Multidimensional optimization of perovskite-type solar cells

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Kratzenberg, Manfred Georg
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/216171
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2020.
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spelling Multidimensional optimization of perovskite-type solar cellsEngenharia elétricaCélulas solaresEnergia solarGeração de energia fotovoltaicaOtimizaçãoEficiência energéticaTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2020.Os pesquisadores na área de desenvolvimento de células solares fotovoltaicos devem ter o conhecimento teórico que indica quais ideais propriedades uma célula solar deve apresentar, sendo que estes resultem na sua máxima possível eficiência. Tal conhecimento orienta no aperfeiçoamento de cada uma das propriedades, a partir do uso de apropriados (i) materiais e (ii) processos de manipulação na fabricação das células. Nesse sentido (i) o objetivo intermediário é de aperfeiçoar cada uma das propriedades consideradas de material, sendo (ii) o objetivo final de obter um aumento significante da eficiência da célula, a partir do melhoramento multidimensional das propriedades numa célula fabricada. A informação sobre as propriedades ideais pode ser obtida por meio da simulação do modelo matemático de uma célula solar, e especialmente sob otimização numérica desse modelo em espaço multidimensional das suas propriedades. Apresentamos a otimização multidimensional da eficiência usando um modelo analítico de uma célula solar perovskita, do tipo pin e analisamos diferentes desenhos de aperfeiçoamento da célula. A partir de uma análise de sensibilidade mostramos que a eficiência é função de diferentes propriedades configuradas de material, e também da espessura da camada de absorção dessa célula. A presente otimização numérica melhora a eficiência dessa célula do valor inicial de 15,7% para o valor máximo de 27.8%, considerando-se a sensitividade de sete variáveis num espaço de nove dimensões analisadas pelo algoritmo. Propomos diferentes desenhos de célula que analisamos em detalhe para obter um maior conhecimento sobre o processo de otimização. Sob o uso de armadilhas de luz na camada absorção a espessura dessa camada pode ser reduzida de 400 nm para 160 nm, perdendo apenas 0.2% de eficiência. Essa configuração resulta em uma redução significante da camada de absorção e assim do uso de Pb. A partir de análises de sensitividade da célula otimizada, mostramos o melhoramento mínimo necessário para cada propriedade, e a partir de uma análise combinatória das propriedades ideais, propomos uma sequencial ideal de inclusão de variáveis para o seu aprimoramento.Abstract: To obtain significant improvements in the Power Conversion Efficiency (PCE) of solar cells, researchers should know which material properties and cell design constitute cells with the highest possible cell efficiency. Such knowledge can orient in the improvement of each of the cell?s material properties, and in the selection of appropriate manufacturing methods to improve these material properties obtaining a higher PCE. We postulate that such knowledge is obtainable by simulation and numerical optimization of the cell?s PCE, which we present for the considered pin-type Perovskite Solar Cell (PSC) in a multidimensional variable space. Our analyses and review show and compare, which material properties lead to the highest cell efficiency. By utilization of a sensibility analysis, which uses the analytical model of the pintype PSC, we show that its efficiency is a nonlinear function of several material properties and the absorber layer thickness in a multidimensional function space of variables. The presented numerical optimizations improve the PSC?s efficiency from an initial 15.7% up to 27.8%. We consider variable improvements at different scales in a nine-dimensional hypercube space of cell properties and the absorber layer thickness. We thus show the high development potential of this solar cell. We present the combined variable specification necessary to obtain such high efficiency, and we found that seven of the nine analyzed variables show efficiency sensitivity. We also preset further model optimizations that consider limited variable improvements and lead to a lower PCE, which leads to additional knowledge concerning the optimization of the cell with and without light trapping for different absorber layer thicknesses and improvement scales. We found that the Pb content of the optimized PSC can be reduced significantly with a small PCE loss of only 0.2% if light trapping is used in thin absorber layers. Our sensitivity analyses show the minimal necessary variable improvement for each of the considered variables, and our presented combinatorial approach validates 91 possible variable combinations, suggesting an ideal sequence of variable tunings.Rambo, Carlos RenatoUniversidade Federal de Santa CatarinaKratzenberg, Manfred Georg2020-10-21T21:26:27Z2020-10-21T21:26:27Z2020info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis215 p.| il.application/pdf370274https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/216171porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2020-10-21T21:26:27Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/216171Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732020-10-21T21:26:27Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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