Energieertragsmodellierung

Angesichts der komplexen Architektur von Tandem-Solarzellen auf Perowskit-Basis sind optische Modellierung und Energieertragsberechnungen unverzichtbare Werkzeuge zur Optimierung der Gerätearchitekturen und damit zur Minimierung der finanziellen und energetischen Amortisationszeiten. Wir haben ein firmeneigenes Softwarepaket entwickelt, das eine schnelle Simulation der komplexen Tandemarchitekturen und eine detaillierte Berechnung ihrer Leistungsabgabe unter realistischen Einstrahlungsbedingungen für Standorte in verschiedenen Klimazonen ermöglicht. Die Software ist in der Lage, wichtige Forschungsfragen zu neuartigen Tandem-Solarzellen in Bezug auf Textur, Architektur, Bifazialität, elektrische Verschaltung und vieles mehr zu beantworten [1].

Abbildung: Schematische Darstellung der Berechnung des Energieertrags (EY).

 

Verständnis der Auswirkungen von Pyramidentexturen in Perowskit/Silizium-Tandem-Photovoltaik

Um die Energieausbeute zu maximieren und die Stromgestehungskosten weiter zu senken, sind effiziente Lichtmanagementkonzepte von zentraler Bedeutung. In einer kürzlich durchgeführten numerischen Studie haben wir eine systematische Energieertragsanalyse für zweipolige (2T) Perowskit/Silizium (Si)-Module durchgeführt, bei denen zufällige Pyramiden im Mikrometerbereich auf der Vorder- und/oder Rückseite der Tandemmodule eingesetzt werden. [2]

 

Abbildung: Vier verschiedene Architekturen von zweipoligen (2T) Tandem-Photovoltaikmodulen aus Perowskit und kristallinem Silizium (c-Si).

 

Standortspezifische Optimierung von Perowskit/CIGS-Tandemsolarmodulen

Die Komplexität von Perowskit/CIGS-Tandem-Solarmodularchitekturen erfordert eine sorgfältige Optimierung des Schichtstapels unter realistischen Sonneneinstrahlungsbedingungen. In einer Studie haben wir die Auswirkungen der unterschiedlichen spektralen Einstrahlung und der durchschnittlichen Photonenenergie zwischen verschiedenen Standorten in unterschiedlichen Klimazonen auf den Energieertrag von zwei- und vierpoligen Perowskit/CIGS-Solarmodulen analysiert. [3]

 

Energieertragsvorteile der dreipoligen Perowskit-Silizium-Tandem-Photovoltaik

Neben der zwei- und vierpoligen elektrischen Verschaltung haben wir kürzlich die Vorteile der dreipoligen Perowskit-Silizium-Tandemarchitektur untersucht. Die Drei-Terminal-Architektur ist sehr vielversprechend, da sie die Vorteile von Zwei- und Vier-Terminal-Architekturen kombiniert. So weist sie im Vergleich zur Vier-Terminal-Architektur eine größere photogenerierte Stromdichte in den Absorberschichten auf und ist im Vergleich zur Zwei-Terminal-Architektur robuster gegenüber spektralen Schwankungen [4].

Abbildung: Schematischer Querschnitt der 2T-, 4T- und 3T-Architekturen; violette Pfeile zeigen den Elektronenfluss am Punkt maximaler Leistung in den beiden Fällen der Strominjektion (JPe >JSi) oder der Stromextraktion (JPe <JSi) aus dem Z-Terminal.

 

Software "EYcalc" für die Öffentlichkeit zugänglich

Unsere Energieertragssoftware "EYcalc" ist frei verfügbar unter https://github.com/PerovskitePV/EYcalc. Sie zielt darauf ab, die Energieausbeute von Einzel- und Mehrfachsolarzellen zu simulieren. Im Gegensatz zum Wirkungsgrad (Power Conversion Efficiency, PCE) berücksichtigt die Energieausbeute (Energy Yield, EY) Umweltbedingungen, wie sich ständig ändernde Einstrahlungsbedingungen oder die Umgebungstemperatur. Sie ermöglicht die schnelle Simulation komplexer Architekturen und wurde mit dem Ziel entwickelt, texturierte Perowskit-basierte Mehrfachsolarzellen zu behandeln. Es ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann jede Kombination von Dünnschichtarchitekturen mit inkohärenten photovoltaischen Materialien (z. B. kristallinem Silizium) simulieren.

 

Entsprechende Veröffentlichungen unseres Teams
  • M. De Bastiani et al., Efficient bifacial monolithic perovskite/silicon tandem solar cells via bandgap engineering, Nature Energy. (2021). doi.org/10.1038/s41560-020-00756-8.
  • J. Lehr et al., Numerical study on the angular light trapping of the energy yield of organic solar cells with an optical cavity, Opt. Express. (2020). doi.org/10.1364/OE.404969.
  • F. Gota et al., Energy Yield Advantages of Three-Terminal Perovskite-Silicon Tandem Photovoltaics, Joule, (2020). doi.org/10.1016/j.joule.2020.08.021.
  • J. Lehr et al., Energy yield of bifacial textured perovskite/silicon tandem photovoltaic modules, Sol. Energy Mater. Sol. Cells. (2020). doi:10.1016/j.solmat.2019.110367.
  • R. Schmager et al, Methodology of energy yield modelling of perovskite-based multi-junction photovoltaics, Opt. Express. (2019). doi:10.1364/oe.27.00a507.
  • M. Langenhorst u.a., Energy yield of all thin-film perovskite/CIGS tandem solar modules, Prog. Photovoltaics Res. Appl. (2019). doi:10.1002/pip.3091.
  • J. Lehr et al., Energy yield modelling of perovskite/silicon two-terminal tandem PV modules with flat and textured interfaces, Sustain. Energy Fuels. (2018). doi:10.1039/c8se00465j.