Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISEUnter Zuhilfenahme von Simulation können physikalische Vorgänge wie der Stofftransport von Medien, unter Berücksichtigung von Diffusions- und Strömungsprozessen, sowie der Verlauf chemischer Reaktionen, untersucht und bewertet werden. Konkrete Fragestellungen wie die Durchmischung chemischer Reaktoren oder die Diffusion von Flüssigkeiten und/oder Gasen können detailliert erforscht und visualisiert werden, wodurch sich Anwendungen insbesondere in der Prozessindustrie sowie Energie- und Umwelttechnik anbieten. Weiterhin können chemische Reaktionen in Fluiden sowie Reaktionen an Grenzflächen durch die Simulation nachgebildet werden. In Kombination mit Simulationen des Wärmetransports kann ebenfalls der Einfluss der Reaktionswärme in das System integriert werden.
Stofftransport und chemische Reaktionen
FuE-Leistungen für Stofftransport und chemische Reaktionen
Im Geschäftsfeldthema Silicium-Photovoltaik bieten wir folgende Serviceleistungen im Bereich des Stofftransports und chemische Reaktionen an.
- Abbildung beliebiger Bauteile in einem FEM-Modell und Berechnung auf einem High Performance Computing Cluster (HPC-Cluster)
- Oberflächenbehandlung von Solarzellen, Wärmepumpen und Wärme- und Kältespeichern
- Optimierung von Reaktionskammern unter Einbezug der Strömung und Wärmeverteilung
- Virtuelle Produktentwicklung und –optimierung
- Ortsaufgelöste Modellierung von Oberflächenreaktionen
- Experimentelle Validierung
Anwendungsbeispiele
Abrundung von Mikropyramiden
In der Photovoltaik-Industrie werden nasschemische Bäder zur Oberflächenstrukturierung, Konditionierung und Reinigung eingesetzt. Neben der Reinigung der Wafer zeigen nasschemische Reinigungsprozesse auf Ozonbasis auch einen oberflächlichen Ätzabtrag, was zu zwei Effekten führt: Das Rückätzens des Emitters sowie die Abrundung von strukturierten Oberflächen. Um diese Rundungen von Mikropyramiden während des Reinigungsprozesses zu simulieren und vorherzusagen, wurde ein zweidimensionales Prozessimulationsmodell erstellt um den diffusiven und konvektiven Massentransport von Ozon entlang der Pyramiden zu beschreiben. Wichtige Parameter für die Bewertung, die sich aus experimentellen Ergebnissen ergeben, sind die Ätzrate und die resultierende Rundung (R) der Mikropyramidenspitzen. Zur Anpassung des Modells wurde eine Parameterstudie durchgeführt. Die Simulation repräsentiert die experimentellen Daten sehr gut, nach 2 min Exposition R = 67 nm für die experimentellen und R = 66 nm für die Simulationsdaten.
Kurzbeschreibung:
- Ziel
- Verbesserung der Passivierqualität durch Abrunden von Pyramidenspitzen auf texturierten Solarzellen
- Simulative Darstellung des Abrundungsvorgang an Mikropyramiden
- Vorgehen
- 2D-Simulation mit stationärer Strömung im Spalt durch Navier-Stokes und Kontinuitätsgleichung
- In Kombination mit Massentransporte in der Domäne und an der Waferoberfläche
- Verformung des Rechennetzes mit der Zeit stellt Ätzabtrag an der Waferoberfläche dar
- Validerung der Simulation mit experimentellen Ergebnissen
- Ergebnis
- Modell zur Vorhersage der Rundungsradien bei verschiedenen Prozessparametern
Über die Netzverformung kann die Abrundung der Pyramiden in Abhängigkeit des diffusions- und konvektionsbasierten Massentransport der Reaktanten mit der Zeit dargestellt werden.
