A Study on Efficient Algorithms for the Numerical Simulation of Thin Film Solar Cells

Abstract

본 논문에서는 무작위의 복잡한 3차원 표면 형상을 가진 물체를 평균적으로 O(logN) 시간 복잡도를 가지고 교차검사를 수행할 수 있는 새로운 알고리즘을 기반으로 박막형 태양전지 (Thin Film Solar Cell)의 흡수 효율을 효과적으로 시뮬레이션 하기 위한 방법을 논하였다. 3차원 피라미드 형상을 박막형 태양전지 표면에 양각한 경우, 3차원 표면 형상의 크기와 밀도가 흡수 효율에 영향을 미치게 되므로 이들에 대한 최적 설계 값들을 찾고자 시뮬레이션 방법을 이용한다. 본 연구에서는 무수히 많은 3차원 표면 형상들에 대한 최적의 교차검사 알고리즘을 kd-tree 가속화 구조를 변형하여 개발하였고, 이를 광선 추적 법 (Ray tracing)에 적용하여 평균 교차검사 시간을 O((log N)으로 하는 새로운 광선 추적에 의한 시뮬레이션 방법을 고안하였다. 이 방법은 기존 연구들에서 한번도 연구되지 않은 새로운 방법으로, 표면 형상들을 실제 객체로 인지하여 교차검사를 수행하면서도 종래의 O(N)~O(N2) 교차검사 시간을 O(log N)으로 단축시키는 결과를 얻었다. 또한 이전 연구들에서 반사율 시뮬레이션에 의존하여 간접적으로 계산하던 에너지 흡수 효율을 직접적으로 시뮬레이션 함은 물론이고 각 층별 에너지 흡수율을 간섭현상을 반영하여 직접적으로 시뮬레이션 할 수 있는 방법을 고안하였다. 이 알고리즘의 효율성 및 정확성은 다른 알고리즘과의 수행 시간 비교 및 실측 자료와 시뮬레이션 결과와의 오차 분석을 통해 검증 하였다. 박막형 태양전지의 크기가 나노미터 단위로 작아진 경우, 유한차분 시간영역 (FDTD)법을 이용하게 되는데, 현재까지 연구된 방법들로는 적은 전산 자원을 사용하여 빠른 시간 내에 정확한 흡수 에너지를 계산하는데 한계가 있었다. 본 연구에서는 이 문제를 해결하기 위하여 자유로운 형태의 시스템에 대해서 각 물질들의 연속된 경계 면을 효율적으로 추출하여 Poynting 이론의 발산 (Divergence) 부분의 식을 적용하는 방법으로 적은 전산 자원으로 빠른 시간 내에 상당한 정확도를 가지고 흡수 에너지를 계산할 수 있는 방법을 고안하였다. 이 방법의 정확성은 해석 가능한 모델의 Mie 확산 모델의 계산 결과와 시뮬레이션 결과를 비교함으로써 검증하였으며, 곡면 모델에 대해서는 곡률 반경을 변화시켜가며 시뮬레이션 한 결과가 물리적 유의성을 나타냄을 보임으로써 검증 하였다.

In this thesis, I proposed a novel intersection algorithm based absorption en-ergy simulation methods for thin film solar cells which use a 3-D randomly textured geometry or plasma effects. For the case of pyramidal textured thin film solar cells, Optimizing the de-sign of the surface texture is an essential aspect of the thin film Si solar cells technology as it can maximize the light trapping efficiency of the cells. Thus, the appropriate simulation tools can provide efficient means of designing and analyzing the effects of the texture patterns on light confinement in an active medium. A ray tracing method is a powerful numerical simulation methodol-ogy for this. However, in past researches, a real object intersection method take an O(N2) time complexity and some height map method take an O(N) time complexity. These are time consuming process and inaccurate process, so I developed a novel intersection algorithm with an O(logN) time com-plexity and with keeping the accuracy. Also, an absorption energy calculation algorithm for each layer with a direct method did not exist in the past. To solve the intersection finding problem, I proposed a novel and an efficient 3-D texture intersection algorithm using a modified kd-tree traversal method in Chapter 2. Also, to solve the absorption efficiency calculation problem with ray tracing method, I proposed a new method in Chapter 3. The correctness and efficiency of the algorithms was validated by a measured data and numer-ical simulations. The thickness of the thin film solar cells reach to the nanometer size. The ray tracing method is useless for the nanometer size systems except for a flat surface type. In this case, the FDTD method can be used to solve this nanome-ter scale problems. However, by the past researches, an auto-discretization problem and an absorption efficiency calculation problem were not solved efficiently. In this research, I proposed a robust and an efficient auto-discretization algorithm and an efficient absorption energy calculation algo-rithm with a continuous boundary extraction algorithm in Chapter 4. The correctness and efficiency of the algorithms was validated by an exact solu-tion and numerical simulations. Through this thesis, I proposed an efficient absorption efficiency calcula-tion algorithms for all system ranges of the thin film solar cells.