SolCelSim – A Comsol App for Charge Transport in a Multilayer Solar Cell

Abstract

This report will detail the work done for the course of Internship/Dissertation at the University of Coimbra, within the Intelligent Systems specialization of the Master’s in Informatics Engineering.With growing concerns regarding global warming and the unsustainability of fossil fuels, research regarding cheaper and more efficient use of renewable energy has been intensifying. However, performing physical experiments is expensive, due to the need to acquire proper material and equipment, making computer simulations especially important. Not only do they allow researchers to quickly test and compare different parameters, obtaining detailed results every time; they are also able to perform automatic parameter fitting.Currently, researchers rely on generic computing software like Wolfram Mathematica and Matlab. While these programs are very powerful, demand for more specialized software that offers a deeper focus on a smaller number of features is growing.One of these specializations is the production of hydrogen using solar energy. The application developed during this internship is aimed at filling the demand for that type of simulation, specifically one that uses multi-layer Photoelectrochemical (PEC) solar cells. The objective was to create a powerful desktop application that could fulfil the needs of any researcher in the area, without requiring any programming knowledge.During this internship, the Comsol Multiphysics software was used. This is a physics simulation program developed by Comsol Inc. in Sweden during 1986 that has been frequently updated since. Application Builder, a feature of Comsol Multiphysics, was the framework used. It allows for a quick implementation of standard Comsol Multiphysics features, while also facilitating the creation of new features using the JAVA programming language.This project was developed at the University of Žilina, at the satellite location Inštitút Aurela Stodolu in Liptovsky Mikulas, Slovakia. It was done as part of the Erasmus+ Internship Program.It comes in the sequence of research regarding PEC solar cells done by Dr. Peter Cendula, who served as the client for this project, at Zurich University of Applied Sciences; and work done on Comsol by Matúš Vaňko, at the University of Žilina. The former research focused on the more theoretical aspects of the use of PEC solar cells for hydrogen production. The latter work is more practical, exploring the creation of a GUI that allows users to simulate this situation.Current software used for simulating solar cells often requires a thorough understanding of the application itself, on top of the necessary knowledge about solar cells. The purpose of this project was to eliminate that barrier, making researcher’s jobs easier while still providing a very powerful specialized simulation tool.This internship was very valuable as an Informatics Engineering internship. Although learning about aspects of Scientific Simulation was important, the most relevant part of this project was the knowledge that could be gained related to Software Development. The necessity of writing good code, with proper documentation and testing, allowed for the opportunity to apply knowledge gained through the Informatics Engineering course, while also learning new things about Software Development such as, for example, good UI design.This report details every aspect of the creation of this app that is considered relevant. The Related Work section shows the research done about previous projects within the field and other related simulation apps.In Methodology and Planning, information about how the development process was organized is laid out, with the schedules for both the complete work and the development phase; along with the chosen software development methodology and the reasons for that choice. The Requirements and Architecture sections offer information used during the development and testing phases of the project.The following sections offer a more concrete look at the ideas behind the design of the application. Interaction Design and Final Interface explain the choices made regarding how the user is able to interact with the application, and how the application looks. Finally, some space is reserved for final remarks.

Este relatório irá detalhar o trabalho realizado no âmbito da Dissertação/Estágio na Universidade de Coimbra, dentro da especialização em Sistemas Inteligentes do Mestrado em Engenharia Informática.Com a preocupação crescente com o aquecimento global e com a falta de sustentabilidade dos combustíveis fósseis, tem-se vindo a intensificar a investigação na procura por usos mais baratos e eficientes de energias renováveis. No entanto, o preço de efetuar experiências físicas é elevado, devido à necessidade de adquirir materiais e equipamentos adequados, tornando simulações por computador especialmente importantes. Não só permitem aos investigadores testar e comparar diferentes parâmetros rapidamente, obtendo resultados detalhados; também permitem efetuar ajuste automático de parâmetros.Neste momentos, investigadores dependem de software computacional genérico como o Wolfram Mathematica e o Matlab. Enquanto estes programas são muito poderosos, a procura por software mais especializado com um foco mais aprofundado num número menor de funções.Uma destas especializações é a produção de hidrogénio usando energia solar. A aplicação desenvolvida durante este estágio tem como objetivo corresponder à procura por esse tipo de simulação, especificamente uma que usa células solares multi-camada fotoeletroquímicas (PEC). O objetivo foi criar uma aplicação de computador que conseguisse satisfazer as necessidades de qualquer investigador na área, sem requerer quaisquer conhecimentos de programação.Durante este estágio, o software Comsol Multiphysics foi usado. Trata-se de um programa do simulação de física desenvolvido pela Comsol Inc., na Suécia, em 1986, que tem sido frequentemente atualizado deste então. O Application Builder, uma funcionalidade do Comsol Multiphysics, foi a estrutura usada para realização deste projeto. Permite uma implementação rápida de funcionalidades do Comsol Multiphysics, ao mesmo tempo que facilita a criação de novas funcionalidades usado a linguagem de programação JAVA.Este projeto foi desenvolvido na Universidade de Žilina, na localização satélite Inštitút Aurela Stodolu em Liptovsky Mikulas, na Eslováquia. Foi feito como parte do Programa de Estágios Erasmus+. Vem na sequência de investigação relacionada com células solares PEC feito por Dr. Peter Cendula, que serviu como cliente deste projeto, na Universidade de Ciências Aplicadas de Zurique; e trabalho feito no Comsol por Matúš Vaňko, na Universidade de Žilina. O primeiro trabalho foca-se nos aspetos teóricos do uso de células solares PEC para produção de hidrogénio. O último trabalho e mais prático, explorando a criação de uma interface de utilizador que permite aos utilizadores simular esta situação. O software atualmente utilizado para simular células solares requer frequentemente uma compreensão profunda da aplicação em si, para além do conhecimento necessário sobre células solares. O propósito deste projeto foi eliminar essa barreira, tornando o trabalho dos investigadores mais fácil ao mesmo tempo que disponibiliza uma ferramenta de simulação especializada altamente poderosa.Este estágio foi muito valioso como um estágio de Engenharia Informática. Embora aprender sobre aspetos de Simulação Científica tenha sido importante, a parte mais relevante foi o conhecimento ganho relacionado com Desenvolvimento de Software. A necessidade de escrever bom código, com documentação e testes apropriados, perimitiu a oportunidade de aplicar conhecimentos ganhos ao longo do curso de Engenharia Informática, aprendendo ao mesmo tempo novas coisas sobre Desenvolvimento de Software como, por exemplo, bom desenvolvimento de Interfaces de Utilizador.Este relatório detalha todos os aspetos da criação desta aplicação que são considerados relevantes. A secção de Trabalho Relacionado mostra investigação feita em projetos prévios dentro da área e outras aplicações de simulação relacionadas.Em Metodologia e Planeamento, informação sobre como o processo de desenvolvimento foi organizado é disposta, com o plano para o trabalho completo e a fase de desenvolvimento; juntamente com a metodologia de desenvolvimento de software escolhida e as razões para essa escolha. A secção de Requisitos e Arquitetura oferece informação usada durante as fases de desenvolvimento e teste do projeto.As seguintes secções oferecem um olhar concreto às ideias por trás do desenho da aplicação. Desenho de Interação e Interface Final explicam as escolhas feitas sobre como o utilizador pode interagir com a aplicação, junto com o visual da aplicação. Finalmente, algum espaço foi reservado para comentários finais.