Optical modelling of dye solar cells and colour characterisation

Abstract

Attention to energy efficiency has increased adoption of different energy saving and generation techniques in buildings. Building-integrated photovoltaics (BIPV) have gained interest due to their architectural value and positive contribution to the overall energy efficiency of a building. Dye solar cells (DSC) are a notable alternative for BIPV since their colour, transparency and efficiency can be changed by using different dyes and modifying their concentration in the cell. This work had three main objectives: first, the refractive index analysis using a simple multilayer optical stack model, second, simulating optical properties of a dye solar cell using a model based on transfer-matrix method (TMM), and third, determining the colour of the dye solar cell using the simulated data. The refractive indices of the material layers in the cell were determined using a simple optical stack model and used for simulating the transmittance spectra of complete solar cells. As for the simulated transmittance spectra, they were used for specifying the colour of the cells in CIELAB colour space. Lastly, the calculated colour was compared with experimentally determined colour, which was solved by photographing the cells in known lighting conditions. Based on the results it was possible to conlcude that refractive index analysis from optical properties was accurate enough for transfer-matrix method, although, the used model was relatively simple. However, solving the refractive indices of conductive layer on glass substrate (FTO) reliably was unsuccessful. This was thought to be caused by interference that the model does not take into account. Solved refractive indices were used successfully to simulate the transmittance (as well as reflectance and absorptance) spectra of the cells: differences between simulated and measured spectra were very small, below 2% on average. As for colour modelling, the colour of the cells was not been able to model exactly accurately due to inaccuracies in spectrum of percieved light and differences in optical geometries. However, on the strength of the simulated data it was possible to solve limits for the colour, in between which the modelled colour settled.

Energiatehokkuuden huomioiminen on lisännyt erilaisten energiansäästö- ja tuotantotekniikoiden käyttöönottoa rakennuksissa. Rakennuksiin integroitavat aurinkokennot (building integrated photovoltaics, BIPV) ovat herättäneet kiinnostusta energiatehokkuuden sekä arkkitehtuuristen ominaisuuksiensa vuoksi. Väriaineaurinkokennot (dye solar cells, DSCs) ovat varteenotettava vaihtoehto rakennuksiin integroitavaksi, sillä niiden väriä, läpinäkyvyyttä ja tehokkuutta pystytään muuttamaan käyttämällä erilaisia väriaineita ja säätämällä niiden pitoisuutta kennossa. Tässä työssä oli kolme päätavoitetta: taitekertoimien määrittäminen optisten ominaisuuksien perusteella,kokonaisten kennojen simulointi siirtomatriisimenetelmällä materiaalien optisesta datasta lähtien sekä väriainekennojen värin määrittäminen simuloidun datan perusteella. Kennossa olevien materiaalikerrosten taitekertoimet määritettiin yksinkertaisen optisen kerrosmallin avulla ja taitekertoimia käytettiin edelleen kokonaisten kennojen läpäisyspektrin simuloimiseen. Simulaatiosta saatuja läpäisyspektrejä käytettiin puolestaan värin määrittämiseen CIELAB -väriavaruudessa. Lopuksi laskettua väriä verrattiin kokeellisesti määritetyn värin kanssa, joka selvitettiin valokuvaamalla kennoja tunnetuissa valaistusolosuhteissa. Tulosten perusteella voitiin päätellä taitekertoimien määrittämisen optisista ominaisuuksista olevan riittävän tarkka siirtomatriisimenetelmää varten, vaikka käytetty malli olikin kohtalaisen yksinkertainen. Mallilla ei kuitenkaan onnistuttu selvittämään lasisubstraatin pinnalla olevan johtavan kerroksen (FTO) taitekertoimia luotettavasti. Tämän arveltiin johtuvan interferenssi-ilmiöstä, jota malli ei ota huomioon. Selvitettyjä taitekertoimia käytettiin kennojen läpäisyspektrien (sekä heijastus- ja absorptiospektrien) simuloimiseen onnistuneesti: simuloitujen ja mitattujen spektrien erot olivat hyvin pieniä, keskimäärin alle 2% luokkaa. Kennojen väriä ei puolestaan saatu mallinnettua täysin tarkasti johtuen mm. epätarkkuudesta havaitun valon spektrissä sekä optisten geometrioiden eroavaisuuksista. Simuloidun datan perusteella saatiin kuitenkin selvitettyä ääriarvot, joiden väliin kokeellisesti määritetty väri asettui.