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Publicação
Structural colour application in photonic enhanced Perovskite Solar Cells for BIPV
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 19.98 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
The current unsustainable energy consumption of society has increased the demand for
clean and virtually unlimited energy sources, such as solar energy. In the market of
solar electricity, building integrated photovoltaics (BIPV) has been receiving considerable
attention. For this application, the compatibility of photovoltaic modules with construction
materials requires the development of flexible, low-weight, thin-film solar cells. MAPbI3
solar cells (1.55 eV bandgap) with light trapping (LT) structures were chosen for this study,
as these have excelled at maintaining high optical performance, despite low cell thickness.
A particularity of the BIPV industry is that, unlike most photovoltaic studies, the
aesthetics related to the colours of the building material are valued. Thus, this work
developed a computational method that designs solar cells with LT features capable of
increasing both the optical performance and the solar cell affinity to a specific colour. The
focus was then to study how the geometrical features of solar cells and respective LTs
affect the colour and optical properties, as well as their layout optimization and angular
sensitivity. Here we specifically addressed magenta and green chromaticity since these
cover the reflection peaks of the primary colours in the RGB system, and are generally
some of the hardest colorations to obtain for high-performance solar cells.
A variety of LTs were designed, simulated and optimized, from simple gratings to
complex semi-spheroids. The maximum current density values were obtained for solar
cells with top dome structures—22.07mA/cm2 for magenta and 21.40mA/cm2 for green
— reaching an increase of 6.68% and 3.44%, respectively, relative to the reference cell in
planar configuration. Regarding angular homogeneity, this work tested incidence angles
between 0◦ and 60◦, where, at the highest illumination angle, a maximum current density
of 𝐽SC = 20.85mA/cm2 was obtained, for magenta domes, corresponding to a relative 𝐽SC
loss of 5.53%.
O atual consumo de energia insustentável aumentou a procura de fontes de energia limpa ilimitadas, como a energia solar. No mercado de eletricidade solar, fotovoltaicos integrados em edifícios (BIPV) têm recebido considerável atenção. A compatibilidade dos módulos fotovoltaicos com os materiais de construção requer o desenvolvimento de células solares de filme fino, flexíveis e de baixo peso. Células de MAPbI3, (bandgap 1.55 eV) com estruturas de captura de luz (LT) foram escolhidas para este estudo, devido às suas excelentes propriedades óticas, apesar da baixa espessura da célula. Uma particularidade desta indústria é o valor estético da cor dos materiais de construção, algo raramente considerado em estudos fotovoltaicos. Nesse sentido, este trabalho desenvolveu um método computacional que concebe células solares com estruturas LT, responsáveis por aumentar a performance ótica e pela reflexão de uma cor específica na célula solar. Este estudo focou-se no modo como as características geométricas das células solares e LTs afetam a cor e as propriedades ópticas, bem como na otimização dos layouts e sensibilidade angular. Aqui abordamos especificamente as cromaticidades magenta e verde, uma vez que estas cobrem a reflexão das cores primárias no sistema RGB e são, geralmente, das colorações mais difíceis de obter para células solares de alto desempenho. Uma variedade de LTs foram projetados, simulados e otimizados, desde gratings simples até semiesferóides complexos. Os valores máximos de densidade de corrente foramobtidosem células solares com estruturasem cúpula—22.07mA/cm2 para magenta e 21.40mA/cm2 para verde—atingindo um aumento de 6,68% e 3,44%, respectivamente, em relação à célula plana de referência. Relativamente à homogeneidade angular, este trabalho testou ângulos de incidência entre 0◦ e 60◦, onde,no maior ângulo,uma densidade máxima de corrente de 20.85mA/cm2 foi obtida para cúpulas magenta, correspondendo a uma perda relativa 𝐽SC de 5,53%.
O atual consumo de energia insustentável aumentou a procura de fontes de energia limpa ilimitadas, como a energia solar. No mercado de eletricidade solar, fotovoltaicos integrados em edifícios (BIPV) têm recebido considerável atenção. A compatibilidade dos módulos fotovoltaicos com os materiais de construção requer o desenvolvimento de células solares de filme fino, flexíveis e de baixo peso. Células de MAPbI3, (bandgap 1.55 eV) com estruturas de captura de luz (LT) foram escolhidas para este estudo, devido às suas excelentes propriedades óticas, apesar da baixa espessura da célula. Uma particularidade desta indústria é o valor estético da cor dos materiais de construção, algo raramente considerado em estudos fotovoltaicos. Nesse sentido, este trabalho desenvolveu um método computacional que concebe células solares com estruturas LT, responsáveis por aumentar a performance ótica e pela reflexão de uma cor específica na célula solar. Este estudo focou-se no modo como as características geométricas das células solares e LTs afetam a cor e as propriedades ópticas, bem como na otimização dos layouts e sensibilidade angular. Aqui abordamos especificamente as cromaticidades magenta e verde, uma vez que estas cobrem a reflexão das cores primárias no sistema RGB e são, geralmente, das colorações mais difíceis de obter para células solares de alto desempenho. Uma variedade de LTs foram projetados, simulados e otimizados, desde gratings simples até semiesferóides complexos. Os valores máximos de densidade de corrente foramobtidosem células solares com estruturasem cúpula—22.07mA/cm2 para magenta e 21.40mA/cm2 para verde—atingindo um aumento de 6,68% e 3,44%, respectivamente, em relação à célula plana de referência. Relativamente à homogeneidade angular, este trabalho testou ângulos de incidência entre 0◦ e 60◦, onde,no maior ângulo,uma densidade máxima de corrente de 20.85mA/cm2 foi obtida para cúpulas magenta, correspondendo a uma perda relativa 𝐽SC de 5,53%.
Descrição
Palavras-chave
Building integrated photovoltaics Perovskite solar cell Light trapping Structural colour FDTD optimization