Coloured intermediate band solar cells

Abstract

Masteroppgaven består av en grundig detaliert balanseanalyse av den maksimale effektomformingsgraden (PCE) som kan oppnås med fargede enkeltlags solceller (SJSCs) og solceller med mellombånd (IBSCs). Arbeidet er basert på tidligere arbeid med detaliert balanseanalyse av IBSCs av Linge og optimalisering av fargede tandem solceller av Pearce et al. Disse blir først beskrevet, sammen med grunnleggende prinsipper for solcelle-fysikk, den detalierte balansemodellen, tredje generasjons solceller, fargevitenskap og fargede fotovoltaiske (PV) teknologier.

Den detalierte balansemodellen for SJSCs og IBSCs er blitt validert, og kjøretiden til koden er blitt akselerert ved hjelp av tilnærmelser og forenklinger, inkludert en ny MPPT-algoritme for IBSCs. Refleksjonsspekteret er introdusert i modellen for å ta hensyn til fargede ugjennomsiktige solceller. Det utviklede programmet er blitt brukt til å beregne maksimal PCE, optimale båndgap og beste rektangulære refleksjonsspekter for SJSCs og IBSCs med fargene fra Macbeth ColorChecker-kartet. Optimaliseringen av SJSCs gjenskaper resultatene som tidligere er rapportert av Halme et al. Resultatene for IBSCs rapporteres for første gang i denne avhandlingen og sammenlignes med resultatene for SJSCs. Både de fargede SJSCs og IBSCs har en effekttap på mindre enn 12% for alle unntatt 3 farger fra Macbeth ColorChecker-kartet, med en lineær reduksjon i PCE-grensen som funksjon av relativ lysstyrke for lave verdier av sistnevnte. Videre er repetisjonsevnen til optimaliseringsalgoritmen studert. Til slutt er de utviklede modellene for SJSC og IBSC brukt til å beregne maksimal PCE og optimale båndgap for solceller med refleksjonsspekteret til MorphoColor solcellemodulkonseptet. Refleksjonen til MorphoColor-konseptet medfører et effekttap på 7-8% sammenlignet med en svart celle, både for SJSC og IBSC, og dobbelt så stort som effekttapet for det optimaliserte rektangulære spektret.

The master thesis consists of the detailed balance analysis of the maximum PCE achievable with coloured single junction solar cells (SJSCs) and intermediate band solar cells (IBSCs). The work is based on previous work on detailed balance analysis of IBSCs by Linge and on coloured tandem solar cell optimization by Pearce et al. These are first described, together with the fundamentals of solar cell physics, the detailed balance model, third generation solar cells, colour science and coloured photovoltaic (PV) technologies.

The detailed balance model for SJSCs and IBSCs has been validated, and the code runtime has been accelerated based on approximations and simplifications, including a new MPPT algorithm for IBSCs. The reflectance spectrum has been introduced in the model to account for coloured opaque solar cells. The developed program has been employed to calculate the maximum efficiency, optimum bandgaps and best rectangular shaped reflectance spectra, for SJSCs and IBSCs with the colours of the Macbeth ColorChecker chart. The optimization of the SJSCs reproduces the results previously reported by Halme et al. The results for IBSCs are reported for the first time in this thesis and compared to those of the SJSCs. Both the coloured SJSCs and IBSCs present a power loss smaller than 12% for all but 3 colours of the Macbeth ColorChecker chart, with a linear decrease in efficiency for low relative luminosity. Apart, the repeatability of the optimization algorithm has been studied. Finally, the developed models for the SJSC and IBSC have been employed to calculate the maximum PCE and the optimal bandgaps for solar cells with the reflectance spectrum of the MorphoColor solar module concept. The reflectance of the MorphoColor concept produces a 7-8% power loss with respect to a black cell for both the SJSC and IBSC, doubling the loss caused by the optimized rectangular-shaped spectrum.