Adsorption von Wasserdampf in mikroporösen Adsorbentien
Die Gebäudeklimatisierung und der Bedarf an Brauchwarmwasser haben einen erheblichen Anteil am Energieverbrauch in Privathaushalten. Ebenso besteht beispielsweise in Rechenzentren ein großer Bedarf an Kühlung. Thermisch angetriebene Wärmepumpen können hier helfen, den Energieverbrauch zu senken. Bei Adsorptionswärmepumpen und –kältemaschinen kommen mikroporöse Adsorbentien zum Einsatz, die unter Aufnahme von Wasserdampf Wärme abgeben. Für eine hohe Leistungsdichte der Adsorptionswärmepumpe bzw. –kältemaschine ist es entscheidend, dass die Wärme- und Stofftransportprozesse in den Komponenten möglichst schnell ablaufen. Gleichzeitig ist es für eine hohe Effizienz wichtig, dass die thermische Masse der Komponenten möglichst gering ist. Eine vielversprechende Bauform für Adsorptionswärmeübertrager sind Faserstrukturen mit großer Oberfläche (8000-12000 m²/m³), die mit einem mikroporösen Adsorbens beschichtet sind. Zur Auslegung dieser Art von Wärmeübertrager ist ein Verständnis der gekoppelten Wärme- und Stofftransportprozesse erforderlich.
Kurzbeschreibung:
- Ziel
- Vorhersage der Dynamik des gekoppelten Wärme- und Stofftransports in Faserstrukturen, die mit einem mikroporösen Adsorbens beschichtet sind
- Auslegung von Adsorptionswärmeübertragern basierend auf beschichteten Faserstrukturen
- Berechnung von Effizienz und Leistungsdichte in einer Adsorptionswärmepumpe bzw. -kältemaschine
- Vorgehen
- Simulation des Stofftransports auf zwei Ebenen:
- Auf Makro-Ebene strömt Wasserdampf durch Strukturporen in der Größenordnung 80-200 µm, hier 1D-Simulation viskose Strömung bzw. Knudsen-Diffusion
- Auf Mikro-Ebene diffundiert das adsorbierte Wasser in der kompakten Adsorbensschicht, hier 2D-Simulation der Adsorbatdiffusion
- 1D und 2D Modell durch Quell- und Senkterme für Wärme- und Stofftransport gekoppelt
- Validerung der Simulation mit experimentellen Ergebnissen
- Simulation des Stofftransports auf zwei Ebenen:
- Ergebnis
- Das Modell zur Auslegung von Adsorptionswärmeübertragern kann zur Berechnung von Effizienz und Leistungsdichte von Adsorptionswärmepumpen bzw. – kältemaschinen genutzt werden
Simulation des Mikroklimas
Alle Bauteile und Komponenten (wie z.B. PV-Module, Kabel(-binder), Solarthermie-Kollektoren, etc.), die im Außenbereich zum Einsatz kommen, sind Einflüssen ausgesetzt, die üblicherweise eine Alterung zur Folge haben. Entscheidend für die Alterungsprozesse ist dabei das Mikroklima im Bauteil bzw. in den Komponenten, das sich allerdings Teil deutlich vom messbaren Makroklima (Umgebungstemperatur, relative Luftfeuchtigkeit) unterscheiden kann. Insbesondere für Sondergeometrien ist das Mikroklima nur schwer messbar, lässt sich aber verlässlich mittels FEM-Simulationen beschreiben. Als Eingangsgrößen dienen Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und materialspezifische Parameter wie Permeabilität bzw. Stoffdurchgangskoeffizienten, Wärmeleitfähigkeit und Dichte, die in unserem Zentrum für Gebrauchsdaueranalyse und Materialcharakterisierung gemessen werden können. Im hier dargestellten Beispiel wurde der Feuchtigkeitshaushalt innerhalb eines PV Moduls bestehend aus Rückseitenfolie, EVA, Siliziumzelle und Deckglas (nicht dargestellt) während eines Damp-Heat Tests simuliert. Die ermittelten Wasserkonzentrationen können dann in die Entwicklung beschleunigter Alterungstests einfließen.
Kurzbeschreibung:
- Ziel
- Simulation des Feuchtigkeitshaushaltes von Komponenten in Abhängigkeit von Klimadaten
- Vorgehen
- Messung relevanter Materialparameter wie Diffusionskoeffizienten, Wärmeleitfähigkeit und Adsorptionsisothermen
- Übertrag der Bauteilgeometrie in repräsentativen Ausschnitt für die Simulation
- Extraktion relevanter Verläufe von Temperatur und Feuchtigkeit aus Monitoring-Daten oder Modellen
- Simulation des Feuchtigkeitshaushaltes der einzelnen Materialien im zeitlichen Verlauf
- Analog ist es möglich, andere Spezies wie Sauerstoff oder Essigsäure zu simulieren.
- Mikroklima im Bauteil in Form von Temperatur und Feuchtigkeit für eine anwendungsnahe Ableitung von Prüfungen für die Zuverlässigkeit von Bauteilen