Tesis doc o al
Depa amen o de Ingenie ía Ene gé ica
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía – ETSI
Uni e sidad de Se illa
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a
aplicaciones o o ol aicas
Miguel Ba agán Sánchez-Lanuza
Di igido po :
D . José Ma ía Delgado Sánchez
D . Isido o Lillo B a o
Se illa, 22 de no iemb e, 2024
A mis pad es, po su amo ,
y su ma a illosa compañía
i
Ag adecimien os
La consecución de es e abajo no puede en ende se sin la ayuda ecibida po pa e de sus
di ec o es, José Ma ía e Isido o. Con una inmensa paciencia y dedicación me han guiado has a la
esc i u a de es as úl imas líneas de la Tesis.
Po o o lado, ninguno de los pasos que he dado en la ida hubiese sido posible sin las pe sonas de
mi al ededo :
Mis pad es. Todas las his o ias que han llegado a mí a a és de lib os, películas o anécdo as no han
sido capaces de hace me imagina una ida mejo que la que engo jun o a ellos. Es oy en deuda con
la ida po se hijo de Me che y Pepe.
Mis he manos. Solo hay buenos ecue dos de odo lo i ido jun o a José y Pablo, que con ca iño y
sen ido del humo me han acompañado du an e 27 años.
Ana. Mi amo desde el ins i u o. Hace de mi mundo un luga aún más ag adable y anquilo. Y le
queda muy poco pa a comenza a mejo a las idas de odos sus pacien es.
Cachi. G acias po compa i u pasión conmigo. El ecue do de odas las canciones que hemos
ocado jun os no se bo a á de mi cabeza.
Familia es, Ca men, amigos. Todas las pe sonas que me han acompañado y siguen haciéndolo,
g acias po ues o iempo y ca iño.
ii
Resumen
El abajo p esen ado se ha cen ado en analiza el impac o que iene el a amien o de la adiación
desde un pun o de is a absolu o o espec al. Además, a pa i de es e conocimien o se han ealizado
es udios ela i os a la in oducción de elemen os o ónicos en disposi i os o o ol aicos
con encionales a in de modi ica el espec o de la adiación sola con in e és de mejo a la e iciencia
de la aplicación obje o de es udio.
Así, se han ealizado es udios eó icos y expe imen ales conside ando c is ales o ónicos
unidimensionales, ecub imien os luminiscen es y espejos me álicos pa a modi ica , o bien la
in ensidad o bien el espec o, de la adiación sola que abso be la célula sola .
En gene al, se obse a que el a amien o espec al apo a una mejo esolución en las p edicciones
ene gé icas de los sis emas o o ol aicos, al mismo iempo que pe mi e comp ende cuáles son las
uen es de pé dida de ene gía y, po an o, p opone acciones de mejo a en sus diseños. Es e aspec o
es de in e és ac ual en el desa ollo que es án expe imen ando los sis emas ag o ol aicos, donde el
ipo de suelo es un pa áme o esencial pa a es ima la gene ación eléc ica en la ca a ase a de los
módulos o o ol aicos bi aciales.
Los ecub imien os luminiscen es apo an su capacidad pa a abso be cie o espec o de la adiación
sola y eemi i dicha ene gía en longi udes de onda di e en es. Es o pe mi e consegui un mejo
ajus e en e la ene gía del espec o sola inciden e y la ene gía que una célula sola es capaz de
abso be , la cual iene limi ada p incipalmen e po el
bandgap
de los semiconduc o es empleados.
Además, es e análisis ene gé ico en ocado en los ecub imien os luminiscen es puede se de in e és
en o o ipo de aplicaciones como, po ejemplo, en las cubie as de los in e nade os buscando
op imiza los p ocesos o osin é icos de las plan as.
Po o o lado, los c is ales o ónicos unidimensionales ac úan como un espejo selec i o pa a cie as
longi udes de onda. Es deci , dependiendo de su diseño, pe mi e ac ua como e lec o en una zona
del espec o al mismo iempo que es anspa en e pa a o a. Así, su in eg ación en disposi i os
o o ol aicos p opone mejo as en cuan o a elimina adiación sola en longi udes de onda no
ap o echables pa a el e ec o o oeléc ico pe o que penalizan el endimien o del disposi i o
o o ol aico po gene a calo en su in e io . O a aplicación es udiada ha consis ido en su uso como
elec odo in e medio en disposi i os o o ol aicos con es uc u a ándem, al o ece la uncionalidad
doble de conduc o eléc ico y sepa ado de haces de luz.
En odas es as aplicaciones, el conocimien o de la dis ibución espec al de las di e en es
componen es que o man el espec o sola ( adiación global, di ec a y di usa) es esencial. En la
bibliog a ía exis en di e en es modelos, pe o no ocu e lo mismo con da os expe imen ales, y es que
el uso de espec o adióme os pa a aplicaciones o o ol aicas no es á muy ex endido. Las
in aes uc u as del g upo de in es igación Te modinámica y Ene gías Reno ables (GTER, TEP-122)
de la Uni e sidad de Se illa dispone de la capacidad de medi es as componen es de la adiación,
an o en su o ma absolu a como espec al, lo que ha sido un aspec o cla e pa a la ealización de
es e es udio de in es igación.
iii
Abs ac
The wo k p esen ed has ocused on analysing he impac o adia ion ea men om an absolu e o
spec al poin o iew. Fu he mo e, based on his knowledge, s udies ha e been ca ied ou on he
in oduc ion o pho onic elemen s in con en ional pho o ol aic de ices in o de o modi y he
spec um o sola adia ion wi h he aim o imp o ing he efficiency o he applica ion unde s udy.
Thus, heo e ical and expe imen al s udies ha e been ca ied ou conside ing one-dimensional
pho onic c ys als, luminescen coa ings and me allic mi o s o modi y ei he he in ensi y o he
spec um o he sola adia ion abso bed by he sola cell.
In gene al, i is obse ed ha spec al ea men p o ides be e esolu ion in he ene gy p edic ions
o pho o ol aic sys ems, a he same ime as i allows us o unde s and he sou ces o ene gy loss
and, he e o e, o p opose ac ions o imp o e hei design. This aspec is o cu en in e es in he
de elopmen o ag o ol aic sys ems, whe e he ype o soil is an essen ial pa ame e o es ima ing
he elec ical gene a ion on he ea ace o bi acial pho o ol aic modules.
Luminescen coa ings p o ide he abili y o abso b a ce ain spec um o sola adia ion and e-emi
his ene gy a diffe en wa eleng hs. This allows a be e ma ch be ween he ene gy o he inciden
sola spec um and he ene gy ha a sola cell is able o abso b, which is mainly limi ed by
he
bandgap
o he semiconduc o s used. Fu he mo e, his ene gy analysis ocused on luminescen
coa ings may be o in e es in o he ypes o applica ions such as, o example, in he oo s o
g eenhouses in o de o op imise he pho osyn he ic p ocesses o plan s.
On he o he hand, one-dimensional pho onic c ys als ac as a selec i e mi o o ce ain
wa eleng hs. Tha is, depending on hei design, hey can ac as a e lec o in one a ea o he
spec um while being anspa en o ano he . Thus, hei in eg a ion in pho o ol aic de ices offe s
imp o emen s in e ms o elimina ing sola adia ion a wa eleng hs ha canno be used o he
pho oelec ic effec bu penalise he pe o mance o he pho o ol aic de ice by gene a ing hea
inside i . Ano he applica ion s udied has consis ed o i s use as an in e media e elec ode in
pho o ol aic de ices wi h a andem s uc u e, as i offe s he dual unc ionali y o elec ical
conduc o and ligh beam sepa a o .
In all hese applica ions, knowledge o he spec al dis ibu ion o he diffe en componen s ha
make up he sola spec um (global, di ec and diffuse adia ion) is essen ial. Diffe en models exis
in he bibliog aphy, bu he same does no occu wi h expe imen al da a, and he use o
spec o adiome e s o pho o ol aic applica ions is no e y widesp ead. The in as uc u es o he
The modynamics and Renewable Ene gy Resea ch G oup (GTER, TEP-122) o he Uni e si y o Se ille
ha e he capaci y o measu e hese componen s o adia ion, bo h in hei absolu e and spec al
o m, which has been a key aspec o ca ying ou his esea ch s udy.
i
Índice
Ag adecimien os .................................................................................................................................................................. i
Resumen ................................................................................................................................................................................. ii
Abs ac .................................................................................................................................................................................. iii
Índice de igu as ................................................................................................................................................................. i
1. In oducción ..................................................................................................................................................................... 1
1.1 Espec o de la adiación ........................................................................................................................................ 1
1.2 Células o o ol aicas ............................................................................................................................................... 6
1.2.1 Fundamen os de las células o o ol aicas .............................................................................................. 6
1.2.2 Es udio espec al en las células FV ............................................................................................................ 8
1.3 Es uc u as o ónicas pa a modi ica la adiación sola ............................................................................. 9
1.3.1. Espejos ............................................................................................................................................................. 10
1.3.2. Ma e iales luminiscen es ........................................................................................................................... 11
1.3.3. C is ales o ónicos ........................................................................................................................................ 12
1.4 O as aplicaciones ................................................................................................................................................ 13
1.4.1. Ag o ol aica ................................................................................................................................................... 14
1.4.2. In e nade os .................................................................................................................................................. 14
2. Obje i os ......................................................................................................................................................................... 16
3. Me odología .................................................................................................................................................................. 17
3.1. Obje i o 1: Cuan i ica el balance de ene gía que se p oduce en un sis ema o o ol aico cuando
aumen a la in ensidad del espec o de la adiación sola . ............................................................................ 17
3.2. Obje i o 2: Cuan i ica el impac o que supone un a amien o espec al o absolu o de la
adiación sola en la es imación ene gé ica de un sis ema o o ol aico. ................................................ 18
3.3. Obje i o 3: De e mina las condiciones de la adiación sola espec al óp imas pa a maximiza
la abso ción po pa e de elemen os o ónicos luminiscen es. .................................................................. 19
3.4. Obje i o 4: Diseña un c is al o ónico unidimensional e in eg a lo en una célula sola con
es uc u a ándem pa a es ima la mejo a en la e iciencia........................................................................... 20
3.5. Obje i o 5: Cuan i ica la ene gía ansmi ida po un sis ema o ónico luminiscen e y es ima
la mejo a que supone su aplicación. .................................................................................................................... 21
3. Publicaciones ................................................................................................................................................................ 23
4. Resumen de los p incipales esul ados ............................................................................................................... 24
4.1 Obje i o 1: Cuan i ica el balance de ene gía que se p oduce en un sis ema o o ol aico cuando
aumen a la in ensidad del espec o de la adiación sola ............................................................................ 25
4.2 Obje i o 2: Cuan i ica el impac o que supone un a amien o espec al o absolu o de la
adiación sola en la es imación ene gé ica de un sis ema o o ol aico. ................................................ 30
4.3 De e mina las condiciones de la adiación sola espec al óp imas pa a maximiza la abso ción
po pa e de elemen os o ónicos luminiscen es. ........................................................................................... 35
4.4 Obje i o 4: Diseña un c is al o ónico unidimensional e in eg a lo en una célula sola con
es uc u a ándem pa a es ima la mejo a en la e iciencia........................................................................... 39
4.5 Obje i o 5: Cuan i ica la ene gía ansmi ida po un sis ema o ónico luminiscen e y es ima la
mejo a que supone su aplicación. ......................................................................................................................... 45
5. Conclusiones y líneas de u u o .............................................................................................................................. 49
Bibliog a ía .......................................................................................................................................................................... 51
i
Índice de igu as
Figu a 1: Espec o de la adiación en unción de la empe a u a del emiso [11]. ..................................... 2
Figu a 2: Espec os de la adiación sola ex e e es e y en la supe icie e es e. (Elabo ación
p opia) ..................................................................................................................................................................................... 3
Figu a 3: Rep esen ación de los ángulos de incidencia de la adiación sola en dis in as la i udes:
zona opical, la i udes medias y la i udes. ................................................................................................................ 5
Figu a 4: Rep esen ación de los componen es de una célula FV y su uncionamien o al ecibi
adiación [20]. ....................................................................................................................................................................... 7
Figu a 5: Cu a IV con los p incipales pa áme os de una célula FV. (Elabo ación p opia) ..................... 7
Figu a 6: G á icos ob enidos a pa i del lími e de Shockley-Queisse en los que se ep esen a la
e iciencia máxima que puede alcanza una célula FV (a) y la na u aleza de sus pé didas (b)
dependiendo de su bandgap. [88] ............................................................................................................................... 8
Figu a 7: Respues as espec ales no malizadas de cua o ecnologías o o ol aicas (a-Si, c-Si, CdTe y
CIGS) sob eimp esionadas sob e el espec o de la adiación en la supe icie. (Elabo ación p opia) ... 9
Figu a 8: Rep esen ación de un sis ema FV de baja concen ación (a) y el e ec o que iene en el
espec o sola ecibido po el módulo FV (b). (Elabo ación p opia) .............................................................. 10
Figu a 9: Esquema de un concen ado sola luminiscen e y sus p incipales componen es. ............. 12
Figu a 10: Diag ama simpli icado de un c is al o ónico (a) y su e ec o en el espec o ansmi ido (b).
(Elabo ación p opia) ........................................................................................................................................................ 12
Figu a 11: Radiación o osin é icamen e ac i a del be aca o eno y clo o ila A y B sob eimp esionada
sob e es espec o de la adiación sola en la supe icie e es e. (Elabo ación p opia) ........................ 13
Figu a 12: Di e en es diseños de sis emas ag o ol aicos: a) los cul i os se colocan en e las ilas de
módulos FV pa a ob ene la máxima i adiancia; b) los cul i os ap o echan las condiciones de
somb a de los módulos o o ol aicos pa a mejo a sus condiciones de c ecimien o. ........................... 14
Figu a 13: a) Dibujo esquemá ico de los pa áme os geomé icos del espejo de diseño b) P o o ipo
del sis ema FV de baja concen ación ab icado pa a su pos e io es udio en condiciones eales de
ope ación. ........................................................................................................................................................................... 17
Figu a 14: a) plan a pilo o ag o ol aica en la Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Ag onómica
(ETSIA); b) con igu ación View Fac o s del sis ema ag o ol aico; c) es ación me eo ológica de la
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía (ETSI) ........................................................................................................ 19
Figu a 15: a) p o o ipo de concen ado sola luminiscen e; b) modelo óp ico con una dis ibución
iso ópica de dipolos luminiscen es y cap u a de la adiación sola di ec a y di usa. ............................. 20
ii
Figu a 16: a) es uc u a de la célula ándem con el c is al o ónico in eg ado como capa in e media
conduc o a; b) espec o sola modi icado pa a sin oniza el bandgap de las células sola es que
o man el disposi i o ándem. ..................................................................................................................................... 21
Figu a 17: P oceso de ab icación seguido pa a los diseños de los ilms luminiscen es pa a el
in e nade o. ....................................................................................................................................................................... 22
Figu a 18: Re lec i idad de dos espejos me álicos: uno de San Gobain (g is) y o o de Rioglass ( ojo).
