Cloaked contact grids for perovskite-silicon tandem solar modules

Photovoltaik (PV) spielt eine wichtige Rolle bei der Transformation des globalen Energiesystems von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Energiequellen, die ein Schlüssel zu einer nachhaltigen Zukunft des Planeten Erde ist. Eine solche Transformation wird jedoch hauptsächlich durch die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit einer Technologie getrieben, für die die Stromgestehungskosten ein entscheidender Faktor sind. In den letzten Jahren sind die Preise für Solarmodule drastisch gesunken, so dass die weitere Steigerung des Wirkungsgrades (PCE) und des Energieertrags (EY) von PV-Anlagen von zunehmender Bedeutung ist, um die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit der PV zu verbessern. Einer der limitierenden Faktoren moderner Solarmodule ist die Verlustleistung aufgrund inaktiver Flächen, die zur Minimierung der resistiven Verluste während des Ladungstransports über die großen Abmessungen eines Solarmoduls erforderlich sind. Optische Tarnkonzepte haben die Fähigkeit, Licht von inaktiven Bereichen hin zu den aktiven Flächen eines Solarmoduls zu leiten, wodurch die entsprechende Verlustleistung reduziert wird. Unter den verschiedenen optischen Tarnkonzepten sind Freiformoberflächen (FFS) als Tarnkappen eine interessante Technologie, die omnidirektionales Tarnen von inaktiven Flächen verspricht. Diese Dissertation konzentriert sich auf die Entwicklung und Herstellung von FFS mit der anvisierten Anwendung auf Perowskit/Silizium-Tandem-Solarmodulen, die ihrerseits sowohl für die Forschung als auch für die Industrie von höchstem Interesse sind, da die Kombination zweier Absorbermaterialien das theoretische Limit der PCE von 29 % für Einfachsolarzellen auf 46 % für Tandemsolarzellen erhöht. Eine detaillierte Untersuchung der optischen Verluste mittels optischer Simulation und EY-Modellierung von zwei- (2T) und vier-poligen (4T) Perowskit/Silizium-Tandemsolarmodulen in dieser Arbeit zeigt, dass Leistungsverluste durch inaktive Flächen – neben der parasitären Absorption – einer der größten optischen Verlustmechanismen von Perowskit/Silizium-Tandemsolarmodulen sind. Auch wenn FFS in einem idealen Design eine perfekte Tarnung von inaktiven Flächen aufweisen, sind sie nicht mit der herkömmlichen Architektur von Solarmodulen kompatibel, da sie eine nicht planare, für Verschmutzung anfälligere Oberfläche aufweisen. Um Verschmutzungen zu vermeiden, wird die Einbettung von FFS unter einer Glasabdeckung untersucht und hierfür zwei optimierte Designs von Freiformoberflächen vorgeschlagen, die unter Berücksichtigung eines geometrischen Füllfaktors (GFF) von inaktiven Flächen von 4 % die Einstrahlungsleistung auf die aktive Fläche theoretisch um 3.5 % erhöhen. Die Fähigkeit des omnidirektionalen Tarnen wird jedoch durch die vorgeschlagenen Designs beeinträchtigt, was zu einem etwas geringeren Anstieg des EY unter realistischen Einstrahlungsbedingungen von 2.4 % jährlich führt. Die effektive Tarnung inaktiver Flächen verschiebt zudem den optimalen Abstand und die optimale Dicke der Frontelektrode. Unter einer zusätzlichen Optimierung der Frontkontaktierung, erhöht sich der Anstieg in EY durch den Einsatz von eingebetteten FFS weiter auf 3.1 %. Prototypen von Einfachsolarzellen aus CuIn$_{\text{x}}$Ga$_{\text{1-x}}$Se$_{\text{2}}$ (CIGS) und kristallinem Silizium (c-Si) zeigen zwei mögliche Ansätze zur Einbettung von FFS in die vorderen Verkapselungsschichten konventioneller Solarmodule auf: (1) Prägen von FFS in das polymere Verkapselungsmaterial und Einbetten unter einer Glasabdeckung, was zu einer Erhöhung der Kurzschlussstromdichte $J_{\text{SC}}$ eines CIGS-Solarmoduls um 4.1 % bei einem GFF inaktiver Flächen von 4.7 % führt, und (2) Einbetten von FFS-Cloaks direkt in das Deckglas durch Anwendung der Flüssigglastechnik, die den $J_{\text{SC}}$ von c-Si-Solarzellen um 3.8 % bei einem GFF von 4.4 % erhöht. Beide Ansätze stellen eine praktikable Option für die Anwendung von FFS in 2T Perowskit/c-Si-Tandemsolarmodulen dar. Für 4T Perowskit/c-Si-Tandemsolarmodule ist die Abscheidung der Perowskitsolarzelle (PSC) direkt auf der Glasabdeckung vorzuziehen, da sie Frontschichten höherer optischer Qualität ermöglicht. Um eine Oberflächenqualität zu erreichen, die die Abscheidung der konformen dünnen Schichten einer PSC unterstützt, wird die mit der Flüssigglastechnik hergestellte Glasabdeckung mechanisch poliert. Die Herstellung von funktionierenden Perowskitsolarzellen ist jedoch noch nicht erfolgreich. Die optische Charakterisierung bestätigt jedoch das effiziente Tarnen von inaktiven Flächen mittels diesen Ansatzes, unterstreicht aber auch die starke Abhängigkeit von optischen Tarnkonzepten von ihrer Ausrichtung bezüglich der inaktiven Flächen. Im Hinblick auf die zukünftige Entwicklung bleiben die erfolgreiche Abscheidung von PSCs auf Glasabdeckungen, die mit der Flüssigglastechnik hergestellt werden, die Verbesserung der Ausrichtung und die Aufskalierung der Technologie offene Herausforderungen

