Napredne zasnove visokoučinkovitih silicijevih fotonapetostnih modulov za povečanje dolgoročnega energijskega izplena

KIKELJ, MIHA (avtor), Lipovšek, Benjamin (mentor)

Fotovoltaika na osnovi silicija doživlja hitro rast in je nedavno presegla 1 TWp kumulativne instalirane moči. Izkoristki silicijevih sončnih celic so se prav tako močno povečali, rekordne celice pa dosegajo 27,3%, in se tako počasi bližajo teoretični meji 29,4%. Kljub temu, da komercialni PV moduli dosegajo učinkovitost do 24,0%, pa se potencial za nadaljnje izboljšave učinkovitosti PV modulov na osnovi silicija počasi bliža meji. To delo raziskuje načine za nadaljnje povečanje učinkovitosti fotonapetostnih modulov na osnovi silicija tako pod standardnih testnih pogoji kot med delovanjem na terenu. Naš prvi cilj je bil analizirati izgube, ki nastanejo pri prehodu s posameznih celic na celotne PV module. S tem namenom smo razvili pristop optoelektričnega modeliranja od spodaj navzgor, ki natančno odraža, kako lahko manjše spremembe na ravni celice vplivajo na splošno delovanje fotonapetostnega modula. Model je bil uporabljen za preučevanje izgube moči v sončnih celicah, poškodovanih med delovanjem na terenu; vključujoč modeliranje štirih večjih nehomogenosti, ki nastanejo kot posledice mehanskih stresorjev: prekinitve kontaktnih prstov, aktivne in neaktivne razpoke ter popolnoma izolirana območja celic. S kalibracijo modela smo pokazali, da je mogoče izgubo moči zaradi defektov, ki jih lahko zaznamo s pomočjo elektroluminiscence, predvideti z napako manjšo od 0,1%. Ugotovili smo tudi, da je razsežnost defektov, ki jih mogoče zaznati z luminiscenčnim slikanjem, močno odvisna od optičnih lastnosti celice same in pa parametrov sistema za zajem slike. Zato smo model nadgradili s podrobnim optičnim modelom elektroluminiscence, kar je bilo ključno za natančno določitev rekombinacij na robovih rezanih celic namenjenih za integracijo v t.i. ''cut-cell'' oz. ''shingled'' PV module. Nazadnje smo se osredotočili na možnosti nadaljnjega razvoja silicijeve PV tehnologije, pri čemer smo se posvetili predvsem 3-terminalnim tandemskim modulom na osnovi perovskita in silicija. Pokazali smo, da imajo pravilno zasnovani tandemski 3T moduli potencial, da presežejo učinkovitost tako trenutnih komercialno dostopnih modulov na osnovi silicija kot enakovrednih 2-terminalnih tandemskih modulov, ki se počasi bližajo komercializaciji. Prav tako smo predstavili prvo eksperimentalno izvedbo in meritve napetostno usklajenega 3-terminalnega tandemskega niza znatne velikosti pod realnimi pogoji, ki bi lahko tlakoval pot prihodnjim komercialnim 3-terminalnim PV modulom, in tako omogočil nadaljnje povečevanje učinkovitosti silicijeve PV tehnologije.

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: fotovoltaika, optično modeliranje, električno modeliranje, elektroluminiscenca, perovskitno-silicijevi tandemi, 3-terminalni tandemi, energijski izplen
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Organizacija: FE - Fakulteta za elektrotehniko
• Leto izida: 2024
• PID: 20.500.12556/RUL-158179
• COBISS.SI-ID: 197123075
• Datum objave v RUL: 28.05.2024

Sekundarni jezik

• Jezik: Angleški jezik
• Naslov: Advanced Designs for Improved Long-Term Energy Yield in High-Efficiency Silicon-Based Photovoltaic Modules

Izvleček

Silicon-based photovoltaics have experienced rapid growth, recently surpassing 1 TWp of cumulative installed power. Silicon solar cell efficiencies have also risen significantly, with record efficiencies reaching 27.3%, nearing the theoretical limit of 29.4%. Commercial PV modules have achieved efficiencies up to 24.0%. However, the potential for further efficiency improvements in silicon-based PV is nearing its limit. Our thesis explores ways to enhance the efficiency of silicon-based PV modules both under standard test conditions and during long-term field operation. Our first goal was to analyse losses that occur when scaling from individual cells to entire PV modules. We developed a bottom-up opto-electrical modelling approach which accurately reflects how minor changes on the cell level might affect the overall performance of a PV module. The model was used to examine power loss in solar cells damaged during in-field operation, by modelling four major stress-induced inhomogeneities: contact finger interruptions, active and inactive cracks, and dead cell areas. By calibrating our model, we were able to predict power loss from defects detected by electroluminescence with an error margin within 0.1%. We also found that the extent of damage detected by luminescence imaging strongly depends on the device and imaging optics, which is why we upgraded the model with detailed bottom-up luminesce modelling, which was crucial for accurate edge recombination extraction of cut-cells used in “cut-cell” or “shingled” modules. Finally, we explored future prospects of the silicon PV technology, focusing mainly on perovskite-silicon IBC-based 3-terminal tandem modules. We demonstrated that properly designed 3T tandem modules could outperform current silicon-based modules and equivalent 2-terminal tandems, which are nearing commercialization. We presented the first experimental realization and outdoor monitoring of a voltage-matched 3-terminal tandem string of significant size, potentially paving the way for future commercial 3-terminal PV modules and potentially drive the efficiencies of silicon-based PV devices beyond 30%.

• Ključne besede: photovoltaics, opto-electrical modelling, electroluminescence, perovskite-silicon tandems, 3-terminal tandems, energy yield