................................................................................................................................................................................................ 25
Figu a 19: Dis ibución de la empe a u a modelada conside ando dos ipos de lámina pos e io en
el p o o ipo: id io (a,c) y aluminio (b,d), ambos bajo ac o de concen ación 1× y 2,2×. ................... 26
Figu a 20: G adien e de empe a u a simulado con (a) y sin (b) ac o de concen ación aplicado
(2,2×) cuando el p o o ipo se diseña con disipado es ale eados. .................................................................. 27
Figu a 21: Di e encia ela i a de empe a u a de los módulos o o ol aicos de cada p o o ipo
uncionando a Cx = 1× y Cx = 2,2×: a) c-Si (azul); b) CIGS id io- id io ( ojo); c) CIGS id io-aluminio
( e de). ................................................................................................................................................................................. 27
Figu a 22: Cu a I-V en condiciones ex e io es (2,2× y 1×) en compa ación con STC, pa a los
p o o ipos LCPV: a) c-Si; b) CIGS id io- id io; c) CIGS id io-aluminio. ....................................................... 28
Figu a 23: Po encia de salida en co ien e con inua moni o izada bajo condiciones eales de
concen ación conside ando di e en es ecnologías FV: a) c-Si, b) CIGS id io- id io, y c) CIGS id io-
aluminio. .............................................................................................................................................................................. 29
Figu a 24: a) A ay yield (a) y PR (b) de los es p o o ipos conside ados en condiciones de
concen ación 1x y 2,2x. ................................................................................................................................................ 29
Figu a 25: Geome ía del sis ema ag o ol aico pa a calcula los coe icien es del ac o de isión en
dos supe icies de longi udes in ini as. .................................................................................................................... 30
Figu a 26: I adiancia sola spec al medida pa a dos días di e en es: condiciones soleadas a) GHI, b)
DNI, c) DHI; y condiciones de u bidez d) GHI, e) DNI y ) DHI. ........................................................................ 31
Figu a 27: Valo es dia ios absolu os de GHI, DNI y DHI moni o eados du an e dos días di e en es:
cielo despejado (a) y día b umoso (b)....................................................................................................................... 32
Figu a 28: Coe icien e de diffusion (𝑘𝑘𝑘𝑘) calculado pa a un día cla o (a) y un día con calima (b). .... 32
Figu a 29: Re lec i idad espec al ca ac e izada como unción de la longi ud de onda y la ase del
ciclo de cul i o en e a di e en es ipos de suelo: lab ado seco, lab ado húmedo y compac o seco.
................................................................................................................................................................................................ 33
Figu a 30: Fo oco ien e gene ada en la pa e pos e io del módulo FV bi acial en unción del suelo
desnudo y somb eado y la supe icie del cul i o u ilizando da os de i adiancia espec al pa a unas
condiciones de cielo despejado (a) y calima (b). Relación de o oco ien e ase a y delan e a (ξ)
gene ada en condiciones de cielo despejado (c) y calima (d). ........................................................................ 34
Figu a 31: Compa ación de la elación de o oco ien e gene ada en la pa e delan e a y ase a del
módulo o o ol aico bi acial. ....................................................................................................................................... 35
1. In oducción
5
T as conoce los p ocesos de modi icación de la adiación que se p oducen en la a mós e a, queda
demos ada la in luencia que ienen las condiciones a mos é icas locales en el espec o sola , como
la concen ación de ae osoles, la humedad, la nubosidad y la al u a del sol en el cielo. Es e hecho se
ejempli ica en los casos que se exponen a con inuación (Figu a 3) [16]:
• Cielos despejados: en los días cla os, la adiación sola di ec a esul a dominan e y, aunque
una acción de la adiación UV y del in a ojo lejano es abso bida, el espec o sola que llega
a la supe icie se asemeja al espec o ex a e es e, pe o habiendo sido a enuado.
• Cielos nublados: la p esencia de nubes conlle a un aumen o de la adiación sola di usa, po
lo que el espec o que alcanza la supe icie p esen a una mayo p opo ción de longi udes de
onda la gas debido a la mayo dispe sión y e lexión de la adiación UV y isible.
• E ec os de la al i ud: una mayo al i ud se aduce en una meno a mós e a pa a abso be y
dispe sa la adiación sola , lo que da como esul ado un espec o sola aún más pa ecido al
ex a e es e.
• E ec os de la la i ud: en la i udes al as, la adiación eco e una dis ancia mayo a a és de la
a mós e a, lo que aumen a los p ocesos de dispe sión y abso ción, p incipalmen e en
longi udes de onda co as. Las a iaciones es acionales ambién a ec an en g an medida el
espec o que alcanza la supe icie e es e.
Figu a 3: Rep esen ación de los ángulos de incidencia de la adiación sola en dis in as la i udes: zona opical, la i udes
medias y la i udes.
Los enómenos de in e acción de la adiación y la a mós e a desc i os explican que po ejemplo en
egiones con al os ni eles de con aminación a mos é ica, como China, la p esencia de pa ículas
inas en el ai e y o os con aminan es indus iales engan un impac o signi ica i o en la e iciencia de
los sis emas o o ol aicos. Es os con aminan es ienden a acumula se sob e los módulos
o o ol aicos, educiendo la can idad de luz sola di ec a que llega a las células o o ol aicas, lo que
disminuye su endimien o. Además, la polución puede modi ica la calidad espec al de la luz sola ,
cambiando la adiación ú il que los paneles pueden con e i en elec icidad. In es igaciones como
las de Song e al. [17] han mos ado que la deposición de pol o y con aminan es en las supe icies
de los paneles puede educi la e iciencia de con e sión de ene gía sola has a en un 30%,
dependiendo de la densidad de la con aminación. Los e ec os de la polución ambién pueden causa
una deg adación más ápida de los ma e iales del panel, lo que aco a la ida ú il de los sis emas
o o ol aicos [18].
De la misma mane a, el pol o en suspensión de las zonas desie as ambién a ec a a la p oducción
o o ol aica. En egiones a ec adas po o men as de pol o, como á eas ce canas a desie os, la
acumulación de pa ículas de a ena y pol o sob e los módulos o o ol aicos puede al e a la
adiación sola que llega a los módulos o o ol aicos. Es as pa ículas no solo educen la can idad de
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
6
luz di ec a que alcanza los módulos o o ol aicos, sino que ambién modi ican el espec o sola al
dispe sa la luz, a ec ando p incipalmen e las longi udes de onda del espec o isible y ce cano al
in a ojo. Según es udios como el de Saidan e al. [19], el pol o del desie o puede educi la
e iciencia de los paneles sola es en e un 20% y un 40%, dependiendo de la in ensidad de las
o men as y la acumulación de pol o. Además, el pol o puede causa e ec os ab asi os en las
supe icies de los paneles, lo que pod ía aumen a el desgas e y la necesidad de limpieza ecuen e.
Es e enómeno es especialmen e c í ico en zonas de ápido c ecimien o económico como el Medio
O ien e y el no e de Á ica, donde el uso de ene gía sola o o ol aica es á en expansión, y la limpieza
egula de los paneles esul a en un desa ío logís ico y económico signi ica i o.
Como se ha expues o en es e capí ulo, los p ocesos que ienen luga en e la adiación sola y la
a mós e a e es e ienen un impac o signi ica i o en el espec o obse able desde la supe icie.
Dichos p ocesos modi ican la ene gía disponible y su dis ibución lo la go del espec o
elec omagné ico. Po es a azón, es undamen al ca ac e iza y u iliza da os espec ales, no solo
po la comp ensión de los p ocesos climá icos que ienen luga en la Tie a, sino ambién pa a el
diseño y desa ollo de aplicaciones como la ecnología FV, que dependen di ec amen e de un
ap o echamien o e icien e de la adiación sola en di e sas de condiciones a mos é icas.
1.2 Células o o ol aicas
Las células o o ol aicas son disposi i os capaces de con e i di ec amen e pa e de la ene gía de
la adiación sola en elec icidad a a és del e ec o o o ol aico. Es e enómeno se basa en la
capacidad que ienen cie os ma e iales semiconduc o es pa a gene a una co ien e eléc ica al se
expues os a la luz [4]. La ecnología se ha con e ido en uno de los p incipales sis emas de ene gía
sos enible desempeñado un papel c ucial en la ansición ecológica que se es á lle ando a cabo a
ni el mundial. A con inuación, se desc iben los p incipios undamen ales de es a ecnología.
1.2.1 Fundamen os de las células o o ol aicas
El e ec o o o ol aico ocu e en una unión p-n o mada po dos egiones de ma e iales
semiconduc o es con di e en e dopado: una egión ipo-n con exceso de elec ones y o a egión
ipo-p con exceso de huecos. De o ma esumida, el p oceso de gene ación de elec icidad consis e
en (Figu a 4):
a. La adiación sola es á o mada po una dis ibución de o ones de di e en es ene gías, que
cuando inciden sob e el ma e ial semiconduc o , algunos son abso bidos, lo cual depende
del ancho de banda p ohibida ca ac e ís ico del semiconduc o empleado.
b. Los o ones abso bidos ansmi en su ene gía a los elec ones del semiconduc o ,
apo ándoles ene gía su icien e pa a p omociona desde la banda de alencia has a la banda
de conducción, donde los elec ones son lib es pa a mo e se.
c. Cuando el elec ón exci ado ha sido capaz de p omociona a la banda de conducción del
semiconduc o , ambién se ha c eado un hueco en la es uc u a c is alina. Es deci , la
in e acción del o ón abso bido con la ma e ia se dice que ha gene ado un pa elec ón-
hueco.
d. Pa a que los elec ones gene ados sean ú iles pa a gene a elec icidad, deben mo e se
hacia un elec odo donde son ex aídos del disposi i o o o ol aico. En una célula
o o ol aica, es e p oceso de sepa ación de ca gas se ealiza po la p esencia de la unión p-
1. In oducción
7
n. Dado el dopado di e en e de los semiconduc o es, se c ea en su in e ase un campo
eléc ico in e no, que es el esponsable de sepa a los pa es elec ón-hueco.
e. El campo eléc ico c eado po la unión p-n impulsa a los elec ones hacia el elec odo
nega i o (cá odo) y a los huecos hacia el elec odo posi i o (ánodo). Es o c ea una co ien e
eléc ica, que luye a a és de un ci cui o ex e no si se conec a a un disposi i o de ca ga,
como una ba e ía o un equipo eléc ico, p opo cionando así ene gía ú il. Po el con a io,
cuando los elec ones y huecos no son capaces de llega al elec odo po que po el camino
encuen an o a ca ga de signo con a io, se ecombinan y se p oduce una pé dida de
e iciencia. Además, es os p ocesos de ecombinación ienen asociado una libe ación de
ene gía en o ma de calo , que ampoco bene icia al endimien o de la célula sola .
Figu a 4: Rep esen ación de los componen es de una célula FV y su uncionamien o al ecibi adiación [20].
Pa a e alua el endimien o de una célula o o ol aica, se u ilizan pa áme os undamen ales pa a
cuan i ica su capacidad de gene a elec icidad (Figu a 5). La e iciencia mide la p opo ción de
po encia eléc ica gene ada espec o a la i adiancia sola inciden e. La in ensidad de co oci cui o
(𝐼𝐼𝑠𝑠𝑐𝑐) ep esen a la co ien e cuando los e minales de la célula es án en co oci cui o, indicando la
can idad de po ado es gene ados. La ensión de ci cui o abie o (𝑉𝑉𝑜𝑜𝑐𝑐) es la ensión sin ca ga y se e
a ec ada nega i amen e po la ecombinación de po ado es. Finalmen e, el ac o de o ma (𝐹𝐹𝐹𝐹) es
la elación en e la po encia máxima y el p oduc o de (𝐼𝐼𝑠𝑠𝑐𝑐) y (𝑉𝑉𝑜𝑜𝑐𝑐), lo que e leja la calidad de la célula.
Es e úl imo pa áme o apo a in o mación suplemen a ia sob e aspec os eléc icos de la célula sola ,
ales como la esis encia se ie y pa alela. La p ime a es á elacionada con la calidad eléc ica de los
semiconduc o es empleados, mien as que la segunda se e ie e a los con ac os eléc icos
empleados.
Figu a 5: Cu a IV con los p incipales pa áme os de una célula FV.
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
8
En elación con la e iciencia de las células, es necesa io comp ende el lími e de Shockley-Queisse
[21]. Es un alo eó ico con el que limi a la máxima e iciencia de con e sión de ene gía pa a células
o o ol aicas de unión simple, es ablecido pa a condiciones de iluminación es ánda (espec o
AM1.5 y empe a u a de 25 °C). A pa i de un análisis e modinámico, es os dos in es igado es
es ablecie on que el lími e de la e iciencia se si úa en 33,7% pa a un semiconduc o con una banda
p ohibida (
bandgap
) ce cana a 1.34 eV, lo que coincide con la egión óp ima del espec o sola
(Figu a 6). Véase a modo de ejemplo que, en el caso del silicio, uno de los semiconduc o es más
empleados ac ualmen e, cuyo
bandgap
se si úa en 1,1 eV, su lími e máximo de e iciencia se ía del
29%, cuando los alo es máximos expe imen ales lo si úan en 26,1% [22], es deci , que se es á a un
2,9% de alcanza su lími e de e iciencia a escala de labo a o io.
Figu a 6: G á icos ob enidos a pa i del lími e de Shockley-Queisse en los que se ep esen a la e iciencia máxima que
puede alcanza una célula FV (a) y la na u aleza de sus pé didas (b) dependiendo de su bandgap. [88]
Los ac o es ísicos de e minan es pa a el lími e de Shockley-Queisse son es (Figu a 6): la
abso ción, la gene ación y la ecombinación de los po ado es en el semiconduc o . En p ime luga ,
los o ones con ene gías meno es a la del
bandgap
del ma e ial no ienen la capacidad de exci a
elec ones desde la banda de alencia a la banda de conducción, po lo que a a iesan el ma e ial
sin se abso bidos ni con ibui a la gene ación de co ien e. En segundo luga , los o ones con
ene gías supe io es al
bandgap
, exci an a los elec ones has a ni eles supe io es de la banda de
conducción, pe o ese exceso de ene gía de disipa ápidamen e en o ma de calo debido al
enómeno de e malización. O a limi ación se co esponde a la ecombinación de los pa es elec ón-
hueco gene ados, ya que pa e de los elec ones exci ados no llegan al ci cui o ex e no,
ecombinándose an es de alcanza los con ac os me álicos y no gene ando co ien e.
Dada la imposibilidad de supe a el lími e de Shockley-Queisse en células de unión simple, el diseño
de células a anzadas de múl iples uniones y ecnologías de modi icación espec al busca di idi el
espec o sola en angos de ene gía adap ados a cada unión, de modo que se maximice la abso ción
y minimicen las pé didas de e malización. Es o pe mi e a los disposi i os de múl iples uniones
ace ca se y, en algunos casos, supe a el 40% de e iciencia bajo concen ación de luz sola ,
e idenciando que el lími e de Shockley-Queisse es una ba e a pa a celdas de unión simple, pe o
no es el lími e absolu o pa a la e iciencia en ene gía sola o o ol aica [23].
1.2.2 Es udio espec al en las células FV
An e io men e se ha e idenciado que la adiación sola no es abso bida en su o alidad po los
ma e iales semiconduc o es que se emplean en la ab icación de las células sola es. Es necesa io po
an o analiza el acople que hay en e ambos espec os: la adiación sola y la abso ción en la célula
sola .
Cada ecnología o o ol aica iene un
bandgap
, en unción de los ma e iales empleados en su
diseño, que de ine la can idad mínima de ene gía eque ida pa a que un o ón exci e un elec ón
1. In oducción
9
desde la banda de alencia a la banda de conducción, lo que indica que end án dis in os
compo amien os en e al espec o de la adiación.
La espues a espec al (𝑆𝑆𝑅𝑅) es el pa áme o ca ac e ís ico pa a e alua la e iciencia de una célula FV
en lo que se e ie e a la acción de la i adiancia en un de e minado in e alo de longi ud de onda
que incide sob e la celda FV y que se con ie e en co ien e eléc ica. Es dependien e de la longi ud
de onda y se elaciona con la e iciencia cuán ica (𝐸𝐸𝑄𝑄) de la siguien e mane a [24,25]:
𝑆𝑆𝑅𝑅(𝜆𝜆)= 𝐸𝐸𝜆𝜆
ℎ𝑐𝑐𝐸𝐸𝑄𝑄 [𝐸𝐸𝑐𝑐. 8]
donde 𝐸𝐸 es la ca ga del elec ón, 𝜆𝜆 es la longi ud de onda, ℎ es la cons an e de Planck y 𝑐𝑐 es la
elocidad de la luz. La e iciencia cuán ica es la elación en e en el núme o de po ado es
ecolec ados po la célula sola y el núme o de o ones de una de e minada ene gía que inciden
sob e ella. En la Figu a 7, se ep esen a la espues a espec al no malizada de a ias ecnologías
o o ol aicas, lo que ayuda a e alua qué po ciones del espec o se con ie en más e icazmen e en
elec icidad po el ma e ial FV, así como a iden i ica pé didas ene gé icas causadas po la no
abso ción de cie as longi udes de onda.
