• Articles you may be interested in Angle dependence of transparent photovoltaics in conventional and optically inverted configurations Appl. Phys. Lett. 103
  • Theoretical limits for visibly transparent photovoltaics




    Download 1.56 Mb.
    Pdf ko'rish
    bet1/3
    Sana14.03.2024
    Hajmi1.56 Mb.
    #171473
      1   2   3
    Bog'liq
    lunt2012
    MARJONAXON RAYIMOVA, Abduvali slayd skenirlash, Atom rus, 03-83-сонли буйрук 506-сонли буйрук асосида, Чора тадбир ИТ парк, chek, Акбар Ўрозалиев 1890 йил Андижон шаҳрининг Қорабура маҳалласида туғилган, Реабилитация, ada, 3-4 shakl Kozimov Akbarjon, 4 adabiyotlar taxlili oxirgisi 111, 01.03.2023 й. ПП ЯДАК вариант, Ibrohimova Mohichehra, Abdullayeva Mahliyo, Soxta oyoqlilar


    Theoretical limits for visibly transparent photovoltaics
    Richard R. Lunt
    Citation: 
    Applied Physics Letters 
    101, 043902 (2012); doi: 10.1063/1.4738896
    View online: 
    http://dx.doi.org/10.1063/1.4738896
     
    View Table of Contents: 
    http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/101/4?ver=pdfcov
    Published by the 
    AIP Publishing
    Articles you may be interested in
    Angle dependence of transparent photovoltaics in conventional and optically inverted configurations
    Appl. Phys. Lett. 103, 133304 (2013); 10.1063/1.4823462 
    Recovering lost excitons in organic photovoltaics using a transparent dissociation layer
     
    J. Appl. Phys. 113, 203110 (2013); 10.1063/1.4807416 
    Atomic layer deposition of Ga-doped ZnO transparent conducting oxide substrates for CdTe-based photovoltaics
     
    J. Vac. Sci. Technol. A 31, 01A120 (2013); 10.1116/1.4765642 
    Organic photovoltaic devices with low resistance multilayer graphene transparent electrodes
     
    J. Vac. Sci. Technol. A 30, 050604 (2012); 10.1116/1.4739505 
    Transparent, near-infrared organic photovoltaic solar cells for window and energy-scavenging applications
     
    Appl. Phys. Lett. 98, 113305 (2011); 10.1063/1.3567516 
    This article is copyrighted as indicated in the article. Reuse of AIP content is subject to the terms at: http://scitation.aip.org/termsconditions. Downloaded to IP:
    169.230.243.252 On: Sat, 06 Dec 2014 18:35:56


    Theoretical limits for visibly transparent photovoltaics
    Richard R. Lunt
    a)
    Department of Chemical Engineering and Materials Science, Michigan State University, East Lansing,
    Michigan 48824, USA
    (Received 31 March 2012; accepted 9 July 2012; published online 24 July 2012)
    Transparent photovoltaics (PVs) provide a potentially facile route to building-integrated PVs and
    seamless energy-harvesting within non-window surfaces such as electronic displays, autonomously
    powered electronic-glazings, and mobile-electronic accessories. Such devices have been enabled by
    manipulation of excitons in organic and molecular semiconductors that allow for selective
    ultraviolet and near-infrared solar conversion. Here, the theoretical efficiency limits of transparent
    photovoltaics are determined as a function of transparency. Power-production from ultraviolet and
    near-infrared photons alone leads to a theoretical single-junction efficiency of 21% in transparent
    structures, compared to 33% for opaque-junctions. Reducing thermal losses via transparent
    multi-junction stacking these limits increase to 37%.
    V
    C
    2012 American Institute of Physics.
    [
    http://dx.doi.org/10.1063/1.4738896
    ]
    The development of transparent photovoltaics (PVs) can
    enable seamless integration onto any already utilized transpar-
    ent surfaces for PV deployment, such as on building windows,
    skylights, greenhouses, sun-roofs, and mobile electronic devi-
    ces without requiring additional structural framing or acquisi-
    tion of undeveloped real estate. In general, the purpose of
    windows and displays is to provide natural lighting or a clear
    view. This problem can be approached with the development
    of a visibly transparent PV technology that selectively har-
    vests near-infrared (NIR) and ultraviolet (UV) light. A high
    level of visible transmittance (VT) on the order of 70%–80%
    for architectural and 55%–90% for automotive is necessary
    for ubiquitous adoption of solar-active windows.
    1
    Transparent
    solar cells designed for high-end device applications (e.g., mo-
    bile electronics integration) require even greater transparency
    >80%–90%, where display quality is paramount.
    Recently, we have shown that by exploiting the excitonic
    character of molecular and organic semiconductors, it is possi-
    ble to produce near-infrared PV architectures that are selec-
    tively absorptive in the UV and NIR, enabling visibly
    transparent active-layer photovoltaics for optimization of both
    efficiency and transparency.
    2
    These structures can also be
    added ubiquitously to non-transparent surfaces without affect-
    ing their underlying aesthetic, are capable of harvesting direct
    and indirect light, and could be combined with spatially dis-
    tributed inorganic cells
    3

    5
    or semitransparent devices
    6

    17
    to
    further boost visible (VIS) external quantum efficiencies
    (EQEs) for niche applications with less stringent transparency
    requirements (e.g., fac¸ade, darkened, or colored glass applica-
    tions). Although stringent transparency requirements could
    create challenges for full module scale-up in large-area appli-
    cations due to bus bar integration necessary to reduce resistive
    losses,
    18
    ,
    19
    this is likely surmountable with the recent develop-
    ment of highly transparent and highly conductive metal nano-
    wire grids,
    20