The annual energy yield of mono- and bifacial silicon heterojunction solar modules with high-index dielectric nanodisk arrays as anti-reflective and light trapping structures

While various nanophotonic structures applicable to relatively thin crystalline silicon-based solar cells were proposed to ensure effective light in-coupling and light trapping in the absorber, it is of great importance to evaluate their performance on the solar module level under realistic irradiation conditions. Here, we analyze the annual energy yield of relatively thin heterojunction (HJT) solar module architectures when optimized anti-reflective and light trapping titanium dioxide (TiO$_2$) nanodisk square arrays are applied on the front and rear cell interfaces. Our numerical study shows that upon reducing crystalline silicon (c-Si) wafer thickness, the relative increase of the annual energy yield can go up to 11.0 %$_\text{rel}$ and 43.0 %$_\text{rel}$ for mono- and bifacial solar modules, respectively, when compared to the reference modules with flat optimized anti-reflective coatings of HJT solar cells.Comment: 24 pages, 7 figure

Light Management: A Key Concept in High-Efficiency Perovskite/Silicon Tandem Photovoltaics

The remarkable recent progress in perovskite photovoltaics affords a novel opportunity to advance the power conversion efficiency of market-dominating crystalline silicon (c-Si) solar cells. A severe limiting factor in the development of perovskite/c-Si tandems to date has been their inferior light-harvesting ability compared to single-junction c-Si solar cells, but recent innovations have made impressive headway on this front. Here, we provide a quantitative perspective on future steps to advance perovskite/c-Si tandem photovoltaics from a light-management point of view, addressing key challenges and available strategies relevant to both the 2-terminal and 4-terminal perovskite/c-Si tandem architectures. In particular, we discuss the challenge of achieving low optical reflection in 2-terminal cells, optical shortcomings in state-of-the-art devices, the impact of transparent electrode performance, and a variety of factors which influence the optimal bandgap for perovskite top-cells. Focused attention in each of these areas will be required to make the most of the tandem opportunity.Australian Renewable Energy Agency; Australian Research Council; Bundesministerium für Bildung und Forschung (PRINTPERO); the Initiating and Networking funding of the Helmholtz Association; the European Union’s Horizon2020 program (ACTPHAST); Karlsruhe School of Optics & Photonics (KSOP); Swiss National Science Foundation via NRP70 Energy Turnaround PV2050 and Swiss National Science Foundation Bridge (176552) projects

The GFDL Global Ocean and Sea Ice Model OM4.0: Model Description and Simulation Features

We document the configuration and emergent simulation features from the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) OM4.0 ocean/sea ice model. OM4 serves as the ocean/sea ice component for the GFDL climate and Earth system models. It is also used for climate science research and is contributing to the Coupled Model Intercomparison Project version 6 Ocean Model Intercomparison Project. The ocean component of OM4 uses version 6 of the Modular Ocean Model and the sea ice component uses version 2 of the Sea Ice Simulator, which have identical horizontal grid layouts (Arakawa C-grid). We follow the Coordinated Ocean-sea ice Reference Experiments protocol to assess simulation quality across a broad suite of climate-relevant features. We present results from two versions differing by horizontal grid spacing and physical parameterizations: OM4p5 has nominal 0.5 degrees spacing and includes mesoscale eddy parameterizations and OM4p25 has nominal 0.25 degrees spacing with no mesoscale eddy parameterization. Modular Ocean Model version 6 makes use of a vertical Lagrangian-remap algorithm that enables general vertical coordinates. We show that use of a hybrid depth-isopycnal coordinate reduces the middepth ocean warming drift commonly found in pure z* vertical coordinate ocean models. To test the need for the mesoscale eddy parameterization used in OM4p5, we examine the results from a simulation that removes the eddy parameterization. The water mass structure and model drift are physically degraded relative to OM4p5, thus supporting the key role for a mesoscale closure at this resolution.National Oceanic and Atmospheric Administration, U.S. Department of CommerceNational Oceanic Atmospheric Admin (NOAA) - USA [NA14OAR4320106]; Carbon Mitigation Initiative (CMI) project at Princeton University - BP; Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC)Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada [RGPIN-2018-04985]; National Science FoundationNational Science Foundation (NSF) [1536350]Open access journalThis item from the UA Faculty Publications collection is made available by the University of Arizona with support from the University of Arizona Libraries. If you have questions, please contact us at [email protected]