Figu a 7: Respues as espec ales no malizadas de cua o ecnologías o o ol aicas (a-Si, c-Si, CdTe y CIGS)
sob eimp esionadas sob e el espec o de la adiación en la supe icie.
Pa a las ecnologías o o ol aicas ep esen adas en la Figu a 7 se obse a como un denominado
común como a pa i de 1250 nm ap oximadamen e, ninguna de ellas abso be adiación sola . Po
an o, oda la ene gía del espec o sola po encima de es a longi ud de onda incide de o ma
nega i a en el endimien o o o ol aico po que sólo se in ie e en aumen a la empe a u a de la
célula sola . Po o o lado, el silicio amo o (a-Si) iene una espues a espec al más ajus ada con la
zona UV-VIS del espec o sola . Po o o lado, cuando se emplea silicio c is alino (c-Si) se p oduce un
ensanchamien o de la espues a espec al has a ap oximadamen e 1100 nm y el máximo de
abso ción cambia de 500 nm has a 800 nm. La e iciencia del c-Si es mayo que la del a-Si, lo cual, a
pa i de es os da os, es cohe en e con el análisis e modinámico de Shockley-Queisse . Hay que
des aca , además, el compo amien o de o os ma e iales de lámina delgada, como el CIGS, donde a
pesa de que los ma e iales semiconduc o es que emplea ienen espeso es dos ó denes de
magni ud in e io es al c-Si, ienen una espues a espec al simila al c-Si. La abso ción óp ica
depende an o del espeso empleado como de la selección del ma e ial.
1.3 Es uc u as o ónicas pa a modi ica la adiación sola
Mejo a el ap o echamien o de la adiación sola pa a maximiza la ene gía eléc ica desde uen es
eno ables o o ol aicas es un obje i o que se iene desa ollando desde las úl imas décadas. Una
es a egia es, como se ha pues o de mani ies o en las secciones an e io es, la búsqueda de di e en es
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
10
semiconduc o es con dis in as ca ac e ís icas óp icas, op imización de sus espeso es, e c. lo que ha
pe mi ido gene a un abanico de di e en es ecnologías o o ol aicas. Todas ellas compa en su
in e és po aumen a su e iciencia y educi cos es de ab icación [26,27]. Una es a egia di e en e
pe o complemen a ia es la que se p opone en es a Tesis Doc o al, consis en e en modi ica el
espec o de la adiación sola a pa i de la in eg ación en el disposi i o o o ol aico de es uc u as
o ónicas. Pa a el diseño óp imo de es as es uc u as o ónicas y asegu a su co ec o acople óp ico
con la célula sola , es undamen al el conocimien o espec al de la adiación sola .
Además, la in eg ación de es uc u as o ónicas como una en ol en e ex e na a la célula sola apo a
una se ie de en ajas ecnológicas y come ciales: (a) son compa ibles con las di e en es ecnologías
o o ol aicas; (b) no equie en la modi icación del p oceso de ab icación de la célula sola ; (c)
pe mi en op imiza células sola es de ecnologías obus as en el me cado como po ejemplo el c-Si
minimizando iesgos en el p oyec o come cial del sis ema o o ol aico; (d) son áciles de ajus a a las
condiciones climá icas donde se implemen e el sis ema o o ol aico.
Pa a consegui los obje i os desc i os, la en aja de es as es uc u as o ónicas es que p oducen la
modi icación del espec o a a és de ma e iales que in e ac úan con la adiación sola an es de
alcanza la supe icie de las células [28]. A con inuación, se p esen an algunos ejemplos de
elemen os modi icado es de la adiación, cada uno de los cuales emplea p incipios ísicos especí icos
con el in de mejo a la e iciencia de los sis emas.
1.3.1. Espejos
El uso de espejos in eg ados en los módulos o o ol aicos pe mi e la concen ación de la adiación
en la célula sola [29,30], lo que conlle a un aumen o de la in ensidad de la i adiancia y, po an o,
de la ene gía que es posible con e i en elec icidad. El uncionamien o de los espejos adica en la
e lexión especula , que pe mi e e leja la adiación di ec a hacia la célula sola , (Figu a 8). Es os
elemen os se e is en de ma e iales e lec an es, como el aluminio o pla a, que p opo cionan una
al a e lec i idad en el ango del espec o isible e in a ojo ce cano [31]. Dado que la e lec i idad
de los espejos me álicos es al a (ap ox. 98%) y cons an e en odo el espec o de longi udes de onda
ú il pa a la abso ción en las células sola es, la espues a óp ica que p oduce es e elemen o óp ico es
un desplazamien o en in ensidad del espec o de adiación o iginal (Figu a 8b). Es e
desplazamien o es p opo cional a la con igu ación geomé ica del espejo espec o al módulo
o o ol aico, consiguiendo alo es ípicos en e 1.5x y 2.5x con espejos planos, y has a 10x con
espejos pa aboloides [32].
Figu a 8: Rep esen ación de un sis ema FV de baja concen ación (a) y el e ec o que iene en el espec o sola ecibido po
el módulo FV (b).
Sin emba go, el uso de la concen ación sola iene como consecuencia ad e sa una mayo
in ensidad del espec o IR en el módulo o o ol aico, lo que se aduce en una empe a u a ele ada
1. In oducción
11
en el disposi i o. Po es a azón, en es os sis emas es común la u ilización de sis emas pa a disipa el
calo y e i a así las pé didas ene gé icas debidas al sob ecalen amien o [33,34]. Además, dado que
sólo se consigue concen a la adiación di ec a, es necesa io u iliza un sis ema de seguimien o que
man enga alineados a los espejos con el Sol.
Se han publicado nume osos abajos en los que se discu e el diseño y análisis de sis emas LCPV con
dis in os elemen os de concen ación. Famoso e al. desa olla on un p o o ipo con módulos c-Si y
un sis ema de concen ación basado en conos uncados de plás ico cubie os con una película
me álica pa a e leja la adiación di ec amen e sob e la base de las len es donde se ins ala on las
células sola es [35]. Su es udió concluyó que el
Pe o mance Ra io
(PR) del sis ema LCPV supe aba al
de los sis emas FV de ángulo ijo, pa icula men e en egiones de la i udes con mayo es alo es de
i adiancia di ec a no mal (DNI). Saini e al. analiza on el diseño de un concen ado pa abólico
compues o in eg ado con un colec o é mico FV inco po ando a ias ecnologías de células sola es,
como silicio monoc is alino (c-Si), polic is alino (p-Si), silicio amo o (a-Si), elu o de cadmio (CdTe) y
seleniu o de cob e, indio y galio (CIGS) [36]. El abajo señaló que el concen ado p opues o
p oducía una luz no uni o me sob e las células sola es, lo que p o ocó pun os calien es en el módulo,
especialmen e en ángulos de incidencia ele ados. Adicionalmen e, Reis e al. modela on el
endimien o de sis emas LCPV u ilizando células sola es de silicio y e lec o es en V, que consis en en
dos espejos pa a alcanza un ac o de concen ación 2x [33].
1.3.2. Ma e iales luminiscen es
Una molécula luminiscen e es capaz de abso be adiación en un cie o in e alo de longi udes de
onda, y eemi i las en o ma de adiación con una ene gía di e en e. Po an o, el uso de ma e iales
luminiscen es pe mi e modi ica espec almen e la adiación sola [37,38]. Dependiendo del ipo de
molécula luminiscen e empleada se puede consegui que el espec o de abso ción y emisión se
modi ique, y así busca con la molécula o conjun o de moléculas adecuadas la sin onización de la
adiación sola con la espues a espec al de la célula sola . Incluso la combinación de di e en es
moléculas luminiscen es pe mi e amplia el espec o de abso ción o modi ica el espec o de
emisión pa a unas condiciones de diseño de e minadas [39].
En es os ma e iales puede p oduci se una con e sión descenden e o ascenden e. En la p ime a de
ellas, se abso ben o ones de al a ene gía y se eemi en en longi udes de onda de meno ene gía, lo
que puede esul a bene icioso si se abso ben o ones del ango UV y se emi en en el ango isible,
no solo pa a ajus a el espec o a la espues a espec al, sino ambién ayuda a disminui las pé didas
po e malización. Sin emba go, en en an desa íos en su e iciencia de con e sión. Po o o lado, en
la con e sión ascenden e, las moléculas luminiscen es abso ben o ones de meno ene gía y los
emi en con longi udes de onda meno es. Es o puede se ele an e en células con al os
bandgaps
, ya
que de o a mane a no se ía posible abso be los o ones de meno ene gía [40], pe o p esen an una
e iciencia cuán ica limi ada y equie en condiciones de i adiación al as pa a ac i a las.
La ab icación de es as es uc u as o ónicas consis e en embebe las moléculas luminiscen es en
una ma iz polimé ica, en cuyos ex emos se puede acopla las células sola es. De es e modo, la
adiación sola incide en la supe icie on al de la ma iz polimé ica; és a es abso bida po las
moléculas luminiscen es y emi ida en un espec o de adiación de meno ene gía. Los o ones
emi idos son guiados po la ma iz polimé ica po e lexión o al has a las células sola es si uadas en
los ex emos de los disposi i os [41]. Como se mues a en la Figu a 9, hay un ángulo c í ico o de
escape pa a el que, si el o ón emi ido po la molécula luminiscen e alcanza el id io con un ángulo
meno o igual a él, a a esa á el ma e ial y escapa á del disposi i o [42]. Dicho ángulo c í ico (
θc
) es
calculable g acias a la ley de Snell de la siguien e mane a:
𝜃𝜃𝑐𝑐=𝑠𝑠𝑠𝑠𝑛𝑛−1�𝑛𝑛2
𝑛𝑛1� [𝐸𝐸𝑐𝑐. 9]
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
12
donde 𝑛𝑛1 es el an i ión dieléc ico y 𝑛𝑛2 el medio ex e no. La ma iz polimé ica y el id io ienen un
índice de e acción simila (1,5) y el con as e con índice de e acción del ai e (1,0) de e mina el
ángulo c í ico que explica el guiado de luz has a el ex emo donde se si úa la célula sola .
Además del e ec o con e so del espec o sola , el uso de es os ma e iales luminiscen es iene la
en aja de p opo ciona un e ec o de concen ación de la adiación en la célula sola , dependiendo
de la elación en e la supe icie on al y el espeso de la ma iz polimé ica donde se si úa la célula
sola . Y a di e encia del e ec o de concen ación p oducido con espejos en la sección an e io , en es e
caso no hay necesidad de añadi elemen os mecánicos de seguimien o pues o que el ma e ial
luminiscen e es capaz de abso be an o la adiación di ec a como la di usa.
Figu a 9: Esquema de un concen ado sola luminiscen e y sus p incipales componen es.
1.3.3. C is ales o ónicos
El úl imo sis ema o ónico pa a modi ica el espec o de la adiación sola que se es udia en el
con ex o de es a Tesis Doc o al es el c is al o ónico. Es e disposi i o se basa en una es uc u a
pe iódica de ma e iales con al o con as e de índices de e acción, de o ma que se c ea un ancho
de banda a los o ones que abso be (pico de B agg) [43,44]. Es deci , se compo a como un espejo
con al a e lec i idad en un in e alo es echo de longi udes de onda, mien as que en el es o de
longi udes de onda iene un alo al o de ansmi ancia. Se pod ía deci que es un espejo selec i o
en longi udes de onda, al con a io que los espejos con encionales que e lejan en odas las
longi udes de onda. En la Figu a 10a se mues a un esquema simpli icado de un c is al o ónico y
en la Figu a 10b, un ejemplo del e ec o que puede ene el disposi i o en el espec o de la adiación
que lo a a iesa.
Figu a 10: Diag ama simpli icado de un c is al o ónico (a) y su e ec o en el espec o ansmi ido (b).
1. In oducción
13
En el diseño del c is al o ónico, se pueden ajus a las ca ac e ís icas del pico de B agg manipulando
el espeso y las p opiedades óp icas de la es uc u a mul icapa [45]. Las Ec. 10 y 11 mues an el
cálculo de la e lec i idad (R1DPC) y la ene gía del Pico de B agg cumpliendo la condición λ=4,
basada en p incipios óp icos [39]:
𝑅𝑅1𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷= 1 −4�𝑛𝑛1
𝑛𝑛2�𝑁𝑁= 1 −4�1−Δ𝑛𝑛
𝑛𝑛2�𝑁𝑁 [𝐸𝐸𝑐𝑐.10]
ΔE1𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷=4𝐸𝐸1𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷
𝜋𝜋𝑛𝑛2−𝑛𝑛1
𝑛𝑛2+𝑛𝑛1=4𝐸𝐸1𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷
𝜋𝜋Δ𝑛𝑛
2𝑛𝑛1+Δ𝑛𝑛 [𝐸𝐸𝑐𝑐.11]
donde 𝑛𝑛1 y 𝑛𝑛2 son los índices de e acción de los dos ma e iales apilados.
1.4 O as aplicaciones
Hoy en día es una ealidad la hib idación de sis emas o o ol aicos con o os desa ollos ecnológicos
como, po ejemplo, la ag icul u a [46]. Además, ambos sec o es compa en la adiación sola como
combus ible de sus p ocesos y ambién en ella se debe ealiza un análisis especí ico del e ec o que
iene el espec o de la adiación en los p ocesos o osin é icos. Po ello, pa a el desa ollo de
ecnologías que in eg en cul i os con la gene ación o o ol aica, como es el caso de los sis emas
ag o ol aicos, o en in e nade os, esul a undamen al comp ende el concep o de adiación
o osin é icamen e ac i a (PAR) [47].
La adiación o osin é icamen e ac i a se de ine como el ango del espec o sola que las plan as
u ilizan de mane a más e icien e en sus p ocesos o osin é icos, y aba ca longi udes de onda en e
los 400 y los 700 nm, aunque de o ma discon inua. Como se mues a en la Figu a 11, la abso ción
de la adiación de las plan as ocu e p edominan emen e en longi udes de onda azul (430–450 nm)
y oja (640–680 nm), mien as que las longi udes de onda del ango e de suelen e leja se, lo que
con ie e a las plan as su ca ac e ís ico colo e de [48]. El análisis de la PAR esul a undamen al a la
ho a de es udia la adiación sola aplicada an o a la ag icul u a como a los sis emas que in eg an
ecnologías FV en la p oducción ag ícola.
Figu a 11: Radiación o osin é icamen e ac i a del be aca o eno y clo o ila A y B sob eimp esionada sob e es espec o de
la adiación sola en la supe icie e es e.
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
14
1.4.1. Ag o ol aica
La ag o ol aica es una solución que in eg a la p oducción ag ícola y la gene ación de ene gía
o o ol aica en el mismo e eno. Fue concep ualizada po Adol Goe zbe ge y A min Zas ow en
1981 en el Ins i u o F aunho e [49]. En la ac ualidad se han desa ollado p oyec os pilo o en a ios
países, en los que se han demos ado an o bene icios económicos como medioambien ales [50].
