太阳时域特性对超薄叠层太阳能电池的多尺度光学和电学特性影响

学术   2024-10-12 18:31   美国  

原文信息:

Effects of spatio-temporal variations of solar light on the multiscale optical and electrical characteristics of ultrathin tandem solar cells

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261924019093

Highlights

• 具有巨大应用潜力的超薄叠层太阳能电池

 多尺度光学、光伏特性耦合理论模型

 太阳时域特性对超薄叠层太阳能电池的影响

 光谱和入射角变化对叠层电池的影响机制

 超薄叠层电池系统在实际条件下有稳定的高输出功率

Research gap

超薄叠层太阳能电池的设计和测试主要是在AM1.5模拟太阳光下进行的,因而忽略了真实太阳光谱辐照度的区域、时域、角度等变化对具有纹理结构表面的超薄叠层太阳能电池的多尺度光谱匹配、子电池电流匹配以及综合性能的影响,导致缺乏准确的理论支撑来解决由于光谱匹配和电流匹配失调所导致的综合性能降低。


摘要

超薄叠层太阳能电池具有柔性、高功率重量比和价格竞争力(低成本和低资本支出)等优势,因此具有广泛的应用潜力。然而,与AM1.5太阳光照下的标准测试不同,太阳光时空变化引起的光谱辐照度和入射角差异对叠层太阳能电池有显著影响,尤其是超薄叠层太阳能电池,由于其亚微/微纹理结构,对入射角更为敏感。因此,我们建立了多尺度光学模型和光伏特性模型,分别用于详细描述超薄叠层太阳能电池中的光子传播和载流子传输。通过分析倒金字塔光子晶体结构对超薄叠层太阳能电池光吸收的影响,获得了倒金字塔光子晶体结构的最佳结构参数,与原始厚度(∼180 μm)的叠层太阳能电池相比,超薄叠层太阳能电池的效率提高了0.82%。在优化后超薄叠层太阳能电池的基础上,还揭示了区域和日光谱辐照度变化对光伏特性影响的详细机制。与日光谱辐照度变化相比,区域光谱辐照度变化对结构尺寸和性能的影响更大。然而,在日太阳光变化中,入射角变化对超薄叠层太阳能电池有显著影响,这种影响主要体现在底部子电池上。通过揭示入射角变化的影响机制,所优化的超薄叠层太阳能电池在实际条件下日输出功率达到2312.30 W·h/m2

更多关于“太阳能电池”的研究详见:

https://www.sciencedirect.com/search?pub=Applied%20Energy&cid=271429&qs=solar%20cells

Abstract

Ultrathin tandem solar cells have potential for a wide range of applications due to flexibility, high power-to-weight ratio, price competitiveness (low-cost and low capex). However, unlike standard tests under air-mass1.5 (AM1.5) 1 sun illumination, differences in spectral irradiance and incidence angle caused by spatio-temporal variation of solar light have significant effects on the tandem solar cells, especially on the ultrathin tandem solar cells, which are much more sensitive to incidence angle due to the sub-micro/micro textured structures. We develop a multiscale optical model and photovoltaic characteristic model for detailed description of photon propagation and carrier transport in the ultrathin tandem solar cells, respectively. Though analyses on the effect of inverted pyramid photonic crystal architecture on light absorption of the ultrathin tandem solar cells, the optimal structural parameters of inverted pyramid photonic crystal architecture are obtained, which leads to an improvement of the power conversion efficiency of ultrathin tandem solar cell by 0.82 % compared to the tandem solar cells with pristine thickness (∼180 μm). Based on the optimized ultrathin tandem solar cells, detailed mechanisms of the effects of variation in regional and daily spectral irradiances on the PV characteristics are unravelled. Compared to daily spectral irradiance variations, regional spectral irradiance variations have a greater effect on the structural dimensions and performance of ultrathin tandem solar cells. However, in the daily solar light variations, incidence angle variation has a significant effect on ultrathin tandem solar cells, and this effect is primarily reflected in the bottom sub-cells. The unravelled mechanism of the effect of incidence angle variation helps us propose a recommendation to improve the daily output power of the ultrathin tandem solar cells (2312.30 W·h/m2) in the analyses under real-world condition.


Keywords

Ultrathin tandem solar cells

Solar light variations

Multiscale optics

PV characteristic model for tandem solar cell

Graphics

图1 钙钛矿/硅叠层太阳能电池结构示意图


图2 钙钛矿/硅叠层太阳能电池多尺度光学模拟流程图


图3 太阳光光谱强度分布差异(a)不同地区(b)不同时间


图4 2月8日在Antofagasta的环境条件以及超薄钙钛矿/硅叠层太阳能电池的光伏特性


团队介绍

通信作者简介:

周一鹏,西北工业大学副教授,博士毕业于西安交通大学动力工程及工程热物理专业,2019-2021年在多伦多大学(Sajeev John团队)进行博士后研究工作。研究方向包括基于光子晶体的多尺度光学分析,钙钛矿及其叠层光伏电池,建筑一体化光伏,以及太阳能全光谱利用。主持及参与多项国家及省部级重点项目,目前以第一/通讯作者在Applied Energy、Energy Conversion & Management、Material Today Chemistry、Renewable Energy等期刊发表论文超过20篇,并进行多次受邀报告。



关于Applied Energy

本期小编:蔡吉祥;审核人:朱莲峰

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