Coupled optical and electrical modeling of dye solar cells

Abstract

In the case of building-integrated photovoltaics (BJPVs) the appearance of the solar cells is a more significant concern than in most other solar cell applications. The appearance aspect includes the transparency of the cells. Dye solar cells (DSCs) have the advantage that their colour can be tuned by the choice of dye and its amount, which also allows different levels of transparency. Lately one-dimensional photonic crystals (IDPCs) have been used in DSCs to enhance their light absorption. In addition to this they also affect the appearance of the DSC in question, by reflecting a selected range of wavelengths and allowing the rest of the incident light to be transmitted.

A simple optical model was used to simulate the effects of IDPCs and the amount of dye in the photoelectrode (PE) of a DSC on the optical properties and appearance of DSCs. Additionally, the effects of different dyes were tested in the simulations. Estimates for the short-circuit current and efficiency in AMl.5G conditions were calculated.

In addition to performance, the colour of the DSCs was also calculated. The calculation method was verified with photos of IDPCs coupled with a PE and assembled DSCs. The employed calculation method for the colour proved to be accurate enough. Most of the errors in results appear to be related to problems with homogeneity of the light used to illuminate the samples and the camera settings causing problems with over and underexposure, so improving only computational accuracy would not essentially improve the accuracy of the results.

The particle and pore size in TiO₂ layers of IDPC is significantly smaller than in the PE of the DSCs, which may reduce the efficiency of the DSCs by impeding the ion transport -based charge transfer in the electrolyte. The diffusion of the redox couple in the electrolyte was modelled to find a limiting value, where the diffusion would cause problems for the cell efficiency. The effect of the charge carrier concentrations at counter electrode (CE) on the IV curve was added to the electrical model of the PE to improve the accuracy of the efficiency estimates. Surprisingly, it turned out that voltage losses at CE would not have a significant effect on the efficiency of the DSCs, unless the IDPC (or similar reflecting layer) would be relatively thick with very small pores. The lack of any effect on efficiency seems counter-intuitive, and would have to be verified with experiments and/or more detailed models that would also take into account the effects of the accumulation of positive charge carriers and the depletion of the negative ones in the PE due to slow diffusion through the IDPC. Otherwise the estimates for cases with larger pore size appear realistic and could be relatively accurate estimates of the efficiency of the DSC configurations in question.

Rakennuksiin integroitujen aurinkokennojen (building-integrated photovoltaics, BIPV) tapauksessa kennojen ulkonäkö on tärkeämpi tekijä kuin monien muiden aurinkokennosovelluksien tapauksessa. Myös aurinkokennojen läpinäkyvyys sisältyy huomioitaviin seikkoihin. Väriaine aurinkokennojen (dye solar cells, DSCs) etuna on, että niiden väriä ja läpinäkyvyyttä voidaan muuttaa väriainetta ja sen määrää vaihtamalla. Viime aikoina väriainekennoissa on käytetty yksiulotteisia fotonikiteitä tehostamaan valon keräystä. Niiden vaikutus valon keräykseen ja myös kennon ulkonäköön perustuu siihen, että fotonikiteet heijastavat valoa kapealla aallonpituusalueella, kun muut aallonpituudet kulkevat fotonikiteen läpi heijastumatta.

Fotonikiteiden ja väriaineen määrän vaikutusta väriainekennojen optisille ominaisuuksille ja ulkonäölle simuloitiin yksinkertaisella optisella mallilla. Myös eri väriaineiden vaikutus laskettiin. Optisten ominaisuuksien perusteella laskettiin arviot kennojen oikosulkuvirrasta ja hyötysuhteesta AM1.5G -olosuhteissa.

Sähköisen suorituskyvyn lisäksi laskettiin myös kennojen väri. Näiden laskujen tuloksia verrattiin todellisten fotonikiteiden ja aurinkokennojen väriin tunnetuissa valaistusoloissa otetuissa valokuvissa. Käytetty laskentamenetelmä osoittautui riittävän tarkaksi. Suurin osa havaituista virheistä oli todennäköisimmin seurausta valaistuksen epähomogeenisuudesta ja kameran asetusten tuottamasta yli- tai alivalottuneisuudesta kuvissa, joten vain laskentatarkkuuden parantaminen ei oleellisesti parantaisi tarkkuutta.

Fotonikiteiden TiO₂-kerrosten hiukkasten ja huokosten koko on huomattavasti pienempi kuin valoelektrodissa, mikä saattaa heikentää kennojen hyötysuhdetta hidastamalla varauksenkuljettajien diffuusiota fotonikiteen läpi. Diffuusiota elektrolyytissä simuloitiin, jotta voitaisiin arvioida tämän ilmiön vaikutusta vastaelektrodin ylipotentiaalille ja sitä kautta kennon IV -käyrälle. Tulosten perusteella vaikuttaa yllättäen siltä, että heikentynyt diffuusio ei heikentäisi kennojen hyötysuhdetta vastaelektrodin jännitehäviöiden kautta lähes ollenkaan, ellei fotonikide (tai vastaava heijastava kerros) ole todella paksu ja sen huokoskoko erittäin pieni. Vaikutuksen pienuus on varsin epäintuitiivinen tulos, joten olisi syytä suorittaa tarkempia simulaatioita, joissa otetaan huomioon positiivisten varauksenkuljettajien kerääntyminen ja negatiivisten vähentyminen elektrolyytissä valoelektrodin huokosissa hidastuneen diffuusion takia. Muuten tulokset vähiten diffuusiota rajoittavien kalvojen osalta vaikuttavat realistisilta arvioilta kyseisten väriainekennojen hyötysuhteesta.