La Figu a 12 ep esen a es e en oque en el que se u ilizan módulos o o ol aicos ins alados en
es uc u as ele adas pa a pe mi i el desa ollo de los cul i os debajo o en e las ilas de los paneles,
pudiendo llega a o ece bene icios mu uos en é minos p oduc i os an o de los cul i os como
ene gé icos [51]. Los p incipales bene icios de es os sis emas híb idos es án elacionados con la
op imización del uso de la ie a, la mi igación del es és híd ico, la educción de la e osión del suelo
y la gene ación de mayo es ing esos. Po o o lado, pa a a ianza el desa ollo a g an escala de la
ag o ol aica, es necesa io ealiza es udios espec ales en los cul i os, desa olla con igu aciones
óp imas pa a ambas aplicaciones, comp ende mejo la modi icación del mic oclima y desa olla
modelos económicos que e alúen odos los cos es y bene icios de los sis emas ag o ol aicos.
Figu a 12: Di e en es diseños de sis emas ag o ol aicos: a) los cul i os se colocan en e las ilas de módulos FV pa a ob ene
la máxima i adiancia; b) los cul i os ap o echan las condiciones de somb a de los módulos o o ol aicos pa a mejo a sus
condiciones de c ecimien o.
Según lo expues o an e io men e, las plan as abso ben p incipalmen e los angos azul y ojo del
espec o isible, mien as que los módulos o o ol aicos ienen la posibilidad de ap o echa o os
angos del espec o sin a ec a nega i amen e al c ecimien o de las plan as [52]. Exis en además
es udios [47,53] que concluyen que el e ec o de somb eado de los sis emas o o ol aicos conlle a
una mejo a en el mic oclima al ededo de las plan as, educiendo an o la empe a u a del suelo
como la e apo ación, hecho que esul a bene icioso en cul i os de zonas á idas o con al os ni eles
de adiación y minimizando las condiciones híd icas del cul i o [54].
1.4.2. In e nade os
Los in e nade os son es uc u as ce adas u ilizadas pa a c ea un mic oclima especí ico pa a los
cul i os en los que se modulan a iables ambien ales como la empe a u a, la humedad o la luz. Su
uso ep esen a uno de los mayo es consumos ene gé icos en la ag icul u a y la endencia ac ual lle a
al uso de écnicas de con ol é mico pasi as, como la en ilación na u al en luga de la en ilación
o zada [55].
Pa a log a un equilib io en e los cos es asociados a la ene gía p ima ia y la p oducción ag ícola,
p ime o es necesa io ga an iza un pe il de empe a u a es able y, en segundo luga , asegu a una
i adiación óp ima pa a los p ocesos o osin é icos. En cuan o al pe il de empe a u a, es el
pa áme o más es udiado en la li e a u a, ya que man ene una dis ibución de empe a u a
cons an e den o del ango óp imo es esencial pa a un buen c ecimien o de los cul i os [56,57,58] .
En los in e nade os, la i adiación en an e ue a del ango espec al de la PAR puede gene a e ec os
no deseados que eduzcan su endimien o: la adiación UV ce cana a ec a a la cobe u a del
in e nade o, a los cul i os e incluso al compo amien o de los polinizado es, mien as que g an pa e
de la in a oja ce cana pene a en los in e nade os y p o oca ca gas é micas [59]. En elación con
3. Me odología
21
Figu a 16: a) es uc u a de la célula ándem con el c is al o ónico in eg ado como capa in e media conduc o a; b) espec o
sola modi icado pa a sin oniza el
bandgap
de las células sola es que o man el disposi i o ándem.
3.5. Obje i o 5: Cuan i ica la ene gía ansmi ida po un sis ema o ónico
luminiscen e y es ima la mejo a que supone su aplicación.
• A escala labo a o io se ab ican p o o ipos con di e en es moléculas luminiscen es:
Lumogen Red 305, DCM y LDS, odos ellos con di e en es espec os de abso ción y emisión.
Pa a ello se sigue la misma secuencia expe imen al desc i a en la me odología del obje i o
3.
• Los p o o ipos son ca ac e izados a ni el óp ico empleando un luo íme o y una mesa
óp ica, al y como se desc iben en la me odología del obje i o 3.
• A escala pilo o, pa a ab ica la bobina lexible, p ime o se ealiza una g anza con los
ma e iales luminiscen es, a 140 ºC con el ilm plás ico (LDPE) y añadiendo como adi i o pa a
acili a la mezcla p-Xileno (Sigma Ald ich). Pos e io men e el p-Xileno se e i a po
des ilación y se ob ienen g anzas con di e en es composiciones en e 0 y 5% de composición
del luminiscen e. Pos e io men e las g anzas son some idas a un p oceso de ex usión con
un pe il de empe a u a de 90 ºC, 150 ºC, 180 ºC y 190 ºC mien as la base es agi ada a 300
pm. Finalmen e, el p oduc o es soplado pa a ob ene el ilm plás ico lexible con espeso de
10 µm y anchu a 250 mm. Se ab ican es ipos de bobinas con concen aciones de 100, 200
y 300 ppm, espec i amen e (Figu a 17).
• El c is al o ónico se diseña siguiendo el mé odo desc i o en el obje i o 4 y se ab ica po
deposición de magne ón
spu e ing
DC. Pa a ello, p ime o se hace acío has a 5x10-7 mba
pa a e i a con aminaciones en la cáma a de p oceso; a con inuación, se in oduce una
mezcla de A /O2 has a subi a la p esión de 2x10-3 mba , ac i ando el plasma con una uen e
DC. Las capas se deposi an secuencialmen e a pa i de unos blancos de TiO2 y SiO2:Al.
• La ca ac e ización de las capas delgadas que o man el c is al o ónico se ealiza median e
un pe ilóme o mecánico KLA Tenco model P6, y las p opiedades óp icas con el mismo
mon aje desc i o en la me odología del obje i o 3.
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
22
• Pa a la alidación expe imen al y es udia el impac o del p oduc o sob e el cul i o, se ins ala
un in e nade o con dos elemen os: uno que emplea el ilm plás ico adi i ado y un segundo
de con ol.
Figu a 17: P oceso de ab icación seguido pa a los diseños de los
ilms
luminiscen es pa a el in e nade o.
La Tesis se ha ealizado en un en o no mul idisciplina , con a ias colabo aciones de cen os ex e nos
a la Uni e sidad de Se illa (Idonial y Andal ech) además de o os depa amen os den o de ella como
el de Ingenie ía Ae ospacial y Mecánica de Fluidos, lo que ha pe mi ido la gene ación de
conocimien o en di e en es á eas como química, ísica, ciencia de ma e iales e ingenie ía, odo
además combinando aspec os de modelado y da os expe imen ales.
23
3. Publicaciones
La esis p esen ada en es e abajo se ha desa ollado en o ma de compendio de a ículos, en los
que se undamen a la in o mación expues a. En es a sección se expond á un esumen del abajo
lle ado a cabo en cada uno de los cinco a ículos. A con inuación, se incluye una lis a con los í ulos
y la in o mación p incipal ela i a a los a ículos publicados:
• M. Sánchez-Lanuza, I. Lillo-B a o, S. Mo eno-Teje a, J.L. Sancho Rod íguez, J.M. Delgado-
Sanchez, “Expe imen al CIGS echnology pe o mance unde low concen a ion
pho o ol aic condi ions”,
Jou nal o Cleane P oduc ion
(2024) 446, pp. 141384, doi:
10.1016/j.jclep o.2024.141384. D1 (24/358 En i onmen al Sciences) IF 9.70
• M. Sánchez-Lanuza, I. Lillo-B a o, G. Egea, J.M. Delgado-Sanchez, “Spec al i adiance, g ound
and c op dynamic e lec ance: Key de e minan s in p edic ing pho ocu en o ag o ol aic
sys ems”,
Ene gy Con e sion and Managemen
(2024), 312, pp. 118572, doi:
10.1016/j.enconman.2024.118572. D1 (3/170, Mechanics), IF 9.90
• M. Sánchez-Lanuza, I. Lillo-B a o, A. Menéndez-Velázquez, J.M. Delgado-Sanchez, “Diffuse
adia ion in luence on he pe o mance o luminescen sola concen a o s”,
Sola Ene gy
Ma e ials and Sola Cells,
(2024), 276, pp. 113073, doi: 10.1016/j.solma .2024.113073. Q1
(29/179, Applied Physics), IF 6.30
• M. Sánchez-Lanuza, I. Lillo-B a o, J.A. López-Ál a ez, J.M. Delgado-Sanchez, “Pho onic C ys al
Beam Spli e Elec ode in Kes e i e Tandem Sola Cells: A Nume ical App oach”,
Physica
S a us Solidi A
, (2024),
221(9), pp. 2300734, doi: 10.1002/pssa.202300734. Q3 (117/179
Applied Physics) IF 1.90
• M. Sánchez-Lanuza, A. Menéndez-Velázquez, A. Peñas-Sanjuan, F.J. Na as-Ma os, I. Lillo-
B a o, J.M. Delgado-Sánchez, “Ad anced Pho onic Thin Films o Sola I adia ion Tuneabili y
O ien ed o G eenhouse Applica ions”,
Ma e ials
(2021), 14(9), pp. 2357, doi:
10.3390/ma14092357. Q1 (18/79, Me allu gy & Me allu gical Enginee ing), IF 3.7480
24
4. Resumen de los p incipales esul ados
La in es igación lle ada a cabo se ha cen ado en p o undiza en el conocimien o de aplicaciones
o o ol aicas a pa i del a amien o espec al de la adiación, que o ece más opo unidades de
ap o echamien o del ecu so sola que en un análisis clásico con alo es absolu os. Sólo con es e
ipo de a amien o espec al es cuando se pe mi e op imiza los disposi i os o o ol aicos a pa i
de conside a es uc u as o ónicas anexas o in e p e a adecuadamen e la in e acción adiación-
ma e ia pa a p edeci la gene ación eléc ica con mejo esolución. A pa i de es e es udio se han
publicado cinco abajos en e is as cien í icas indexadas en JCR, cuyos esul ados se esumen a
con inuación en línea con los obje i os plan eados an e io men e.
El abajo i ulado “
Expe imen al CIGS echnology pe o mance unde low concen a ion
pho o ol aic condi ions”
analiza el e ec o que iene sob e un módulo o o ol aico la modi icación
del espec o sola en cuan o a su in ensidad. Pa a ello, se ha diseñado un sis ema o o ol aico de
concen ación 2.2x a pa i del uso de espejos planos me álicos en con igu ación V (Figu a 13). En
dicho es udio se obse ó que la po encia eléc ica gene ada po los módulos o o ol aicos e a
supe io en el caso de concen ación, pe o no de o ma lineal con la adiación sola concen ada. La
causa de dicha pé dida de e iciencia se explica en base al aumen o de empe a u a del módulo
o o ol aico. Comp ende la causa aíz de es a pé dida ene gé ica equie e un conocimien o
espec al de la adiación sola , siendo insu icien e un análisis ene gé ico con alo es absolu os.
El siguien e abajo donde se han publicado esul ados de es a Tesis Doc o al se i ula “
Spec al
i adiance, g ound and c op dynamic e lec ance: Key de e minan s in p edic ing pho ocu en o
ag o ol aic Sys ems”
. En dicho es udio se con inua la hipó esis an e io de la necesidad de un
a amien o espec al del ecu so sola . Conc e amen e, se ha empleado como escena io un sis ema
ag o ol aico bi acial (Figu a 14), donde se analiza la o oco ien e gene ada en el módulo
o o ol aico en unción de las p opiedades óp icas del suelo: cobe u a ie a-plan a, p opiedades
óp icas dinámicas de la plan a du an e su c ecimien o, ipo de días de ope ación con di e en es
componen es de adiación, e c. En es e es udio se ealiza una compa a i a de la o oco ien e
gene ada po el módulo o o ol aico bi acial a pa i de conside a da os absolu os y espec ales,
comp obado que los segundos apo an un alo más p óximo a la ealidad.
El conocimien o del a amien o espec al de la adiación sola en sus dis in as componen es di ec a
y di usa p opo ciona un conocimien o más de allado de como modi ica el ecu so sola de acue do
a la espues a espec al de los disposi i os o o ol aicos. En es a línea, se ha publicado el abajo
i ulado “
Diffuse adia ion in luence on he pe o mance o luminescen sola concen a o s
” donde
se abo da pa a es e in el uso de ma e iales luminiscen es. Es e ipo de disposi i os son conocidos
desde 1970, si bien no se había es udiado has a aho a cuál e a su e iciencia en la abso ción de la
adiación dependiendo de su ca ác e di ec o o di uso. Sabiendo que las moléculas luminiscen es
ienen una es uc u a que pe mi e simula las como dipolos eléc icos, y que su dis ibución angula
es iso ópica, se ha desa ollado un modelo que analice la in e acción de la adiación con es as
moléculas y es ime cuales son las condiciones de ope ación más a o ables (Figu a 15). Dicho
modelo ha sido además alidado con da os expe imen ales, donde se comp ueba que es e ipo de
es uc u a o ónica es más e icien e en la abso ción de la adiación cuando ope an en condiciones
de adiación con componen e di usa p edominan e. De nue o se obse a que an o pa a el
desa ollo del modelo eó ico como pa a la alidación expe imen al es c ucial el a amien o
espec al de la adiación.
En la línea de la modi icación del espec o sola , se ha publicado un cua o abajo de in es igación
empleando o o ipo de es uc u as o ónicas basadas en el concep o de c is ales o ónicos
unidimensionales: “
Pho onic C ys al Beam Spli e Elec ode in Kes e i e Tandem Sola Cells: A
Nume ical App oach”
. Exis en nume osos abajos en la bibliog a ía abo dando eó icamen e diseño
4. Resumen de los p incipales esul ados
25
de células sola es ándem, pe o en la mayo ía de ellas asumen como hipó esis de abajo que la capa
in e media en e las células
op
and
bo om
de la es uc u a ándem es ideal, po la di icul ad de su
modelado. Así, en es e abajo se ha p opues o p o undiza en el impac o eléc ico (conexión 2T, 3T
y 4T) que iene dicha capa in e media, diseñándola con un c is al o ónico unidimensional pa a que
además desdoble el espec o sola y bene icie óp icamen e a cada una de las subcélulas en unción
de su espec i a espues a espec al (Figu a 16). De nue o, es equisi o pa a abo da es e es udio el
a amien o espec al del ecu so sola .
Po úl imo, la publicación i ulada “
Ad anced Pho onic Thin Films o Sola I adia ion Tuneabili y
O ien ed o G eenhouse Applica ion”
que se p esen a en el anexo de publicaciones de es a Tesis
Doc o al combina el conocimien o de las dos es uc u as o ónicas an e io es: ma e iales
luminiscen es y c is ales o ónicos unidimensionales. Los esul ados de es e abajo explican cómo
ambos sis emas son capaces de modi ica el ecu so sola en unción de la aplicación ene gé ica de
in e és, y que es de nue o imp escindible un conocimien o espec al del ecu so sola pa a consegui
el acoplamien o óp ico necesa io en e las capas de ma e iales in oluc adas en el disposi i o.
A con inuación, se p esen a un esumen de los esul ados más signi ica i os de cada uno de los
es udios an e io es, en línea con los obje i os especí icos de la Tesis Doc o al desc i os en el Capí ulo
2.
4.1 Obje i o 1: Cuan i ica el balance de ene gía que se p oduce en un sis ema
o o ol aico cuando aumen a la in ensidad del espec o de la adiación sola
Los esul ados de allados de es e obje i o se han publicado en el a ículo “
Expe imen al CIGS
echnology pe o mance unde low concen a ion pho o ol aic condi ions
” que se adjun a como
anexo. A con inuación, se p esen an los esul ados más des acados del es udio.
i. El obje i o de es e abajo es in es iga el compo amien o de un módulo o o ol aico
cuando se modi ica el espec o sola inciden e en su in ensidad de o ma ap oximadamen e
cons an e en odas las longi udes de onda.
ii. La modi icación en in ensidad del ecu so sola se ealiza ins alando en los módulos
o o ol aicos dos espejos me álicos en con igu ación V, lo cual p oduce una concen ación
geomé ica de 2.2x (Figu a 13). Se ca ac e iza la e lec ancia de a ios espejos me álicos de
di e en es ab ican es (Figu a 18), obse ando que sus p opiedades óp icas son simila es y
con alo es de e lec ancia supe io es al 95% y ap oximadamen e cons an es en el espec o
de longi udes de onda de in e és pa a el módulo o o ol aicos (450 a 1000 nm). Po mayo
disponibilidad de los ma e iales eque idos se seleccionan los espejos me álicos de Rioglass
pa a cons ui los p o o ipos.
