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Publicação
Computational Design of Colourful and Flexible Photonic-enhanced Solar Cells
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
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Orientador(es)
Resumo(s)
The need for coloured solar cells is particularly relevant to the adoption of photovoltaic devices in building-integrated photovoltaics. This thesis describes the process by which perovskite-based thin-film (MAPbI3) solar cells (PSCs) were optimised to tune colour without compromising flexibility whilst increasing short-circuit current density (JSC). Solar cells containing antireflective front coatings of planar, nanopillar and cross-grating geometries are simulated in a three-dimensional space by the Finite Differences in Time Domain (FDTD) numerical method using Ansys Lumerical software. The main outcomes of the numerical simulations are the optical photocurrent and the overall reflection, which is converted into colour using the CIE 1931 Colour-matching functions for standardised observers. Two Figures of Merit were developed, based on the optical photocurrent and the Euclidian distance between the simulated and desired colour. The best of the two FoMs is maximized via particle swarm optimization algorithm, by variation of geometrical properties of the front coverings and intrinsic ITO and Spiro-OMeTAD layer thicknesses. Through analytical elimination of redundant variables and successive restrictions in parameter ranges, the optimal geometrical parameters for flexible thin-film photonically-enhanced PSCs coloured red, green, or pink are obtained for increases in JSC upwards of 10.7%, and a versatile methodology is posited for future optimizations.
A necessidade de células solares coloridas é particularmente relevante à adoção de dispositivos fotovoltaicos em equipamentos incorporados em facetas arquitetónicas. Esta dissertação descreve o processo pelo qual células solares de filme-fino à base de Perovskite (MAPbI3) foram otimizadas para ajustar a cor sem prejudicar a flexibilidade e aumentando a densidade de corrente. Células solares contendo revestimentos frontais antirreflexo de geometrias planares, nano-pilares e grelhas cruzadas são simuladas num espaço tridimensional pelo método numérico de Diferenças Finitas no Domínio do Tempo com o software Ansys Lumerical. Os principais resultados das simulações numéricas são a foto-corrente e a reflexão global, que é convertida em cor utilizando as funções de correspondência do CIE 1931 para observadores normalizados. Desenvolveram-se duas figuras de mérito, com base na foto-corrente e na distância Euclidiana entre a cor simulada e a cor desejada. A melhor figura foi maximizada por otimização Particle Swarm ao variar as geometrias das estruturas fotónicas frontais e das camadas intrínsecas de ITO e Spiro-OMeTAD. Após eliminar variáveis redundantes e restringir os intervalos de otimização, obtiveram-se geometrias ótimas para obtenção de estruturas coloridas vermelhas, verdes e rosa acrescendo aumentos de corrente superiores a 10.7% com o desenvolver de uma metodologia versátil aplicável a futuras otimizações.
A necessidade de células solares coloridas é particularmente relevante à adoção de dispositivos fotovoltaicos em equipamentos incorporados em facetas arquitetónicas. Esta dissertação descreve o processo pelo qual células solares de filme-fino à base de Perovskite (MAPbI3) foram otimizadas para ajustar a cor sem prejudicar a flexibilidade e aumentando a densidade de corrente. Células solares contendo revestimentos frontais antirreflexo de geometrias planares, nano-pilares e grelhas cruzadas são simuladas num espaço tridimensional pelo método numérico de Diferenças Finitas no Domínio do Tempo com o software Ansys Lumerical. Os principais resultados das simulações numéricas são a foto-corrente e a reflexão global, que é convertida em cor utilizando as funções de correspondência do CIE 1931 para observadores normalizados. Desenvolveram-se duas figuras de mérito, com base na foto-corrente e na distância Euclidiana entre a cor simulada e a cor desejada. A melhor figura foi maximizada por otimização Particle Swarm ao variar as geometrias das estruturas fotónicas frontais e das camadas intrínsecas de ITO e Spiro-OMeTAD. Após eliminar variáveis redundantes e restringir os intervalos de otimização, obtiveram-se geometrias ótimas para obtenção de estruturas coloridas vermelhas, verdes e rosa acrescendo aumentos de corrente superiores a 10.7% com o desenvolver de uma metodologia versátil aplicável a futuras otimizações.
Descrição
Palavras-chave
Photonics Solar Cells Perovskite Structural Colour BIPV Thin-film