    23
    carbon nanotube meshes,
    24
    or improved
    transparent conducting oxides interconnects.
    25
    In this article, the theoretical efficiency limits are deter-
    mined as a function of transparency to define the maximum
    realizable goals for transparent single- and multi-junction
    photovoltaics in a range of applications. The range of per-
    ceptible visible light is first determined using color rendering
    index (CRI) analysis and subsequently utilized in determin-
    ing thermodynamic efficiency limits for visibly transparent
    solar cells.
    The CRI is a quantitative metric for evaluating the qual-
    ity of lighting systems and can be utilized to evaluate the
    level or perceptible color-tinting of a window. CRIs are cal-
    culated based on ideal transmission profiles (step-functions)
    in combination with CIE 1976 three-dimensional uniform
    color space (CIELUV), CIE 1974 test-color samples, and
    with correction for chromatic adaptation (non-planckian-
    locus), when necessary, according to
    26
    CRI
    ¼
    1
    8
    X
    8
    i
    ¼1
    
    100
     4:6
    ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi
    ðDL
    
    i
    Þ
    2
    þ ðDu
    
    i
    Þ
    2
    þ ðDv
    
    i
    Þ
    2
    q
    
    ; (1)
    where D
    L
    i
    *, Du
    i
    *, and Dv
    i
    *, are the difference in lightness
    (
    L*) and chromaticity coordinates (u*,v*) between each
    color sample,
    i (8 in total) "illuminated" with a fixed refer-
    ence solar spectrum (AM1.5G) and the transmission sources
    (
    T(k)
    AM1.5(k)). The weighted average VT is calculated
    according to
    26
    VT
    ¼
    ð
    T
    ðkÞPðkÞSðkÞdk
    ð
    V
    ðkÞSðkÞdk
    ;
    (2)
    where k is the wavelength,
    T is the transmission spectrum, P
    is the photopic response of the human eye,
    S is the solar
    energy flux, and the integration is preformed over a sufficient
    wavelength
    range
    to
    completely
    encompass
    P
    (e.g.,
    300–900 nm) so that it is accordingly independent of any
    defined visible wavelength range. Thermodynamic limiting
    efficiencies are calculated via the Shockley ideal diode equa-
    tion with radiative-limited recombination dark current, viz,
    27
    a)
    rlunt@msu.edu.
    0003-6951/2012/101(4)/043902/4/$30.00
    V
    C
    2012 American Institute of Physics
    101, 043902-1
    APPLIED PHYSICS LETTERS 101, 043902 (2012)
    This article is copyrighted as indicated in the article. Reuse of AIP content is subject to the terms at: http://scitation.aip.org/termsconditions. Downloaded to IP:
    169.230.243.252 On: Sat, 06 Dec 2014 18:35:56


    J
    S
    ffi qg
    ð
    1
    E
    G
    E
    2
    =EQE
    exp
    ðE=nkTÞ  1
    dE;
    (3)
    where
    g
    ¼ 2p/(c
    2
    h
    3
    ),
    n is the ideality factor (n
    ¼ 1 here), c is
    the speed of light,
    h is Planck’s constant, and E
    G
    is the active
    layer bandgap. For heterojunction devices,
    E
    G
    is subse-
    quently replaced in Eq.
    (3)
    with the interface gap,
    I
    G
    , which
    is the difference between the highest occupied molecular
    orbital energy of the donor and the lowest unoccupied
    molecular orbital energy. Practical laboratory efficiencies
    (non-module) are then calculated as outlined in Ref.
    28
    for
    excitonic and nanostructured semiconductors capable of ena-
    bling transparent structures with fractional scaling of the
    Shockley-Queisser (SQ) voltage, photocurrent, and fill fac-
    tor. This scaling estimates,
    a-posteriori, an upper limit volt-
    age for heterojunction devices that accounts for replacing
    E
    G
    with
    I
    G
    that leads to increased dark-current recombination,
    and therefore decreasing voltage scaling, due to the hetero-
    junction energy offset required to dissociate excitons.
    29

    33
    Resistive losses for full module scale-up can be further con-
    sidered (but was not applied here) by multiplying the practi-
    cal laboratory efficiencies with an upper limit heuristic
    factor of
    0.75 typical for other thin-film PV scale-
    up.
    28
    ,
    34
    ,
    35
    Series-integrated tandem junction efficiencies are
    calculated by constraining current-density (
    J) matching in
    each cell at every voltage,
    J(V)
    ¼ J
    i
    (
    V
    i
    ,
    E
    i
    )
    ¼ J
    i
    þ1
    (
    V
    i
    þ1
    ,
    E
    i
    þ1
    ).
    This equation was solved for the voltage in each cell (
    V
    i
    ) as
    a function of
    J, so that the total device voltage is V
    ¼
    P
    V
    i
    .
    In evaluating the efficiency limits of transparent photo-
    voltaics, it is first necessary to define the range of the visible

    Download 1.56 Mb.
      1   2   3




    Download 1.56 Mb.
    Pdf ko'rish

    Bosh sahifa
    Aloqalar

        Bosh sahifa



    Theoretical limits for visibly transparent photovoltaics

    Download 1.56 Mb.
    Pdf ko'rish