Figu a 18: Re lec i idad de dos espejos me álicos: uno de San Gobain (g is) y o o de Rioglass ( ojo).
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
26
Desde el pun o de is a geomé ico, conside ando los pa áme os de los módulos FV y
u ilizando las Ec. 12 y 13, se de e mina on el ángulo (𝜃𝜃) y la al u a (L4) del espejo.
𝐶𝐶𝑚𝑚=𝑆𝑆3
𝑆𝑆1=𝐿𝐿3
𝐿𝐿1= 2.2𝑥𝑥⇒𝐿𝐿3= 2.2 · 𝐿𝐿1 [𝐸𝐸𝑐𝑐.12]
𝜃𝜃=𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠−1�𝐿𝐿2
𝐿𝐿4�=𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠−1�𝐿𝐿3−𝐿𝐿1
2𝐿𝐿4� [𝐸𝐸𝑐𝑐.13]
iii. Cada ecnología o o ol aica, en unción del ipo de semiconduc o empleado y los
espeso es de sus capas, iene una espues a é mica di e en e a la adiación sola , lo cual
iene un impac o di ec o en el p oceso de con e sión de la adiación sola en po encia
eléc ica [65]. Así, pa a amplia el conocimien o de es e es udio, se seleccionan dos
ecnologías o o ol aicas pa a los p o o ipos: silicio c is alino (c-Si) y lámina delgada CIGS.
i . O o aspec o que in luye en el balance ene gé ico y po an o en la empe a u a de equilib io
del disposi i o o o ol aico es el ipo de encapsulado del módulo o o ol aico [66]. Pa a
gene a da os que puedan pe mi i comp ende es e e ec o, los p o o ipos ensayados
disponen dis in os ipos de encapsulamien o: el c-Si iene un id io on al y una capa
polimé ica (Tedla ) en su pa e pos e io ; se usa un módulo o o ol aico de lámina delgada
CIGS con un encapsulamien o id io – id io, y un segundo módulo o o ol aico ambién de
lámina delgada con un encapsulamien o de id io – aluminio.
. Se ealiza una simulación en el p og ama NX 6.0 de Siemens PLM p ime o pa a es ima la
empe a u a de ope ación del disposi i o en condiciones de concen ación 2.2x (Figu a 19),
y pos e io men e pa a diseña unas ale as en la pa e pos e io del encapsulado de aluminio
con el in de se i de elemen o pasi o de disipación é mica (Figu a 20). La simulación
es ima un aumen o del 171% de la empe a u a del sis ema id io- id io cuando se some e
a una concen ación 2.2x de la adiación sola , y de un 145% de aumen o en el caso del
sis ema id io-aluminio. Es un esul ado p elimina , po an o, que el hecho de usa
elemen os me álicos con al a ansmisi idad é mica como ma e ial encapsulan e (aluminio
s id io) e ie e en una meno empe a u a de ope ación y, po an o, en meno es pé didas
en la po encia eléc ica gene ada. Además, la simulación é mica ambién es ima que la
empe a u a de ope ación del p o o ipo CIGS se educe signi ica i amen e cuando la ca a
pos e io del módulo o o ol aico dispone de unas pequeñas ale as disipado as, an o con
cómo sin concen ación sola .
Figu a 19: Dis ibución de la empe a u a modelada conside ando dos ipos de lámina pos e io en el p o o ipo: id io
(a,c) y aluminio (b,d), ambos bajo ac o de concen ación 1× y 2,2×.
i. Du an e la ase expe imen al, se e aluó la po encia eléc ica de los p o o ipos en unción de
la empe a u a ambien e y el ni el de i adiación sola . El sis ema cons aba de un seguido
sola de dos ejes que ga an izaba un ac o de concen ación de 2.2x. Los pa áme os
ambien ales se moni o iza on de mane a con inua, egis ando los alo es de i adiancia
di ec a no mal, i adiancia global, empe a u a ambien e y elocidad del ien o. En los
4. Resumen de los p incipales esul ados
27
alo es de empe a u a egis ados en los p o o ipos, se obse ó que la di e encia de
empe a u a ela i a en e las condiciones con y sin concen ación conco daba cla amen e
con el modelo de empe a u a de Sandia [67], el cual iene en cuen a ac o es como la
empe a u a ambien e, la elocidad del ien o, la i adiancia y el ipo de lámina pos e io
u ilizada. Es e ajus e es ácilmen e obse able, aunque en el caso del p o o ipo CIGS con
encapsulado id io-aluminio no ha sido posible hace la compa ación, ya que no se ha
some ido a alidación expe imen al el modelo.
Figu a 20: G adien e de empe a u a simulado con (a) y sin (b) ac o de concen ación aplicado (2,2×) cuando el p o o ipo
se diseña con disipado es ale eados.
En los p o o ipos p obados esul ó que la ecnología c-Si p esen aba la mayo di e encia
ela i a, con un aumen o medio del 32% en el ni el máximo de i adiancia. La célula CIGS
con encapsulado id io- id io ob u o alo es ce canos, con un aumen o medio del 27%,
mien as que el p o o ipo CIGS con encapsulado id io-aluminio p esen ó una di e encia
ela i a media en el pun o de máxima i adiancia del 17 % (Figu a 21), lo que e idencia que
la elección de los ma e iales de encapsulado desempeña un papel c ucial.
Figu a 21: Di e encia ela i a de empe a u a de los módulos o o ol aicos de cada p o o ipo uncionando a Cx = 1× y Cx
= 2,2×: a) c-Si (azul); b) CIGS id io- id io ( ojo); c) CIGS id io-aluminio ( e de).
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
28
ii. También se ca ac e iza on las cu as IV de los p o o ipos en condiciones de ope ación eales
y se compa a on con los alo es medidos po los ab ican es en condiciones es ánda de
labo a o io (AM 1.5G y 25 ºC). En es os esul ados (Figu a 22) se obse a una co elación
di ec a en e la co ien e de co oci cui o (𝐼𝐼𝑠𝑠𝑐𝑐) y la i adiancia inciden e, en odas las
ecnologías o o ol aicas ensayadas. Sin emba go, al examina la ensión de ci cui o abie o
(𝑉𝑉𝑜𝑜𝑐𝑐), se hace no able una cla a di e gencia en e los dis in os p o o ipos ensayados. Debido
al mayo coe icien e de pé dida po empe a u a del c-Si, es e p esen a la educción más
p onunciada en e a la o a ecnología. Sin emba go, ambién hubo di e gencias en e las
células CIGS, ya que el p o o ipo con encapsulado id io-aluminio exhibió una meno
educción de la 𝑉𝑉𝑜𝑜𝑐𝑐 en e a la id io- id io debido a su mejo desempeño en la ges ión
é mica inducido po el ipo de encapsulado ( id io – aluminio). Es o in luye di ec amen e
en la po encia eléc ica gene ada po los es p o o ipos, obse ándose en condiciones de
baja concen ación (2.2x) una mejo a del 86% en la célula c-Si en e a las mejo as del 103 y
113% en las células CIGS id io- id io y id io-aluminio espec i amen e, siendo la mejo a
eó ica de la célula en condiciones STC es imada en 120%.
Figu a 22: Cu a I-V en condiciones ex e io es (2,2× y 1×) en compa ación con STC, pa a los p o o ipos LCPV: a) c-Si; b) CIGS
id io- id io; c) CIGS id io-aluminio.
iii. Pa a e alua el endimien o del sis ema LCPV, se empleó el modelo p opues o po Huld e al.
[68], ecogido en las Ec. 14 y 15, en el que se obse a una sólida alineación en e las
p edicciones del modelo y los esul ados expe imen ales.
𝑃𝑃(𝐺𝐺,𝑇𝑇𝑚𝑚𝑜𝑜𝑑𝑑)=𝑃𝑃𝑆𝑆𝑇𝑇𝐷𝐷·𝐺𝐺
𝐺𝐺𝑆𝑆𝑇𝑇𝐷𝐷·𝜂𝜂𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟(𝐺𝐺′,𝑇𝑇′) [𝐸𝐸𝑐𝑐.14]
𝜂𝜂𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟(𝐺𝐺′,𝑇𝑇′)= 1 + 𝑘𝑘1𝐿𝐿𝑛𝑛𝐺𝐺′+𝑘𝑘2(𝐿𝐿𝑛𝑛𝐺𝐺′)2+𝑇𝑇′(𝑘𝑘3+𝑘𝑘4𝐿𝐿𝑛𝑛𝐺𝐺′+𝑘𝑘5(𝐿𝐿𝑛𝑛𝐺𝐺′)2)+𝑘𝑘6𝑇𝑇′2 [𝐸𝐸𝑐𝑐.15]
El modelo de Huld, ep esen ado po los pun os neg os en la Figu a 23 es ima las pé didas
esul an es en compa ación con las condiciones es ánda de e e encia, la cual se ep esen a
con pun os e des. Al compa a los da os expe imen ales con los de e e encia, debido a la
educción en la 𝑉𝑉𝑜𝑜𝑐𝑐 el p o o ipo c-Si p esen a las pé didas medias de po encia más ele adas
(34%) en el ni el de i adiancia máximo. Dicho p o o ipo es seguido po el CIGS id io- id io
(29%) y po el CIGS id io-aluminio (20%).
4. Resumen de los p incipales esul ados
29
Figu a 23: Po encia de salida en co ien e con inua moni o izada bajo condiciones eales de concen ación conside ando
di e en es ecnologías FV: a) c-Si, b) CIGS id io- id io, y c) CIGS id io-aluminio.
ix. Po úl imo, pa a ca ac e iza el endimien o global de los sis emas LCPV, ambién se
calcula on los pa áme os
A ay Yield
(Y ) y
Pe o mance a io
(PR) según las Ec. 16 y 17, con
los que se puede no maliza la p oducción de ene gía en elación con la capacidad del
sis ema y cuan i ica las pé didas de los sis emas, espec i amen e [69].
𝑌𝑌𝑓𝑓=𝐸𝐸𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜
𝑃𝑃0 [𝐸𝐸𝑐𝑐.16]
𝑃𝑃𝑅𝑅=𝐸𝐸𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜
𝑃𝑃0
𝐺𝐺𝐷𝐷𝑃𝑃𝑃𝑃
𝐺𝐺𝑆𝑆𝑇𝑇𝐷𝐷
[𝐸𝐸𝑐𝑐.17]
Es os pa áme os e elan que, al abaja en condiciones de concen ación, el 𝑌𝑌𝑓𝑓 aumen a
signi ica i amen e en el p o o ipo CIGS id io-aluminio (74%) mien as que en el c-Si y el
CIGS id io- id io sus mejo as son del 59% y el 62 % espec i amen e, a ibuibles a la ges ión
del calo (Figu a 24). En cuan o al PR, p esen a alo es meno es en condiciones de
concen ación, obse ándose las pé didas más signi ica i as en el p o o ipo con la célula c-
Si (11%) en e al CIGS con encapsulado id io-aluminio, que uel e a p esen a las meno es
pé didas (3%).
Figu a 24: a)
A ay yield
(a) y
PR
(b) de los es p o o ipos conside ados en condiciones de concen ación 1x y 2,2x.
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
30
4.2 Obje i o 2: Cuan i ica el impac o que supone un a amien o espec al o
absolu o de la adiación sola en la es imación ene gé ica de un sis ema
o o ol aico.
Los esul ados de allados de es e obje i o se han publicado en el a ículo “
Spec al i adiance,
g ound and c op dynamic e lec ance: Key de e minan s in p edic ing pho ocu en o ag o ol aic
sys ems
” que se adjun a como anexo. A con inuación, se p esen an los esul ados más des acados
del es udio.
i. El es udio conside a un sis ema o o ol aico bi acial hib idado con un cul i o (ag o ol aica),
con el obje o de es ima la o oco ien e gene ada po ambas ca as ac i as del módulo
o o ol aico bi acial, en unción de las condiciones de ope ación del sis ema ( ipo de suelo,
ipo de cul i o, ipo de adiación sola , e c). El análisis se ha á empleando da os absolu os y
da os espec ales pa a compa a los esul ados en cada caso y el o mulismo ma emá ico
basado en
View Fac o s
, eo ía inicialmen e desa ollada pa a simula p oblemas de
ans e encia de calo po adiación [70].
Siguiendo el modelo Appelbaum y la eo ía del ac o de isión, que se de ine como la
acción del lujo de calo adia i o que sale de la supe icie A e incide en la supe icie B, se
calcula la i adiancia en la ca a ase a (𝐺𝐺𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚𝑟𝑟), según la Ec. 19 [71].
𝐺𝐺𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚𝑟𝑟=𝐺𝐺𝐷𝐷𝐼𝐼·�𝑅𝑅𝑔𝑔�𝐹𝐹𝑜𝑜,𝑔𝑔
𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚𝑟𝑟+𝐹𝐹𝑠𝑠,𝑔𝑔
𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚𝑟𝑟�+𝑅𝑅𝑐𝑐�𝐹𝐹𝑜𝑜,𝑐𝑐
𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚𝑟𝑟+𝐹𝐹𝑠𝑠,𝑐𝑐
𝑟𝑟𝑟𝑟𝑚𝑚𝑟𝑟��+𝐷𝐷𝐷𝐷𝐼𝐼�1 + 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐
2� [𝐸𝐸𝑐𝑐.19]
Pa a ello, es necesa io calcula an e io men e los
View Fac o s
, como se mues a en la Ec. 20
y se ejempli ica en la Figu a 25.
𝐹𝐹𝑠𝑠,𝑔𝑔=∑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠𝑒𝑒𝑘𝑘 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑛𝑛𝑠𝑠𝑠𝑠−∑𝑢𝑢𝑛𝑛𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠𝑒𝑒𝑘𝑘 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑛𝑛𝑠𝑠𝑠𝑠
2 · 𝑠𝑠𝑐𝑐𝑢𝑢𝑐𝑐𝑐𝑐𝑒𝑒 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑛𝑛𝑠𝑠 =𝐴𝐴𝐷𝐷+𝐵𝐵𝐸𝐸−𝐴𝐴𝐸𝐸−𝐵𝐵𝐷𝐷
2 · 𝐴𝐴𝐵𝐵 [𝐸𝐸𝑐𝑐.20]
Las coo denadas de los dis in os pun os de la Figu a 25 se inco po a on en un código Ma lab
con el que se desa olló el sis ema ag o ol aico comple o y que pe mi ió el cálculo de la
i adiancia sob e la supe icie pos e io del módulo en unción de la dis ancia al suelo o a los
cul i os, los coe icien es de albedo, el ángulo inciden e, la al u a del seguido , el núme o de
módulos ins alados y o os pa áme os ele an es.
