Fluorescent materials for silicon solar cells

Abstract

Photovoltaic systems with fluorescent collectors use the conversion and concentration of solar photons to increase solar cell efficiencies. Fluorescent dye in a dielectric plate absorbs incoming rays and emits spatially randomized photons with a lower energy range. The acrylic plate then guides part of the emitted spectrum to the collector side surfaces due to total internal reflection. Conventional research therefore applies solar cells to the side surfaces. This work analyzes the efficiency enhancement due to fluorescent collectors on top of solar cells which promises an easier technological handling. The first part of this work uses a Monte-Carlo simulation to model photovoltaic systems with fluorescent collectors and photonic structures. The results allow the comparison between side- and bottom-mounted solar cells. Examining the systems in the radiative limit achieves maximum theoretical limits. In each system, the photon collection probability depends strongly on the scaling of cell size and distance. The side-mounted solar cells perform better for larger scales, but for small scales bottom-mounted solar cells achieve equally high efficiencies. Consideration of non-radiative loss mechanisms and the application of a photonic structure also leads to the result that the application of solar cells to the collector back side needs careful scaling but performs as good as side-mounted solar cells. The second part presents the results of five experiments which analyze basic mechanisms in the fluorescent collector. Additionally, the experiments explore the benefits of fluorescent material in photovoltaic modules. i) The reabsorption experiment directs photons from an LED with wavelength 406 nm onto the collector top surface. A camera under the collector photographs photons which leave the back side. These photons are reabsorbed at least once. An analytical description extracts the reabsorption coefficient a = 0.021 1/mm from the camera picture. ii) Light beam induced current (LBIC) measurements on an amorphous silicon solar cell show that a fluorescent collector on top increases the collected current by 7%. The additional application of a photonic structure enhances the current by 95%. An analytical description of the absorption and emission processes in the collector using the reabsorption coefficient determined in the first experiment predicts the line-scans gained in the LBIC measurements. Therefore, the reabsorption measurement is sufficient enough to predict the collection performance of photovoltaic systems with fluorescent collectors without performing long LBIC-measurements. iii) Outdoor experiments compare mono crystalline silicon (c-Si) solar cells in acrylic troughs with and without fluorescent collectors on top. Fluorescent distribution added to the geometrical concentration decreases the current gain if limited to the trough aperture. A five times larger fluorescent collecting plate leads to a current gain enhancement by at least 50% compared to the limited aperture. This shows the advantage of fluorescent concentration. Achieving an increased current gain with geometrical concentration requires a new trough and more solar cell material. The experiments also show another advantage: Fluorescent collectors concentrate photons independent of their angle. Thus, photovoltaic systems using fluorescent concentration perform best even without tracking. iv) Two parallel connected c-Si solar cells under a fluorescent plate achieve an electrical output power P = 189 mW. The same set-up with an undoped acrylic plate on top gains P = 125 mW. By varying the cell distance this experiment additionally points out that the activation of surrounding photovoltaic inactive area is crucial to compensate losses directly above the solar cell. v) The last experiment avoids unfavorable losses by applying fluorescent dye to only the optical inactive cell connectors of an industrial c-Si solar cell encapsulated under glass. The fluorescent dye covering the white painted connector distributes incoming photons at all angles. The glass-air surface guides distributed photons onto the solar cell via total internal reflection. Derived with LBIC and Quantum Efficiency measurements, the efficiency of the solar cell increases from 16.0% to 16.2%. In conclusion, this work not only finds a new characterization method for the fluorescent concentration. Additionally, it presents that applying fluorescent dye on top of photovoltaic solar modules increase efficiencies under careful consideration of the scaling.

