beyond the available simulation tools.This project will develop software tools suited for the numerical simulation and model-based characterization of the solar cell technologies studied in the joint project “PV2050: Novel PV technologies for optimum space usage and efficient electricity production”. In close collaboration with our partners in the joint project, we will provide and apply a simulation toolbox for the model based characterization from cell scale up to the module scale. The toolbox contains:•Software tools for the simulation of light management (including different types of scattering)•Opto-electronic device models (in particular for perovskite cells and passivating contacts)•Experimental characterization methods and numerical algorithms for model parameter extraction•Software tool for the numerical simulation of solar modules in order to perform module layout studiesIn summary, the simulation tools developed in this project will help maximizing quantum efficiencies on the solar cell level. Thanks to the foreseen multi-scale integration, the simulations carried out for PV modules will allow for reducing the efficiency gap upon up-scaling from the cell level to the module size.
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