Otimização geométrica de células solares pelo método design constructal

Abstract

A modelagem computacional vem se tornando uma ferramenta importante no projeto eotimização das texturas de superfícies usadas em células solares a fim de manipular o espalhamento da luz. O espalhamento da luz em interfaces rugosas, assim como um retrorefletor eficiente, é uma forma tradicional de aumentar a absorção da luz nas camadas absorventes das células solares. Recentemente, substratos com texturas periódicas foram investigados como uma alternativa para substratos com superfícies texturizadas randomicamente alcançando melhores eficiências. Nesse trabalho, a Teoria Construtal é proposta como uma base teórica de otimização geométrica para a superfície de células solares. A magnitude da energia do campo eletromagnético calculado pelo método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) é tomada como a função de controle para evoluir a geometria da célula solar no sentido de maior absorção da luz. Diversas geometrias fixas para as texturas foram otimizadas em relação às variáveis que determinam a geometria dos enxertos. O melhor resultado entre essas foi obtido com uma geometria de extremidade circular com área de enxerto igual a 0.1 µm2 e espaçamento entre enxertos (período) de 0.4 µm atingindo um aumento de performance relativa de 63.3% em relação à célula sem textura. Construindo a textura de forma automatizada a partir da função de controle com um limite de área de até 0.1 µm2 o aumento de performance relativa obtido foi de 30.2%. Apesar de inferior ao máximo obtido com geometrias fixas, esse valor é maior que o obtido com geometrias fixas com os mesmos parâmetros de simulação para o qual o melhor resultado foi da textura com formato triangular com 26.1% de aumento de performance relativa.

Computer modelling has become increasingly important in the design and optimization ofsurface textures that are used in solar cells to manipulate scattering of light. Light scattering at rough interfaces together with efficient back reflector is a standard approach to enhance absorption of light in the absorber layers of solar cells. Recently, substrates with periodic surface features have been investigated as an alternative to randomly surface-textured substrates reaching improved efficiencies. In this work, Constructal Theory is proposed as a framework for geometric optimization for the surface of solar cells. Magnitude of the energy of the electromagnetic field calculated by the finite-difference time domain method (FDTD) is taken as the control function to evolve the solar cell geometry towards greater light absorption. Several textures with fixed geometries have been optimized from the variables that define the grating's geometry. Best result was obtained for a rounded-tip grating with an area of 0.1 µm2 and spacing between gratings of 0.4 fµm reaching 63.3% increase in performance relative to a at cell. Building the texture in a automated manner from the control function with area of texture limited up to 0.1 µm2 the relative increase in performance was 30.2%, despite being smaller than the maximum achieved for fixed geometries, this value is greater than that of a fixed geometry with the same simulation parameters. Best result with fixed geometries with the period of 0.1 µm was 26.1% increase in relative performance with a triangular texture.