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2017 年度 実績報告書

薄型シリコン太陽電池の高効率化に向けた高速・高精度な形状最適設計システムの開発

研究課題

研究課題/領域番号 15K06683
研究機関名古屋大学

研究代表者

高橋 徹  名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90360578)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード形状最適化 / 太陽電池 / 表面プラズモン / 周期境界値問題 / 境界要素法
研究実績の概要

【最終年度の研究成果】最終年度は1)前年度までの研究の高度化しつつ、2)その総括を行うと共に、3)後継研究の基礎構築を目標とした。具体的には次の通りである:
1)前年度に引き続き、太陽光スペクトルで重み付けした入射エネルギーを最大限に吸収可能とする形状最適化を試みたが、懸念していた計算時間がネックとなって十分なデータを得るには至らなかった。一方、本形状最適化システムの不具合を修正し、厳密解が導出可能な最適化問題を設定して、本システムの妥当性を再検証した。
2)再検証したシステムを用いて、前年度に行った空気/シリコン/銀/空気から成る四層モデルのシリコン層におけるエネルギー吸収を最大化する最適化を行った結果、より吸収率を高めるような構造が得られた。
3)3次元問題に関するアイソジオメトリック境界要素法(IGBEM)の構築を進め、音響および電磁気問題に対する解析プログラムのプロトタイプを作成した。

【研究期間全体の研究成果】本研究は2次元1周期多層構造系におけるIGBEMを提案し、随伴変数法と準ニュートン法に基づく形状最適化システムを構築した。入力パラメータ(入射角度θ、入射波長λ、周期長さL)を決定するためのスキームに沿って、薄型シリコン太陽電池におけるエネルギー吸収の最大化を目的とした最適化を実施した。その結果、入射エネルギーの67%を吸収可能な形状を得た。この成果は誌上発表に至った。なお、使用した解析プログラムはネット上に公開した(https://sourceforge.net/projects/igbemsopt)。この一連の成果および公開した解析プログラムは今後の薄型シリコン太陽電池の開発に有意義と考えられる。一方で、3次元2周期問題に対するIGBEMとその関連技術(前処理、並列化等)に関する成果も得ることができ、これは平成30年度より始まる後続研究の基礎として有用である。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Stanford University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Stanford University
  • [雑誌論文] A framework of shape optimisation based on the isogeometric boundary element method toward designing thin-silicon photovoltaic devices2018

    • 著者名/発表者名
      Toru Takahashi, Tatsuro Yamamoto, Yuta Shimba, Hiroshi Isakari,Toshiro Matsumoto
    • 雑誌名

      Engineering with Computers

      巻: NA ページ: NA

    • DOI

      10.1007/s00366-018-0606-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 3次元Helmholtz方程式の2周期境界値問題に対するisogeometric境界要素法の開発2017

    • 著者名/発表者名
      角谷将基, 高橋徹, 飯盛浩司, 松本敏郎
    • 雑誌名

      計算数理工学論文集

      巻: 17 ページ: 131~136

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Application of the inverse fast multipole method as a preconditioner in a 3D Helmholtz boundary element method2017

    • 著者名/発表者名
      Toru Takahashi, Pieter Coulier, Eric Darve
    • 雑誌名

      Journal of Computational Physics

      巻: 341 ページ: 406~428

    • DOI

      10.1016/j.jcp.2017.04.016

    • 査読あり
  • [学会発表] Parallelization of the IFMM-based preconditioner for 3D Helmholtz BEM2018

    • 著者名/発表者名
      Toru Takahashi, Chao Chen, Eric Darve
    • 学会等名
      SIAM Conference on Parallel Processing for Scientific Computing
    • 国際学会
  • [学会発表] 完全導体による3次元電磁波動散乱問題に対するIGBEMの開発2018

    • 著者名/発表者名
      平井哲朗, 高橋徹, 飯盛浩司, 松本敏郎
    • 学会等名
      日本機械学会東海支部第67期総会・講演会
  • [学会発表] 2次元動弾性問題に対するアイソジオメトリック境界要素法の開発2018

    • 著者名/発表者名
      小巻祐太, 高橋徹, 飯盛浩司, 松本敏郎
    • 学会等名
      日本機械学会東海支部第67期総会・講演会
  • [学会発表] 3次元2周期境界値問題へのisogeometric境界要素法の適用2017

    • 著者名/発表者名
      角谷将基, 高橋徹, 飯盛浩司, 松本敏郎
    • 学会等名
      日本機械学会第30回計算力学講演会
  • [学会発表] 次元電磁波動散乱問題に対するアイソジオメトリック境界要素法の構築2017

    • 著者名/発表者名
      平井哲朗, 高橋徹, 飯盛浩司, 松本敏郎
    • 学会等名
      日本機械学会第30回計算力学講演会
  • [学会発表] 二次元一周期境界値問題に対するアイソジオメトリック境界要素法へのGalerkin法の適用2017

    • 著者名/発表者名
      平井哲朗, 高橋徹, 飯盛浩司, 松本敏郎
    • 学会等名
      日本計算工学会第22回計算工学講演会
  • [備考] IgbemSopt ※本研究で開発した形状最適化システム

    • URL

      https://sourceforge.net/projects/igbemsopt/

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公開日: 2018-12-17  

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