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Publicação
Optical Modelling of Photonic-Enhanced All-Perovskite Tandem Solar Cells for Light Harvesting in Outer Space
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Resumo(s)
Perovskite-based tandem solar cells are an interesting new avenue to explore for space applications. This is due to their high absorption coefficient, tunable bandgap, natural compatibility with ultrathin flexible substrates and recently demonstrated resistance to space radiation. Also, notably, Perovskite Solar Cells (PSCs) offer a lightweight and high-efficiency alternative to conventional silicon and III-V devices, with clear advantages in terms of specific power. This work focuses on maximizing light absorption by optimizing photonic-enabled perovskite tandems through Finite-Difference Time-Domain (FDTD) simulations combined with a Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm. Ultimately, I start with a careful convergence analysis to determine the most efficient simulation conditions. This is followed by a complete geometrical optimization of the structures for the planar and structured devices. Lastly, I analyse and compare the optimized geometries.
The results showed that the optimized structures converge toward properly matched photocurrent densities (between the top and bottom subcells) of ≈ 22 mA/cm2 , corresponding to ≈ 85% of the theoretical AM0 limit. This represents an improvement of 5.5% when compared with the planar-only device. Notably, the high spectral utilization confirms the strong potential of perovskite tandems, both planar and textured, for next-generation space photovoltaic technologies.
As células solares tandem baseadas em perovskite representam uma solução promissora para aplicações espaciais, devido ao seu elevado coeficiente de absorção, hiato ótico ajustável, compatibilidade com substratos flexíveis e resistência à radiação. Estas células oferecem ainda uma alternativa leve e eficiente às tecnologias convencionais de silício e de semicondutores III-V, com vantagens em termos de potência específica. Este trabalho visa maximizar a absorção de luz em células tandem de perovskite com estruturas fotónicas, através de simulações baseadas no método das Diferenças Finitas no Domínio do Tempo (FDTD) e de um algoritmo de Otimização por Enxame de Partículas (PSO). Os resultados demonstram densidades de fotocorrente equilibradas entre as subcélulas superior e inferior, atingindo cerca de 22 mA/cm2 (aproximadamente 85% do limite teórico AM0). Este desempenho representa uma melhoria de 5.5% face ao dispositivo planar. Importa salientar que a elevada utilização espectral observada confirma o enorme potencial das células tandem de perovskite, tanto planas e texturizadas, como uma tecnologia fotovoltaica espacial de próxima geração.
As células solares tandem baseadas em perovskite representam uma solução promissora para aplicações espaciais, devido ao seu elevado coeficiente de absorção, hiato ótico ajustável, compatibilidade com substratos flexíveis e resistência à radiação. Estas células oferecem ainda uma alternativa leve e eficiente às tecnologias convencionais de silício e de semicondutores III-V, com vantagens em termos de potência específica. Este trabalho visa maximizar a absorção de luz em células tandem de perovskite com estruturas fotónicas, através de simulações baseadas no método das Diferenças Finitas no Domínio do Tempo (FDTD) e de um algoritmo de Otimização por Enxame de Partículas (PSO). Os resultados demonstram densidades de fotocorrente equilibradas entre as subcélulas superior e inferior, atingindo cerca de 22 mA/cm2 (aproximadamente 85% do limite teórico AM0). Este desempenho representa uma melhoria de 5.5% face ao dispositivo planar. Importa salientar que a elevada utilização espectral observada confirma o enorme potencial das células tandem de perovskite, tanto planas e texturizadas, como uma tecnologia fotovoltaica espacial de próxima geração.
Descrição
Palavras-chave
: All-perovskite tandem solar cells Light-trapping Photonic-structures Space solar cells Optical modeling Particle swarm optimization FDTD