Εναλλακτικές γεωμετρίες για συστοιχίες φωτοβολταϊκών λεπτών υμενίων υψηλής απόδοσης

Abstract

In the global effort to reduce greenhouse gas emissions and the planet's energy dependence on fossil fuels with a corresponding transition to green energy, solar radiation is of great interest, which can provide huge amounts of exploitable energy. In the field of solar photovoltaics, the scientific community is oriented towards flexible solar cell technologies that are more environmentally friendly and have lower production costs in order to increase their efficiency. These technologies include photovoltaics that use perovskites or organic compounds as photosensitive material as well as Dye-Sensitized Solar Cells (DSSC). In particular, DSSC technology is used more for energy production inside buildings where the corresponding intensities are low and the solar cells operate more efficiently.The purpose of this study is to investigate the alternative geometries that could improve the characteristics of the existing technology of DSSCs, without any intervention or modification in the materials it uses, but only by optical methods and to make possible their use in external spaces. An extensive study was made of the mechanism used by DSSC technology to generate electricity, dealing with different laboratory methods of making the solar cells (doctor-blade, spin coating and screen printing) as well as using two different methods for the fabrication of TiO2 thin film and different types of pigments in the role of the sensitizer (natural and commercial dyes) in order to achieve repeatability and stable characteristics of the fabricated solar cells. The characterization of the individual successive layers of the thin films that consist photoanode was done by optical methods. We were not focused on achieving high efficiencies of solar cells but only on the success of their fabrication with the aim their stable characteristics in order to study their behavior in conjunction with the alternative geometries to increase their efficiency and lifetime under high radiation intensities.An original method of trapping sunlight through a new type of architectural design was investigated. The methodology developed was a "U" type architecture on the vertical sides at which are located the pigment-sensitized solar cells. The bottom of this new geometry evenly distributes the vertically incoming solar radiation on its vertical sides where the intensity of the radiation is significantly reduced and the solar cells operate in suitable conditions to become more efficient. The absorption of incoming photons is done gradually by the individual cells through the mechanism of multiple reflections between the parallel vertical sides of the device. The important advantages of the new vertical architecture are both the optimization of the filling factor of the cells located inside it resulting in a significant increase in their lifespan as well as the indirect increase of the total active surface of the cells per unit of exposed horizontal surface. Indirect increase of the total active surface area means that more photons are absorbed simultaneously by different solar cells which may have different absorption spectra. This creates a hybrid light trapping cell that may comprise at least two or more DSSC type solar cells which are suitably interconnected.

Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να ερευνηθούν οι εναλλακτικές γεωμετρίες οι οποίες θα μπορούσαν να βελτιώσουν τα χαρακτηριστικά της ήδη υπάρχουσας τεχνολογίας των DSSCs, χωρίς καμία παρέμβαση ή τροποποίηση στα υλικά που αυτή χρησιμοποιεί παρά μόνο με εναλλακτικές αρχιτεκτονικές και οπτικές μεθόδους ώστε να γίνει εφικτή η χρησιμοποίησή τους σε εφαρμογές εξωτερικών χώρων Το ενδιαφέρον δεν επικεντρώθηκε στην επίτευξη υψηλών αποδόσεων των ηλιακών κυττάρων παρά μόνο στην επιτυχία της μεθοδολογίας κατασκευής τους με στόχο τη μελέτη της συμπεριφοράς τους σε συνεργασία με εναλλακτικές γεωμετρίες για την αύξηση της απόδοσης και της διάρκειας ζωής τους κάτω από υψηλές εντάσεις ακτινοβόλησης.Διερευνήθηκε μια πρωτότυπη μέθοδος παγίδευσης της ηλιακής ακτινοβολίας δια μέσου μιας νέου τύπου αρχιτεκτονικής σχεδίασης. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε ήταν μια αρχιτεκτονική τύπου “U” στις κατακόρυφες πλευρές της οποίας βρίσκονται τοποθετημένα τα ευαισθητοποιημένα με χρωστικές ηλιακά κύτταρα. Ο πυθμένας της νέας αυτής γεωμετρίας διαμοιράζει εξίσου την κατακόρυφα εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία στις κατακόρυφες πλευρές της όπου η ένταση της ακτινοβολίας υποβιβάζεται σημαντικά και τα ηλιακά κύτταρα λειτουργούν σε συνθήκες κατάλληλες ώστε να γίνουν αποδοτικότερα. Η απορρόφηση των εισερχόμενων φωτονίων γίνεται σταδιακά από τα επιμέρους κύτταρα μέσω του μηχανισμού των πολλαπλών ανακλάσεων μεταξύ των παράλληλων κατακόρυφων πλευρών της διάταξης. Τα σημαντικά πλεονεκτήματα της νέας κατακόρυφης αρχιτεκτονικής είναι τόσο η βελτιστοποίηση του συντελεστή πλήρωσης των κυττάρων που βρίσκονται τοποθετημένα στο εσωτερικό της με αποτέλεσμα την σημαντική αύξηση της διάρκειας ζωής τους όσο και της έμμεσης αύξησης της συνολικής ενεργού επιφάνειας των κυττάρων ανά μονάδα εκτιθέμενης οριζόντιας επιφάνειας. Δημιουργείται έτσι μια υβριδική κυψελίδα παγίδευσης του φωτός η οποία μπορεί να περιλαμβάνει τουλάχιστον δύο ή και περισσότερα ηλιακά κύτταρα τύπου DSSC τα οποία είναι κατάλληλα διασυνδεδεμένα μεταξύ τους.