Figu a 25: Geome ía del sis ema ag o ol aico pa a calcula los coe icien es del ac o de isión en dos supe icies de
longi udes in ini as.
ii. Pa a el es udio se de inen dos días ipo con si uaciones ad e sas en lo que e ie e a sus
componen es de la adiación sola : día “soleado” con p edominancia de su componen e
4. Resumen de los p incipales esul ados
37
𝑃𝑃𝑟𝑟𝑚𝑚=∫𝑘𝑘𝑑𝑑
2𝜋𝜋
0∫𝐼𝐼 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑛𝑛𝜃𝜃𝑘𝑘𝜃𝜃
𝜋𝜋−𝜃𝜃𝑐𝑐
𝜃𝜃𝑐𝑐
∫𝑘𝑘𝑑𝑑
2𝜋𝜋
0∫𝐼𝐼𝑘𝑘𝜃𝜃
𝜋𝜋
0=
2𝜋𝜋∫𝐼𝐼 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑛𝑛𝜃𝜃𝑘𝑘𝜃𝜃
𝜋𝜋−𝜃𝜃𝑐𝑐
𝜃𝜃𝑐𝑐4𝜋𝜋𝐼𝐼 =𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝜃𝜃𝑐𝑐=�1−�𝑛𝑛2
𝑛𝑛1�2 [𝐸𝐸𝑐𝑐.28]
Figu a 34: Dis ibución de p obabilidad de abso ción en unción de la ele ación sola .
i . Pa a gene aliza el modelo eó ico se emplean di e en es moléculas luminiscen es, pa a lo
cual es necesa io conoce y ca ac e iza su espec o de abso ción. En la Figu a 35 se p esen a
el espec o de abso ción expe imen al de cua o de los ipos de moléculas luminiscen es
más empleados en es e ipo de aplicaciones. Se obse a como el Lumogen yellow y el DCM
ienen un espec o de abso ción más di igido a cap u a la adiación UV, mien as que el
Lumogen ed y el PM650 p esen an un espec o de abso ción más cen ado en el VIS.
Figu a 35: Espec o de abso ción de cua o colo an es comúnmen e u ilizados en la ecnología LSC, inc us ados en PMMA.
. El modelo pa a es ima la p obabilidad de cap u a de adiación, conside ando di e en es
moléculas luminiscen es y di e en es condiciones de adiación (p edominancia de adiación
di ec a o di usa) se basa en las Ec. 29, 30 y 31. En la Tabla 3 se p esen an las p obabilidades
de abso ción de la adiación, dependiendo la molécula luminiscen e empleada y el ipo de
componen e de la adiación. El esul ado es que cuan o más alineado es é el espec o de
abso ción de la molécula luminiscen e con el espec o sola (Lumogen ed), y más condición
de di usa exis a en el ambien e, mayo es la p obabilidad de abso ción.
Γ𝐷𝐷𝑁𝑁𝐷𝐷(%)=∑[𝐼𝐼𝐷𝐷𝑁𝑁𝐷𝐷(𝜆𝜆,𝜃𝜃𝑡𝑡)·𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝜃𝜃𝑡𝑡]·�𝛼𝛼𝑑𝑑𝑑𝑑𝑟𝑟(𝜆𝜆)�
𝑡𝑡,𝜃𝜃∑𝐼𝐼𝐷𝐷𝑁𝑁𝐷𝐷(𝜆𝜆,𝜃𝜃)
𝜃𝜃×100 [𝐸𝐸𝑐𝑐.29]
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
38
Γ𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷(%)=∑[𝐼𝐼𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷(𝜆𝜆,𝜃𝜃𝑡𝑡)]·�𝛼𝛼𝑑𝑑𝑑𝑑𝑟𝑟(𝜆𝜆)�
𝑡𝑡,𝜃𝜃∑𝐼𝐼𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷(𝜆𝜆,𝜃𝜃)
𝜃𝜃×100 [𝐸𝐸𝑐𝑐.30]
Γ𝐺𝐺𝐷𝐷𝐷𝐷(%)=∑[𝐼𝐼𝐷𝐷𝑁𝑁𝐷𝐷(𝜆𝜆,𝜃𝜃𝑡𝑡)·𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝜃𝜃𝑡𝑡]·�𝛼𝛼𝑑𝑑𝑑𝑑𝑟𝑟(𝜆𝜆)�+∑[𝐼𝐼𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷(𝜆𝜆,𝜃𝜃𝑡𝑡)]·�𝛼𝛼𝑑𝑑𝑑𝑑𝑟𝑟(𝜆𝜆)�
𝑡𝑡,𝜃𝜃𝑡𝑡,𝜃𝜃∑𝐼𝐼𝐷𝐷𝑁𝑁𝐷𝐷(𝜆𝜆,𝜃𝜃)
𝜃𝜃+∑𝐼𝐼𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷(𝜆𝜆,𝜃𝜃)
𝜃𝜃×100 [𝐸𝐸𝑐𝑐.31]
Tabla 3: Abso ción ela i a del colo an e a la i adiancia sola en an e, en unción de los componen es de la i adiancia
sola , pa a un día de cielo soleado.
Colo an e 𝚪𝚪𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫(%)
𝚪𝚪𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫(%)
𝚪𝚪𝑮𝑮𝑫𝑫𝑫𝑫(%)
Lumogen Yellow 22 % 24 % 22 %
Lumogen Red 23 % 28 % 23 %
DCM 20 % 23 % 21 %
PM 650 21 % 23 % 22 %
i. El modelo se alida a pa i de unos da os expe imen ales que se egis an ab icando
p o o ipos que emplean Lumogen ed como molécula luminiscen e. Se moni o iza la
o oco ien e gene ada po el disposi i o en di e en es ipos de condiciones de adiación y
se compa an los esul ados con unos p o o ipos de con ol que ienen la misma geome ía,
pe o sin ma e ial luminiscen e (Figu a 36).
Figu a 36: Co ien e de co oci cui o no malizada del p o o ipo LSC en elación con una mues a de e e encia en un día
soleado.
En ella se obse a que, en un día soleado, la in ensidad moni o izada en el p o o ipo
luminiscen e es un 20% supe io a la de los de e e encia, aumen ando signi ica i amen e al
amanece y al a a dece , momen os en los que la acción di usa ambién gana peso.
En elación a lo an e io , en días con calima y nublados, donde la acción di usa es aún mayo ,
el aumen o de la o oco ien e se in ensi ica. En es os escena ios en los que la componen e
DHI iene un mayo peso y su na u aleza isó opa en la di ección de la luz sub aya que la
abso ción de o ones po los dipolos que cons i uyen los colo an es aumen a
signi ica i amen e debido a la alineación con su ambién dis ibución iso ópica den o del
4. Resumen de los p incipales esul ados
39
ma e ial an i ión. Es o con ie e a la o ien ación ela i a de los ma e iales luminiscen es
en e a la posición del sol en un pa áme o cla e en el análisis lle ado a cabo.
ii. Aunque ya se había epo ado que una de las en ajas de los concen ado es sola es
luminiscen es e a su capacidad pa a concen a la adiación sola en condiciones de
adiación di usa, en con a de los concen ado es geomé icos con encionales, es e ha sido
el p ime a ículo que ha desa ollado un o mulismo eó ico pa a explica el po qué de es a
en aja.
4.4 Obje i o 4: Diseña un c is al o ónico unidimensional e in eg a lo en una
célula sola con es uc u a ándem pa a es ima la mejo a en la e iciencia.
Los esul ados de allados de es e obje i o se han publicado en el a ículo “
Pho onic C ys al Beam
Spli e Elec ode in Kes e i e Tandem Sola Cells: A Nume ical App oach
” que se adjun a como
anexo. A con inuación, se p esen an los esul ados más des acados del es udio.
i. Pa a lle a a cabo es e abajo, p ime o ue necesa io diseña la es uc u a de las dos
con igu aciones de células ándem. En ambos casos, la subcélula supe io (
op
) es á o mada
po CZTS, cuyo
bandap
es de 1,45 eV, y la subcélula in e io (
bo om
) po CZTSSe, con un
bandgap de 1,096 eV. De es a mane a, el ango del espec o de meno longi ud de onda se á
abso bido po la capa supe io , mien as que la i adiancia de meno ene gía la abso be á la
capa in e io .
Es e p oceso de simulación pa a ob ene los pa áme os ca ac e ís icos de la cu a IV de la
célula se ealizó en el so wa e SCAPS [79]. Dicho p og ama pe mi e esol e numé icamen e
la ecuación de Poisson (Ec. 32) y las ecuaciones de con inuidad (Ec. 33 y 34) pa a los
po ado es de ca ga a pa i del mé odo de New on-Raphson.
En dicho en o no de simulación se in oduce la a qui ec u a de capas de cada célula, los
espeso es y sus p opiedades óp ica y elec ónicas (
bandgap
, coe icien e de abso ción,
densidad de po ado es, de ec os, e c.) (Tablas 4 y 5).
𝜕𝜕
𝜕𝜕𝑥𝑥�𝜀𝜀(𝑥𝑥)𝜕𝜕𝜕𝜕
𝜕𝜕𝑥𝑥�=−𝐸𝐸�𝑝𝑝(𝑥𝑥)−𝑛𝑛(𝑥𝑥) + 𝐷𝐷𝐷𝐷
+(𝑥𝑥)−𝐷𝐷𝑃𝑃−(𝑥𝑥) + 𝜌𝜌(𝑥𝑥)
𝐸𝐸� [𝐸𝐸𝑐𝑐.32]
−�1
𝐸𝐸�𝜕𝜕𝐽𝐽𝑜𝑜,𝑠𝑠
𝜕𝜕𝑥𝑥 −𝑅𝑅𝑜𝑜,𝑠𝑠(𝑥𝑥) + 𝐺𝐺=𝜕𝜕(𝑛𝑛,𝑝𝑝)
𝜕𝜕𝑠𝑠 [𝐸𝐸𝑐𝑐.33]
𝐽𝐽𝑜𝑜,𝑠𝑠=−𝜇𝜇𝑜𝑜,𝑠𝑠(𝑛𝑛,𝑝𝑝)
𝐸𝐸𝜕𝜕𝐸𝐸𝐹𝐹𝑜𝑜,𝑠𝑠
𝜕𝜕𝑥𝑥 [𝐸𝐸𝑐𝑐.34]
donde 𝐽𝐽𝑜𝑜,𝑠𝑠 se e ie e a la densidad de co ien e de elec ones/huecos, 𝑅𝑅𝑜𝑜,𝑠𝑠(𝑥𝑥) ep esen a la
asa de ecombinación de elec ones/huecos, 𝐺𝐺 ep esen a la asa de gene ación, 𝜀𝜀 es la
pe mi i idad, 𝐸𝐸 es la ca ga de elec ones, 𝜕𝜕 es el po encial elec os á ico, 𝜌𝜌(𝑥𝑥) es la densidad
de ca ga, y 𝐷𝐷𝐷𝐷
+(𝑥𝑥) y 𝐷𝐷𝑃𝑃−(𝑥𝑥) ep esen an la densidad de concen ación de donan es y
acep o es ionizados jun o con la capa de espeso .
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
40
Tabla 4: Conjun o de pa áme os pa a la simulación de las es uc u as de las células sola es.
Pa áme o TCO ZnO CdS CZTS CZTSSe
Espeso (nm) 450 50 50 a iable a iable
Banda p ohibida (eV) 3.3 3.3 2.4 1.45 1.09
A inidad elec ónica (eV) 4.6 4.6 4.5 4.3 4.1
Pe mi i idad dieléc ica 7.8 7.8 8 10 13.6
Masa e ec i a del elec ón 0.275 0.275 0.28 0.18
Masa e ec i a del hueco 0.59 0.59 0.70 0.71
Densidad e ec i a de es ados en la
banda de conducción (cm
-3
)
3.6×1018 3.6×1018 1.8×1018 2.2×1018 2.2×1018
Densidad e ec i a de es ados en la
banda de alencia (cm
-3
)
1.1×1019 1.1×1019 2.2×1019 1.8×1019 1.8×1019
Mo ilidad de elec ones (cm2/Vs) 150 150 160 100 100
Mo ilidad de huecos (cm2/Vs) 25 25 50 44 44
Concen ación donado es (cm-3) 5×1020 2×1017 2×1017 0 0
Concen ación acep o es (cm-3) 0 0 0 5×1016 2×1016
Tabla 5: Ca ac e ís icas de la con igu ación de de ec os u ilizada en SCAPS.
P opiedades de de ec os en el olumen
Densidad de de ec os (cm-2) 1.3×1014
Sección e icaz de cap u a de elec ones (cm-2) 1×10-13
Sección e icaz de cap u a de huecos (cm-2) 4×10-13
Dis ibución ene gé ica Única BC pa a donan es y BV pa a acep o es
P opiedades de de ec os en la in e az de ipo-n y ipo-p
Densidad de de ec os (cm-2) 1×1012
Sección e icaz de cap u a de elec ones (cm-2) 1×10-12
Sección e icaz de cap u a de huecos (cm-2) 4×10-15
Tipo y dis ibución ene gé ica Neu al. Uni o me
De ec os pun uales en el olumen del abso bedo
De ec o Es ado de ca ga Tipo de de ec o Ni el de ene gía po encima de VNM
CuZn (0 / ‒) Acep o simple 0.10
ZnSn (0 / ‒) Acep o doble 0.10
(‒ /2 ‒) 0.24
CuSn
(0 / ‒)
Acep o mul ini el
0.15
(‒ /2 ‒) 0.40
(3‒ / 2‒) 0.55
ZnCu (0 / +) Acep o simple 1.34
SnZn (0 / +) Donado doble 0.87
(+ / 2+) 0.60
4. Resumen de los p incipales esul ados
41
ii. La alidación del modelo c eado se hace a pa i de los da os expe imen ales publicados po
Shin e al. [63]y Wang e al [64] pa a los casos de CZTS y CZTSSe espec i amen e. En la
Figu a 37 se p esen an los da os expe imen ales publicados po es os au o es, conside ados
éco ds de e iciencia en la ecnología o o ol aica de kes e i a, compa ados con la p edicción
eó ica del modelo gene ado (línea discon inua).
Figu a 37: Compa ación de las ca ac e ís icas de la cu a I-V en e los esul ados expe imen ales (pun os) y de simulación
(línea discon inua): a) CZTS s Shin e al. y b) CZTSSe s Wang e al.
iii. Las células ándem equie en de una capa in e media que acili e el mo imien o de los
po ado es de ca ga gene ados en cada subcélula has a los elec odos po e ec o únel. La
modelización elec ónica de esa capa es di ícil y habi ualmen e en los abajos publicados se
conside a ideal pa a simpli ica la. En es e caso, hemos conside ado que dicha capa no ac úa
como capa in e media po e ec o únel, sino que di ec amen e es el elec odo. Pa a ello, la
capa debe o ece al mismo iempo p opiedades eléc icas de ma e iales conduc o es y
p opiedades óp icas adecuadas pa a acili a la ansmisión de la adiación. Es po ello, que
se basa en óxidos conduc o es anspa en es.
Además, la capa in e media se diseña cons uyendo una es uc u a pe iódica de óxidos
conduc o es anspa en es. En unción de los índices de e acción y espeso es seleccionados
se consigue c ea un
bandgap
óp ico a los o ones inciden es (Ec. 35 y 36), de o ma que la
capa ac úa como un e lec o selec i o en longi udes de onda, con la inalidad de di idi el
espec o de la adiación inciden e.
𝑅𝑅1𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷= 1 −4�𝑛𝑛1
𝑛𝑛2�𝑁𝑁= 1 −4�1−Δ𝑛𝑛
𝑛𝑛2�𝑁𝑁 [𝐸𝐸𝑐𝑐.35]
ΔE1𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷=4𝐸𝐸1𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷
𝜋𝜋𝑛𝑛2−𝑛𝑛1
𝑛𝑛2+𝑛𝑛1=4𝐸𝐸1𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷
𝜋𝜋Δ𝑛𝑛
2𝑛𝑛1+Δ𝑛𝑛 [𝐸𝐸𝑐𝑐.36]
donde 𝐸𝐸1𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷𝐷 es la ene gía del pico de B agg. Al examina es as ecuaciones, se hace e iden e
que la e lec i idad aumen a a medida que aumen a el núme o de capas apiladas (𝐷𝐷), y la
anchu a del pico de B agg es á di ec amen e in luenciada po el con as e en el índice de
e acción (Δ𝑛𝑛).
A con inuación, se de allan los dos c is ales o ónicos diseñados:
• Con igu ación 3T: Pa ón 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 con capas de ITO (1) y SiO2 (2).
• Con igu ación 4T: Pa ón 1 2 1 2 1 2 1 con capas de ZnO (1) y SiO2 (2).
