Celda solar sencilla con Silvaco TCAD

Photovoltaik

Intro

Silvaco es una compañía que hace un software llamado TCAD (Technology Computer-Aided Design) para la simulación de procesos de fabricación de dispositivos semiconductores y la simulación del comportamiento eléctrico, óptico y térmico de tales dispositivos. En la maestría en ingeniería eléctrica tomé la materia de simulación de semiconductores, dictada por el Dr. Julio Molina, donde vimos los fundamentos del funcionamiento de Silvaco TCAD.

La herramienta se distribuye principalmente para dos grandes tareas: simulación de procesos y simulación de dispositivos. Para la simulación de dispositivos la herramienta principal se llama Atlas.

El dispositivo

Vamos a simular una celda solar muy sencilla. Consta de:

Un sustrato de silicio tipo p, dopado con boro (concentración uniforme de $1 \times 10^{16} \text{ cm}^{-3}$ ).
Una emisora tipo n, formada por una implantación de fósforo cerca de la superficie superior.
Dos contactos metálicos: uno frontal (grid) y uno trasero (full-area).

Malla y regiones

Atlas trabaja con una malla rectangular; en cada nodo calcula las ecuaciones de transporte. Definir la malla correctamente es un compromiso entre precisión y tiempo de simulación: mallas finas donde hay gradientes fuertes (uniones, contactos) y mallas gruesas en regiones homogéneas.

go atlas

# Malla
x.mesh loc=0   spacing=0.5
x.mesh loc=10  spacing=0.5
y.mesh loc=0    spacing=0.01
y.mesh loc=0.5  spacing=0.05
y.mesh loc=300  spacing=0.5

Definir regiones y dopados

# Regiones
region num=1 ix.l=1 ix.h=2 iy.l=1 iy.h=2 silicon

# Dopado del sustrato (tipo p, boro)
base    imp=boron conc=1e16

# Dopado de la emisora (tipo n, fósforo)
# Perfil gaussiano con junta a 0.5 um
emitter imp=phosphorus conc=1e19 peak=0.5 depth=0.5

Contactos e iluminación

# Contacto frontal (grid)
electrode num=1 x.l=1 x.h=2 top
# Contacto trasero
electrode num=2 bottom

# Iluminación AM1.5
beam num=1 x.origin=5 y.origin=-10 angle=90 wavel.start=0.3 wavel.stop=1.1 \
      am1.5 power=0.1

Resolver y extraer la curva I-V

solve init
solve b1=1e-3 l.b1=0.0 h.b1=0.7 vstep=0.01 name=2 ac name=1

# Exportar I-V
save outf=solar_cell_IV.log

Análisis de resultados

Atlas genera archivos .log con corrientes y tensiones. Con Tonyplot (el visualizador incluido) se grafica $I$ vs $V$ y se obtiene el punto de máxima potencia, la eficiencia y el factor de lleno.

$\eta = \frac{P_{max}}{P_{in}} = \frac{V_{mp} \cdot I_{mp}}{100 \text{ mW/cm}^2}$

Próximo paso

Lo interesante viene cuando se añade texturización superficial, capas antirreflejantes (SiN, TiO $_2$ ) y se modela la recombinación en los contactos. Pero eso merece su propio artículo.

Créditos imagen: OpenClipart (dominio público).