Effect of spectral management on solar cell temperature and efficiency
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2021-08-24
Department
Major/Subject
Engineering physics
Mcode
SCI3056
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
65 + 12
Series
Abstract
Further development of the commercial competitiveness and the environmental sustainability of solar cells is important to advance the clean energy transition. In that regard, reaching an even higher power conversion efficiency and longer device lifetime are vital. Lower cell temperature would provide a way to improve the cell efficiency and lifetime. In this work, different spectral management methods are studied to increase the power conversion efficiency and decrease the operation temperature of solar cells. Quantitative predictions for the cell temperature and efficiency were calculated based on the computational modelling of solar cells and different spectral management methods. The effects of solar cell types, materials and structures were also investigated. It was discovered that theoretical limits for efficiency improvement by photoluminescent up and down conversion layers depend strongly on the bandgap of the cell. Down conversion could improve the efficiency of narrow bandgap solar cells, but the limit decreases as the bandgap energy increases, and vice versa for an up conversion layer. These results agree qualitatively with the literature. One of the main results of this work proved that a down conversion layer could improve the efficiency and decrease the temperature of silicon solar cell, respectively, by up to 1.6 percentage points and up to 2.7 K. Up conversion was found to potentially improve the efficiency by up to 3.8 percentage points but also increase the cell temperature at least by 3.0 K. Quantitative predictions for the change in cell temperature induced by the application of different spectral management methods were calculated for the first time.Aurinkokennojen kaupallisen kannattavuuden ja ympäristöystävällisyyden edistäminen on tärkeää energiajärjestelmän kehittyessä enenevissä määrin uusiutuvan energiantuotannon varaan. Kennojen korkeampi hyötysuhde ja pidempi elinikä ovat avainasemassa kaupallisen kannattavuuden ja ympäristöystävällisyyden kehityksessä, ja kennon käyttölämpötilan lasku mahdollistaisi hyötysuhteen ja eliniän kasvattamisen. Tässä työssä tutkitaan spektrinhallinnan hyödyntämistä Aurinkokennojen kaupallisen kannattavuuden ja ympäristöystävällisyyden edistäminen on tärkeää energiajärjestelmän kehittyessä enenevissä määrin uusiutuvan energiantuotannon varaan. Kennojen korkeampi hyötysuhde ja pidempi elinikä ovat avainasemassa kaupallisen kannattavuuden ja ympäristöystävällisyyden kehityksessä, ja kennon käyttölämpötilan lasku mahdollistaisi hyötysuhteen ja eliniän kasvattamisen. Tässä työssä tutkitaan spektrinhallinnan hyödyntämistä aurinkokennojen hyötysuhteen nostamiseksi ja käyttölämpötilan laskemiseksi. Aurinkokennon toimintaa ja erilaisia spektrinmuokkausmetodeja mallinnetaan laskennallisesti, minkä perusteella määritetään kvantitatiiviset ennusteet hyötysuhteen ja käyttölämpötilan muutoksille eri tilanteissa. Myös kennon tyypin, rakenteen ja materiaalien merkitystä selvitetään. Fotoluminesenssiin perustuvien spektrinmuokkausmetodien, ylösmuuntamisen ja alasmuuntamisen, mahdollistamien aurinkokennon teoreettisen hyötysuhteen lisäysten todettiin riippuvan voimakkaasti kennon absorboivan materiaalin energia-aukon leveydestä. Alasmuuntaminen nostaa teoreettista rajaa merkittävästi kapean energia-aukon kennoilla, mutta ei leveän energia-aukon kennoilla. Ylösmuuntaminen sen sijaan nostaa erityisesti leveän energia-aukon kennojen teoreettisen hyötysuhteen rajaa. Työssä lasketut teoreettiset rajat sopivat yhteen kirjallisuudessa esitettyjen tulosten kanssa. Tärkeimpänä tuloksena työssä laskettiin mallinnukseen perustuen todellisen piikennon hyötysuhteen ja käyttölämpötilan muutokset eri spektrinhallintametodeja hyödynnettäessä. Alasmuuntava kerros voisi nostaa piiaurinkokennon hyötysuhdetta 1.6 prosenttiyksiköllä ja laskea käyttölämpötilaa 2.7 K. Ylösmuuntava kerros sen sijaan voisi nostaa piikennon hyötysuhdetta 3.8 prosenttiyksiköllä, mutta se nostaa myös kennon käyttölämpötilaa vähintään 3.0 K. Esitetyt arviot toimintalämpötilan muutoksesta eri tapauksissa ovat uutta tieteellistä tietoa.hyötysuhteen nostamiseksi ja käyttölämpötilan laskemiseksi. Aurinkokennon toimintaa ja erilaisia spektrinmuokkausmetodeja mallinnetaan laskennallisesti, minkä perusteella määritetään kvantitatiiviset ennusteet hyötysuhteen ja käyttölämpötilan muutoksille eri tilanteissa. Myös kennon tyypin, rakenteen ja materiaalien merkitystä selvitetään. Fotoluminesenssiin perustuvien spektrinmuokkausmetodien, ylösmuuntamisen ja alasmuuntamisen, mahdollistamien aurinkokennon teoreettisen hyötysuhteen lisäysten todettiin riippuvan voimakkaasti kennon absorboivan materiaalin energia-aukon leveydestä. Alasmuuntaminen nostaa teoreettista rajaa merkittävästi kapean energia-aukon kennoilla, mutta ei leveän energia-aukon kennoilla. Ylösmuuntaminen sen sijaan nostaa erityisesti leveän energia-aukon kennojen teoreettisen hyötysuhteen rajaa. Työssä lasketut teoreettiset rajat sopivat yhteen kirjallisuudessa esitettyjen tulosten kanssa. Tärkeimpänä tuloksena työssä laskettiin mallinnukseen perustuen todellisen piikennon hyötysuhteen ja käyttölämpötilan muutokset eri spektrinhallintametodeja hyödynnettäessä. Alasmuuntava kerros voisi nostaa piiaurinkokennon hyötysuhdetta 1.6 prosenttiyksiköllä ja laskea käyttölämpötilaa 2.7 K. Ylösmuuntava kerros sen sijaan voisi nostaa piikennon hyötysuhdetta 3.8 prosenttiyksiköllä, mutta se nostaa myös kennon käyttölämpötilaa vähintään 3.0 K. Esitetyt arviot toimintalämpötilan muutoksesta eri tapauksissa ovat uutta tieteellistä tietoa.Description
Supervisor
Lund, PeterThesis advisor
Miettunen, KatiPalonen, Heikki
Keywords
photovoltaics, solar cells, spectral management, cell temperature, power conversion efficiency