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
42
Los c is ales o ónicos de es e abajo se diseña on pa a que su pico de B agg es u iese
alineado con el pico de abso ción de la op, cuya longi ud de onda es ce cana a 500nm. En
la Figu a 38 se mues a de a iba izquie da hacia abajo de echa, el espec o de la adiación
sola y la espues a espec al de cada subcélula seleccionada pa a es e es udio, como la
espues a espec al es modi icada po el e ec o del c is al o ónico unidimensional, la
espues a espec al global de la célula ándem, y la abso ción ela i a en e ambas
subcélulas.
Figu a 38: a) Abso ción de subcélulas indi iduales, CZTS
op
(azul) y CZTSSe
bo om
( ojo), con la e lec i idad 1DPC en
línea discon inua. b) Abso ción de cada subcelda modi icada po la espues a óp ica 1DPC. c) Abso ción o al de la célula
sola ándem con y sin 1DPC. d) Abso ción ela i a en e ambas células sola es en ándem.
i . Una ez el modelo de la célula ándem ha sido cons uido y alidado, se p ocede a modi ica
pa áme os pa a encon a las condiciones óp imas de ope ación, como po ejemplo el
espeso de las capas semiconduc o as ipo -p en cada subcélula (Figu a 39) o la in luencia
del dopado de dichas capas (Figu a 40). De los esul ados se in e p e a que con o me el
espeso de ambas capas po sepa ado aumen a, la e iciencia de la célula lo hace en la misma
o ma. Sin emba go, al ac ua en modo ándem, si el espeso de la
op-cell
es su icien e
g ande pa a maximiza su e iciencia indi idual, penaliza el endimien o de la
bo om-cell
al
no pe mi i la ansmisión de adiación sola su icien e. Es necesa io po an o encon a un
equilib io en e los pa áme os de espeso y ansmi ancia (Figu a 41)
Figu a 39: EQE en unción del espeso de las subcélulas: a) abso ben e CZTS y b) abso ben e CZTSSe.
4. Resumen de los p incipales esul ados
43
Figu a 40: In luencia del espeso de la capa abso ben e
op
y de la concen ación de dopaje en la o oco ien e gene ada.
Figu a 41: Densidad de co ien e en unción del espeso de la capa abso ben e an o supe io como CZTSSe.
. Una ez de e minados los pa áme os mo ológicos óp imos pa a maximiza
simul áneamen e las p opiedades eléc icas y óp icas de las subcélulas, se ealiza una
simulación eléc ica del disposi i o ándem en unción del ipo de con igu ación eléc ica de
las subcélulas (2T, 3T y 4T) (Figu a 42).
Figu a 42: Rep esen ación esquemá ica de la con igu ación del disposi i o: a) célula sola en ándem 2T; b) célula
sola en ándem de 4T u ilizando un 1DPC dieléc ico; c) célula sola en ándem 3T usando un 1DPC ipo-n
i. En la Figu a 43 se p esen an los da os simulados pa a las con igu aciones 3T y 4T. En el
p ime caso el disposi i o ac úa como dos células con conexión en pa alelo, mien as que el
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
44
segundo caso, el disposi i o ep esen a ía una asociación de células en se ie. Así, es ácil
in e p e a que en la p ime a con igu ación se maximice la o oco ien e mien as que en la
segunda con igu ación es la ensión el pa áme o maximizado. En la Tabla 6 se p esen a un
esumen de los pa áme os op oelec ónicos ca ac e ís icos de cada subcélula y del
disposi i o ándem.
Figu a 43: Cu a J-V de las subceldas supe io es e in e io es de unión y con igu aciones en ándem 3T/4T.
Tabla 6: Compa ación de pa áme os op oelec ónicos numé icos con la célula sola de doble unión basada en kes e i a
que u iliza una con igu ación eléc ica de 3T o 4T.
De es a
mane a, se
ob iene
un
endimien o en la célula 3T del 22,97%, mien as que en la con igu ación 4T dicho alo
disminuye has a el 21,82%, aunque en ambos casos se supe a de mane a holgada a las
células basadas en kes e i a de unión simple.
ii. Finalmen e, la con igu ación 2T se compa a con los da os publicados p e iamen e po o os
au o es, donde además es os au o es hacen la suposición de que la capa in e media que
hace e ec o únel de los po ado es, es ideal (Tabla 7). Se obse a como de es os esul ados,
3T ándem 4T ándem
Celda
supe io
Espeso CZTS (nm) 300
Jsc (mA·cm-2) 24.97
Voc (mV) 813
FF (%) 69.1
h (%) 14.03 %
Celda
in e io
Espeso CZTSSe (nm) 2000
Jsc (mA·cm-2) 32.41
Voc (mV) 572
FF (%) 67.4
h (%) 12.49%
Tandem
Espeso CZTS/CZTSSe (nm) 300 2000
Jsc (mA·cm-2) 57.37 24.97
Voc (mV) 572 1385
FF (%) 69.2 66.7
h (%) 22.71% 23.07%
4. Resumen de los p incipales esul ados
45
el hecho de in oduci un c is al o ónico o mado po ma e iales de óxidos conduc o es
anspa en es, mejo a la e iciencia de la célula ándem espec o a an e io es in es igaciones.
Tabla 7: Compa ación de abajos simila es en los da os de la li e a u a y nues o abajo.
Es uc u a VOC (mV) JSC (mA·cm-2) FF (%) h (%) Re s.
2T CZTS/CZTSSe 1420 19.8 71.5 20.1 [80]
2T CZTS/ACZTSe 1370 17.3 68.3 16.2 [81]
2T CZTS/CZTSSe 1100 20.4 81.3 18.2 [82]
2T CZTS/CZTSe 1143 19.17 72.6 19.86 [83]
2T CZTS/CZTSe 1320 20.98 78.2 20.87 [84]
2T CZTGS/CZTS 1350 18.53 62.2 17.51 [85]
2T CZTS/Si 1400 19.38 83.5 22.9 [86]
2T CZTS/Pe o ski a 1250 15.80 81.5 19.80 [87]
3T CZTS/CZTSSe 572 57.37 69.2 22.71 Nues o
abajo
4T CZTS/CZTSSe 1385 24.97 66.7 23.07
i. Pa alelamen e, ambién se comp obó que la inco po ación de NiO como capa
semiconduc o a ipo-p esul aba en ajosa pa a el sis ema, ya que su unción de abajo
minimiza la ba e a Scho ky pa a la mayo ía de los po ado es en el con ac o pos e io ,
acili ando un con ac o óhmico en e el elec odo y la capa abso ben e. Es o explica que los
alo es de la 𝑉𝑉𝑜𝑜𝑐𝑐
c
en la subcélula
op
sean mayo es que los epo ados en la li e a u a.
4.5 Obje i o 5: Cuan i ica la ene gía ansmi ida po un sis ema o ónico
luminiscen e y es ima la mejo a que supone su aplicación.
Los esul ados de allados de es e obje i o se han publicado en el a ículo “
Ad anced Pho onic Thin
Films o Sola I adia ion Tuneabili y O ien ed o G eenhouse Applica ions
” que se adjun a como
anexo. A con inuación, se p esen an los esul ados más des acados del es udio.
i. En es e abajo se ha ealizado una combinación de dos es uc u as o ónicas p e iamen e
desc i as con de alle: el uso simul aneo de ma e iales luminiscen es y de c is ales o ónicos,
con el in de modi ica el espec o sola pa a mejo ap o echamien o ene gé ico en una
de e minada aplicación. En es e caso, se ha conside ado como escena io de aplicación el
diseño de un in e nade o, de modo que la adiación ansmi ida po la cubie a del mismo
se ha op imizado buscando el mejo acople óp ico con la espues a espec al del cul i o
desde un aspec o isiológico ( o osín esis) y minimiza su es és é mico.
ii. A endiendo al espec o de la o osín esis se han seleccionado es moléculas luminiscen es
(DCM, LDS y Lumogen ed). La Figu a 44 mues a los espec os de abso ción y emisión de la
película luminiscen e p epa ada con di e en es moléculas luminiscen es, an o indi iduales
como combinaciones en e ellas buscando un aumen o del espec o de abso ción y emisión
po T ans e encia de Fös e . En es os análisis, con las mues as a escala de labo a o io
ab icadas sob e una base polimé ica de PMMA, se obse ó que el DCM y el LR305
p esen aban un máximo en la emisión ce ca de los 600nm y el LDS al ededo de los 700nm.
Además, la abso ción de es os colo an es se si uaba en la egión e de del espec o, hecho
que esul a bene icioso si se iene en cuen a la PAR del cul i o. Asimismo, se obse ó que la
abso ción a lo la go del espec o inc emen aba d ás icamen e al aumen a la concen ación
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al pa a aplicaciones o o ol aicas
46
de colo an e. Las mezclas se ealiza on pa a mejo a el ango del espec o de abso ción,
haciendo mezclas en una misma solución de DCM con LDS y de DCM con LR305.
Figu a 44: Espec os de abso ción y emisión ob enidos pa a di e en es colo an es: (a) DCM, (b) LR305, (c) LDS, (d) DCM +
LDS, y (e) DCM + LR305. Los picos de emisiones se alinea on con los equisi os de PAR y la combinación de DCM + LDS
o eció la en aja de espec os de abso ción más amplios
iii. A pa i de los esul ados ob enidos a escala de labo a o io, se seleccionan dos
con igu aciones pa a el escalado a amaño pilo o: Lumogen ed combinado con DCM, y
Lumogen ed sólo. Es as combinaciones de moléculas luminiscen es son ex uidas ( e
capí ulo de me odología) pa a consegui una bobina de plás ico adi i ada lexible que si a
como cobe u a del in e nade o. En la Figu a 45 se p esen a la ansmi ancia ela i a del
p oduc o inal, comp obándose como los ma e iales luminiscen es seleccionados son
capaces de modi ica el espec o sola abso biendo en las longi udes de onda UV y
emi iendo en el VIS que es donde necesi a apo e ene gé ico el cul i o pa a su o osín esis.
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Tesis doc o al
Depa amen o de Ingenie ía Ene gé ica
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía – ETSI
Uni e sidad de Se illa
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al
pa a aplicaciones o o ol aicas
Anexo I – Publicaciones
Miguel Ba agán Sánchez-Lanuza
Di igido po :
D . José Ma ía Delgado Sánchez
D . Isido o Lillo B a o
Se illa, 22 de no iemb e, 2024
Jou nal o Cleane P oduc ion 446 (2024) 141384
A ailable online 20 Feb ua y 2024
0959-6526/© 2024 The Au ho s. Published by Else ie L d. This is an open access a icle unde he CC BY-NC-ND license (h p://c ea i ecommons.o g/licenses/by-
nc-nd/4.0/).
Expe imen al CIGS echnology pe o mance unde low concen a ion
pho o ol aic condi ions
Miguel Ba ag´
an S´
anchez-Lanuza
a
,
b
, Isido o Lillo-B a o
b
, Sa a Mo eno-Teje a
b
,
J.L. Sancho Rod íguez
c
, Jose-Ma ia Delgado-Sanchez
a
,
*
a
Dp . Applied Physics I, Uni e si y o Se ille, A da de Los Descub imien os S/n, 41092, Se ille, Spain
b
Dp . Ene gy Enginee ing, Uni e si y o Se ille, C a. U e a Km 1, 41013, Se ille, Spain
c
Dp . Technical Ad iso ing, Quin as Ene gy S.L., A da. República A gen ina 25, 41011, Se ille, Spain
ARTICLE INFO
Handling edi o : Jin-Kuk Kim
Keywo ds:
LCPV
CIGS
Thin- ilm
Sola concen a ion
Pe o mance a io
ABSTRACT
This esea ch s udy assesses he in luence o he concen a ion ac o on wo di e en PV echnologies: c-Si and
CIGS, o analyze he easibili y o u ilizing CIGS hin- ilm echnology in Low Concen a ion Pho o ol aic con-
di ions. Addi ionally, he impo ance o he encapsula ion design is explo ed o de e mine he op imum he mal
managemen s a egy. The ini ial phase in ol es an analysis o he he mal pe o mance o wo ypes o com-
me cial pho o ol aic module and explo es he enhancemen o empe a u e managemen in CIGS pho o ol aics
modules by subs i u ing he ea glass backshee wi h an aluminum shee o educe he ope a ing empe a u e o
he p o o ype. Subsequen ly, a ious p o o ypes a e ab ica ed, inco po a ing CIGS and silicon echnologies, and
di e en encapsula ion designs: edla , glass and aluminum backshee s. The analysis e eals ha compa ing
pe o mance unde 2.2×and 1×concen a ion condi ions, CIGS echnology exhibi s he highe pe o mance a
2.2×, making i a mo e p omising choice o LCPV sys ems. While CIGS echnology boas s an in insic ad an age
because o i s open ci cui ol age empe a u e coe icien , i s pe o mance enhancemen unde LCPV condi ions
is u he ampli ied h ough he op imiza ion o he backshee o imp o e he he mal managemen .
1. In oduc ion
Concen a ed Pho o ol aic (CPV) sys ems we e concep ualized as an
al e na i e o ixed s and pho o ol aic (PV). These sys ems u ilize op-
ical elemen s o concen a e sunligh on o small, high-e iciency sola
cells, esul ing in highe ene gy yields compa ed o adi ional la -pla e
pho o ol aic echnologies (Shanks e al., 2016; Baha oon e al., 2015).
Despi e he po en ial ad an ages o e ed by High Concen a ion Pho o-
ol aic (HCPV), se e al challenges hinde he de elopmen o new
la ge-scale p ojec s using his echnology. Fi s ly, he high-quali y op ic
componen s wi h high accep ance angle p ecision, ypically F esnel lens,
impose a signi ican cos bu den. Addi ionally, HCPV necessi a e
high-p ecision acking mechanism o ensu e op imal alignmen wi h
he sun, which adds complexi y and u he main enance cos o hese
ins alla ions. Finally, al hough III-V sola cells demons a e highe e i-
ciency compa ed o con en ional silicon cells, hei p oduc ion cos
cu en ly p esen s an obs acle in e ms o he o e all p o i abili y o
la ge-scale HCPV p ojec s.
On he o he hand, Low Concen a ion Pho o ol aic (LCPV) sys ems
(wi h concen a ion a io below 10 suns) o e an economically iable
al e na i e wi h consis en ly highe e iciencies compa ed o la PV
p ojec s (Reis e al., 2010a; Pa upudi e al., 2020). The educed con-
cen a ion le el in LCPV minimize he cos o specialized op ic compo-
nen s, allowing he use o simple elemen s like la mi o s o unca ed
pa abolas. Fu he mo e, LCPV sys ems do no equi e high acking
p ecision con ibu ing o o e all cos educ ion. Ano he ad an age o
LCPV design p ojec s is hei compa ibili y wi h a majo i y o sola cells
echnologies (Zahedi, 2011).
E ec i e he mal managemen is o pa amoun impo ance o he
op imal pe o mance and li e ime o pho o ol aic (PV) sys ems and i s
componen s, especially in he con ex o low concen a ion pho o ol aic
(LCPV) sys ems. The modynamic p inciples (Shockley and Queisse )
limi he e iciency o sola cells, leading o he con e sion o some sola
i adiance ene gy in o hea . Cu en ly, he elec ic con e sion pe o -
mance o a con en ional silicon PV module in he ma ke is a ound
13–22%. The excess sola adia ion ha is no con e ed in o elec ici y
con ibu es o an inc ease in he sola cell empe a u e, esul ing in a
dec ease in elec ici y gene a ion e iciency. I his hea is no p ope ly
managed, i can signi ican ly impac he pe o mance o he PV sys em
* Co esponding au ho .
E-mail add ess: [email p o ec ed] (J.-M. Delgado-Sanchez).