Photovoltaische Systeme mit Fluoreszenzkollektoren benutzen die Konversion und Konzentration solarer Photonen, um Solarzellenwirkungsgrade zu erhöhen. Fluoreszenzmoleküle in einer Acrylglasplatte absorbieren einfallende Strahlung und emittieren räumlich isotrop verteilte Photonen in einen niedrigeren Energiebereich. Die Acrylglasplatte totalreflektiert die gestreuten Photonen und leitet sie zu den Kollektorseitenflächen. Daher beschäftigt sich die Forschung üblicherweise mit Solarzellen, die dort angebracht sind. Diese Arbeit analysiert Wirkungsgradsteigerungen durch Fluoreszenzkollektoren, die oben auf der Solarzelle liegen. Der erste Teil dieser Arbeit nutzt eine Monte-Carlo Simulation, um Vergleiche zwischen Fluoreszenzkollektorsystemen mit seitlich angebrachten und mit darunter liegenden Solarzellen zu ziehen. Zusätzlich untersucht die Simulation den positiven Einfluss einer photonischen Struktur über dem Kollektor. Die Ergebnisse zeigen, dass die Sammelwahrscheinlichkeit für Photonen in beiden Systemen von der Skalierung der Zellflächen und Zellabstände abhängt. Systeme mit seitlich angebrachten Solarzellen liefern höhere Erträge bei größeren Skalierungen. Für kleine Skalierungen ist der Fluoreszenzkollektor mit darunter liegenden Solarzellen aber genauso gut. Die Berücksichtigung von nicht strahlenden Verlusten und die Verwendung einer photonischen Struktur zeigen ebenfalls, dass unten liegende Solarzellen genauso viele Photonen einsammeln wie seitlich angebrachte, jedoch empfindlicher in der Skalierung sind. Der zweite Teil der Arbeit präsentiert fünf experimentelle Ergebnisse, die einerseits grundsätzliche Mechanismen in Fluoreszenzkollektoren analysieren. Andererseits zeigen sie, wie Fluoreszenzfarbstoffe gewinnbringend in photovoltaischen Solarmodulen eingesetzt werden können. i) Zur Messung der Reabsorption fallen LED-Photonen der Wellenlänge 406 nm auf die Kollektoroberfläche. Eine Kamera hinter dem Kollektor fotografiert mindestens einmal reabsorbierte Photonen, die die Rückseite verlassen. Eine analytische Beschreibung der Absorption und Emission im Kollektor liefert aus den Kamerabildern den Reabsorptionskoeffizienten a = 0.021 1/mm. ii) Light beam induced current-Messungen an einer amorphen Siliziumsolarzelle zeigen, dass ein aufliegender Fluoreszenzkollektor den gesammelten Strom um 7% erhöht. Eine zusätzliche photonische Struktur erhöht den Strom um 95%. Eine analytische Beschreibung für dieses Experiment sagt unter Verwendung des im ersten Experiment ermittelten Reabsorptionskoeffizienten den Intensitätsverlauf vorher. Damit ist die Messung des Reabsorptionskoeffizienten ausreichend, um die Photoneneinsammlung in photovoltaischen Systemen mit Fluoreszenzkollektoren zu beschreiben, ohne, dass langwierige LBIC-Messungen nötig sind. iii) Feldexperimente unter realer Sonneneinstrahlung vergleichen Solarzellen aus monokristallinem Silizium (c-Si) in Acrylglaströgen mit und ohne aufliegenden Fluoreszenzkollektor. Ist der Fluoreszenzstoff auf die Trogapertur begrenzt, so verringert er den Stromertrag. Eine fünffach größere Kollektorfläche erhöht den Stromertrag um 50% im Vergleich zu der begrenzten Fläche. Dieses Ergebnis verdeutlicht den Vorteil von streuender Konzentration gegenüber geometrischer Konzentration. Um den Stromertrag mit geometrischer Konzentration zu erhöhen, müssen neue Konzentratorsysteme mit zusätzlicher Solarzellenfläche gebaut werden. Das Experiment zeigt einen weiteren Vorteil auf: Da die Fluoreszenzplatten die Photonen unabhängig von ihrem Winkel einsammeln, ist ihr Ertrag in Systemen mit und ohne Nachführung gleich. iv) Zwei parallel geschaltete c-Si Solarzellen erreichen unter einem Fluoreszenzkollektor eine elektrische Leistung P = 189 mW. Derselbe Aufbau mit einer undotierten Acrylglasplatte erreicht nur P = 125 mW. Durch die Variation der Solarzellenabstände zeigt dieses Experiment außerdem, dass die Aktivierung der umliegenden photovoltaisch inaktiven Fläche unbedingt notwendig ist, um die Verluste durch Streuung direkt über der Solarzelle zu kompensieren. v) Alle vorherigen Experimente zeigen, dass Fluoreszenzstoffe direkt auf Solarzellen in der Praxis immer zu Verlusten führen. Das letzte Experiment vermeidet diese unerwünschten Verluste, indem der Fluoreszenzstoff nur die optisch inaktiven Zellverbinder einer industriellen c-Si Solarzelle bedeckt, die mit Glas verkapselt ist. Der Fluoreszenzstoff auf den geweißten Zellverbindern streut einfallende Photonen in alle Richtungen. Die Oberfläche des Glases zur Luft totalreflektiert gestreute Photonen und lenkt sie auf die Solarzelle. Der errechnete Wirkungsgrad der Zelle steigt von 16.0% auf 16.2%. Zusammenfassend findet diese Arbeit nicht nur eine neue Charakterisierungsmethode für Konzentration durch Fluoreszenz. Sie zeigt außerdem, dass bei einer sorgfältigen Skalierung die Anwendung von Fluoreszenzkollektoren auf photovoltaischen Solarmodulen höhere Wirkungsgrade liefert.