Con en s lis s a ailable a ScienceDi ec
Jou nal o Cleane P oduc ion
jou nal homepage: www.else ie .com/loca e/jclep o
h ps://doi.o g/10.1016/j.jclep o.2024.141384
Recei ed 5 Janua y 2024; Recei ed in e ised o m 15 Feb ua y 2024; Accep ed 19 Feb ua y 2024
Jou nal o Cleane P oduc ion 446 (2024) 141384
2
o e en a emp i s li espan (Wang e al., 2020). The decline in pe o -
mance due o ising PV module empe a u es p ima ily s ems om he
educ ion in he open-ci cui ol age (Voc), which exhibi s a nega i e
empe a u e coe icien . The PV module empe a u e a ec s he cha -
ac e is ics equa ion o he sola cell Eq. (1) in wo ways (Luque and
Hegedus, 2010): di ec ly, h ough he exponen ial e m in ol ing em-
pe a u e (T), and indi ec ly, ia i s impac on he da k pho ocu en (J0)
which ep esen s he diode leakage cu en densi y in he absence o
ligh . While highe empe a u e educes he magni ude o he exponen ,
he alue o J0 inc eases exponen ially wi h T. Consequen ly, hese
combined e ec s lead o a linea educ ion in Voc Eq. (2) (Luque and
Hegedus, 2010) as empe a u e inc ease (Shams, 2022).
J=Jsc −J0(eV/aVT−1)[Eq. 1]
Voc =kBT
qLn(Jsc
J0
+1)[Eq. 2]
whe e J is he cu en densi y, Jsc is he sho -ci cui cu en , T he
empe a u e, a he ideali y ac o , q he elec ical cha ge, kB he Bol z-
mann cons an , V he ol age ac oss he ou pu e minals o he PV
module, and VT he he mal ol age.
Fu he mo e, PV module manu ac u e s ypically o e p oduc
gua an ees based on he In e na ional Elec o echnical Commission
(IEC) S anda d (Yolcan and Kose, 2023). This means ha i he
componen ope a es a PV module empe a u e highe han 85 ◦C, he
gua an ee may become in alida ed, he eby posing a signi ican isk o
he owne o he PV plan (Nya ko e al., 2019).
Mo eo e , e ec i e managemen o he inciden lux on he sola
cells is c ucial o ensu e uni o m dis ibu ion. Non-uni o m illumina ion
can lead he o ma ion o ho spo s (Wang and Xuan, 2020), which in
u n can cause i e e sible damage o he sola cells, esul ing in educed
powe ou pu o he panel o e i s li e ime.
Nume ous epo s in he li e a u e discuss he design and analysis o
LCPV sys ems (Yada e al., 2013; Kolam oudi e al., 2022; Mansoo
e al., 2020). Fo ins ance, Famoso e al. (2015) de eloped an LCPV
p o o ype u ilizing c-Si sola cells, wi h a concen a ing sys em
comp ising plas ic unca ed cones co e ed by a me al ilm e lec ing he
adia ion di ec ly on he basis o he lenses whe e he sola cells we e
ins alled. Thei s udy concluded ha he pe o mance a io o he LPCV
sys em su passed ha o ixed-angle PV sys ems, pa icula ly in egions
a la i udes wi h highe alues o di ec no mal i adiance (DNI) sola
adia ion. Saini e al. (2018) analyzed a design ea u ing o a compound
pa abolic concen a o in eg a ed wi h a pho o ol aic he mal collec o ,
inco po a ing a ious sola cell echnologies, such as monoc ys alline
(c-Si), polyc ys alline (mc-Si) and amo phous silicon (a-Si), cadmium
ellu ide (CdTe), and coppe -indium-gallium selenide (CIGS). They
poin ed ou ha he compound pa abolic concen a o p oduced a
non-uni o m ligh on he sola cells, leading o ho spo s on he PV
module, especially a high inciden angles. Addi ionally, Reis e al.
(2010b) modeled he pe o mance o LCPV sys ems using silicon sola
cells and V- ough e lec o s consis ing o wo mi o s o achie e 2×
concen a ion ac o .
The majo i y o he p e ious ci ed e e ences ocus on he silicon
sola cells. Howe e , hin- ilm echnologies a e achie ing e iciencies
compa able o silicon sola cells and o e addi ional ad an ages, such as
lexible and low weigh subs a es ha posi i ely impac acke design.
Ano he design ad an age is ha hey a e manu ac u ed using he
monoli hic in eg a ion p ocess (Wenne be g e al., 2000). This means
ha in case o non-uni o m illumina ion, he ou pu powe educ ion is
lowe compa ed o silicon PV modules. In con en ional silicon modules,
he sola cells a e connec ed in se ies, indica ed by he yellow do ed line
(Fig. 1), so he ou pu powe is dic a ed by he cell wi h he lowes
cu en . The e o e, i ce ain sola cells expe ience lowe illumina ion
like Fig. 1a, he module pe o mance is limi ed by he gene a ion o
hese cells. On he o he hand, as depic ed in Fig. 1b, all cells span ac oss
he ull-leng h module, ensu ing ha he cu en gene a ion is equally
a ec ed o all sola cells (Ou e oul e al., 2023).
Wenne be g e al. (2000) de eloped an LCPV p o o ype using a
compound pa abolic concen a o and CIGS sola cells. Indoo mea-
su emen s a up o 4×concen a ion ac o demons a ed ha CIGS
echnology is less sensi i e o non-uni o m de ec s compa ed o silicon
sola cells. Simila ly, Wa d e al. (2002) explo ed he po en ial o using
CIGS sola cells unde LCPV condi ions, achie ing a pe o mance o
21.5% a 4×concen a ion ac o in a de ice o 0.1 cm
2
. They empha-
sized he ad an age o CIGS echnology in compe ing agains silicon
sola cells due o he e sa ili y o subs a es used, such as lexible
s ainless s eel wi h be e managemen o he mal phenomena. How-
e e , his esul was ob ained h ough indoo acili ies, and u he
alida ion is s ill pending h ough pilo p ojec s in eal ope a ing con-
di ions. Since ha expe imen , no majo expe imen s ha e been e-
po ed using CIGS echnology as selec ed de ice in he LCPV sys em.
Mo e ecen ly, Che i and Sammouda (2022) simula ed one andem
pe o ski e-CIGS sola cell ope a ing unde LCPV condi ions, bu his
wo k has no ye been alida ed expe imen ally.
Con inuous esea ch and u he expe imen al alida ion in his di-
ec ion hold he po en ial o s ablish CIGS-based LCPV sys ems as
compe i i e and complemen a y al e na i e o adi ional silicon-based
Nomencla u e
a Ideali y ac o
a-Si Amo phous silicon
CIGS Coppe –Indium–Gallium-Selenide
CdTe Cadmium ellu ide
CPV Concen a ed Pho o ol aic
c-Si Monoc ys alline silicon
Cx Concen a ion ac o
DNI Di ec no mal i adiance
E
ou
Ene gy p oduc ion
G
POA
Sola i adia ion in plane
G
STC
Sola i adia ion in S anda d Tes Condi ions
H Finned hea sink heigh
HCPV High Concen a ion Pho o ol aic
IEC In e na ional Elec o echnical Commission S anda d
J Cu en densi y
J
sc
Sho -ci cui cu en densi y
J
0
Diode leakage cu en densi y
k
B
Bol zmann cons an
LCPV Low Concen a ion Pho o ol aic
mc-Si Polyc ys alline silicon
P
0
Nominal powe o he sys em
PR Pe o mance a io
PV Pho o ol aic
q Elec ical cha ge
STC S anda d Tes Condi ions
T Tempe a u e
T
a
Ambien empe a u e
T
m
Pho o ol aic module empe a u e
V Vol age
V
T
The mal ol age
V
oc
Open-ci cui ol age
WS Wind speed
Y
A ay ield
δ Powe empe a u e coe icien
M. Ba ag´
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anchez-Lanuza e al.
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echnologies in he sola ene gy landscape. This esea ch aims o design
and e alua e h ee LCPV p o o ypes unde eal ou doo ope a ing con-
di ions o in es iga e he pe o mance dependence on he PV echnology
and he ype o encapsula ion. The i s p o o ype u ilizes silicon sola
cells, while he emaining wo employ CIGS echnology, one wi h
monoli hic in eg a ion and he o he wi h independen sola cells con-
nec ed in se ies, simila o he silicon p o o ype. Each ype o p o o ype
conside s di e en backshee s in he encapsula ion o e alua e i s in-
luence on he ou pu powe gene a ed.
By compa ing he pe o mance o hese p o o ypes, he s udy looks o
iden i y he mos e iciency design o managing he mal losses and
assessing he impac o non-illumina ion impac on he elec ici y gen-
e a ion o each case. To ensu e compliance wi h he manu ac u e
gua an ee, a con ol sys em has been implemen ed in he acke o
a oid ha he empe a u e o he PV module emains below 85 ◦C. The
da a collec ed om hese LCPV p o o ypes will p o ide aluable insigh s
in o op imizing hei pe o mance, ad ancing ou unde s anding o
CIGS-based sola cells, and con ibu ing o he b oade goal o
enhancing sola ene gy echnologies.
2. Me hods desc ip ion
2.1. Pe o mance cha ac e iza ion
The esea ch en ails a compa a i e analysis o wo di e en sola cell
echnologies, hei speci ic encapsula ion design, and aims o assess
hei dispa i ies by aking in o accoun a ious ac o s, such as PV
module size, il and azimu h angle, ecei ed i adia ion, and p e ailing
wea he condi ions o e mul iple days. By employing quali y no mal-
ized indica o s, a comp ehensi e and unbiased e alua ion o he sola
cell echnologies can be conduc ed, acili a ing a deepe unde s anding
o hei pe o mance cha ac e is ics unde di e en en i onmen al
condi ions.
The A ay Yield (Y )is cha ac e ized as he a io be ween he ene gy
p oduc ion (Eou )and he nominal powe o he sys em (P0)(Woy e
e al., 2014). This pa icula indica o holds he bene i o s anda dizing
he ene gy p oduc ion ela i e o he sys em capaci y size, hus enabling
di ec compa isons among p o o ypes wi h a ying peak capabili ies.
Y =Eou
P0
[Eq. 3]
The Pe o mance a io (PR)allows he quan i ica ion o sys em losses
a ising om di e en ac o s such as spec al misma ch, PV module
empe a u e a ia ion, and o he sys em mal unc ion. While a ious
me hodologies exis o e alua e he PR, his analysis compa es he
con en ional p ocedu e (Khalid e al., 2016) desc ibed in Eq. (4) wi h
he wea he -co ec ed app oach o iginally p oposed by NREL (Die au
e al., 2013), desc ibed in Eq. (5), which has also been endo sed by he
IEC in he las yea s and ake in conside a ion he PV module empe -
a u e e ec .
PR =
Eou
P0
GPOA
GSTC
[Eq. 4]
PR∗=Eou
P0⋅GPOA
GSTC ⋅[1−δ
100 (Tcell,a g −Tcell,i)][Eq. 5]
Tcell =Tm+GPOA
GSTC
⋅ΔTcnd [Eq. 6]
Tm=GPOA⋅e(a+b⋅WS)+Ta[Eq. 7]
whe e GPOA ep esen s he sola i adia ion in plane, GSTC is he sola
i adia ion in S anda d Tes Condi ions (STC), Eou is he ene gy ou , δ is
he powe empe a u e coe icien o he sola cell, WS is he wind speed,
Ta and Tm ep esen s he ambien and PV module empe a u e, a and b
a e empi ical cons an s ela ed o he empe a u e inc ease due o e-
lec ed sunligh , and inally ΔTcnd is a coe icien de ined by he ype o
encapsula ion o he PV module (Die au e al., 2013).
2.2. P o o ype design
Unde LCPV condi ions, h ee design ypes a e jux aposed: he con-
en ional c-Si PV module, a glass-glass con en ional CIGS hin- ilm PV
module, and a no el al e na i e CIGS hin- ilm PV module inco po a ing
glass and aluminum encapsula ion aimed a mi iga ing he mal losses.
This sec ion unde aken a comp ehensi e analysis o he dis inc com-
ponen s in eg al o he LCPV p o o ypes.
Balancing cos and op ical pe o mance, i has been selec ed la
mi o s as e lec o s o concen a e sola ene gy on o he LCPV p o-
o ypes o his esea ch case, using a V- ough con igu a ion inclined by
an angle (θ)as illus a e in Fig. 2. The key conside a ions o selec ing
he op imal op ic sys em a e: (1) ma e ial e lec ion should closely
ma ch he spec al esponse o he sola cell o maximize ene gy cap u e;
(2) e lec i i y mus be as highe as possible o enhance ligh concen-
a ion; (3) he e lec o ma e ial and i s suppo s uc u e should be
cos -e ec i e o ensu e easibili y o he LCPV sys em; (4) he manu-
ac u e mus gua an ee e lec i i y h oughou he en i e li e ime o he
Fig. 1. Schema ic d awing o a con en ional silicon PV module (a) and CIGS hin ilm module (b) unde non-uni o m illumina ion condi ions. (Fo in e p e a ion o
he e e ences o colou in his igu e legend, he eade is e e ed o he Web e sion o his a icle.)
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LCPV sys em o main ain op imal pe o mance; (5) he e lec o ’s me-
chanical cons uc ion should be s aigh o wa d and obus enough o
wi hs and a ious clima ic a mosphe ic e en s (s ong wind loads, i-
b a ions, he mal expansion, e c.)
The objec i e o he LCPV design in his s udy is o achie e a con-
cen a ion ac o (Cx)o 2.2×. By conside ing he PV module pa ame e s
(Table 1) and u ilizing Eq. (8) and Eq. (9), he angle (θ)and heigh (L4)
o he mi o equi ed o each p o o ype we e de e mined (Ou e oul
e al., 2023).
Cx=S3
S1
=L3
L1
=2.2x⇒L3=2.2⋅L1[Eq. 8]
θ=cos−1(L2
L4)=cos−1(L3−L1
2L4)[Eq. 9]
In he selec ion o an app op ia e mi o ma e ial o he LCPV
p o o ype, me als ha exhibi ee elec on-like beha io and adhe e o
he D ude model a e conside able sui able (Lee e al., 2023). Among
hese op ions, sil e and aluminum a e p ominen candida es, wi h
ypical sola hemisphe ical in eg a ed e lec i i y alues o 94% and
91%, espec i ely, co e ing he spec al ange om 300 o 2500 nm.
Howe e , i is impo an o no e ha he spec al esponse o silicon and
CIGS sola cells a e limi ed o he ange om 400 o 1100 nm
(Fe n´
andez-Solas e al., 2021). Consequen ly, ene gy e lec ed beyond
1100 nm does no con ibu e o he pho oelec ic con e sion p ocess bu
a he esul s in he mal losses ha mus be managed p ope ly o a oid
pe o mance losses in he PV sys em. Un o una ely, no me als a e
a ailable ha combine low e lec ance in he NIR-IR ange wi h high
e lec ance in he UV-VIS ange, which aligns wi h he speci ic spec al
esponse o he sola cells. Addi ionally, a c ucial conside a ion is he
po en ial deg ada ion o he e lec o ma e ial. In compa ison, he
deg ada ion o sil e occu s a a as e a e han ha o aluminum
(G osjean e al., 2021). Balancing hese op ical p ope ies, chemical
s abili y, and cos ac o s, aluminum glass mi o s ha e been selec ed o
his esea ch case, boas ing a o al e lec i i y o 93%.
The PV echnology chosen o hese p o o ypes is hin- ilm CIGS. The
i s se o p o o ypes u ilizes con en ional c-Si PV modules manu ac-
u ed by Jinko, ea u ing an encapsula ion s uc u e comp ising a glass-
edla combina ion. The second se employs CIGS PV modules p o ided
by Wü h Sola , cha ac e ized by a glass-glass encapsula ion. Las ly, he
inal se o p o o ypes inco po a es CIGS sola cells supplied by Global
Sola , which unde go lamina ion wi h a glass-aluminum. Fu he ech-
nical de ails ega ding he comme cial PV modules a e disclosed in
Table 2.
2.3. The mal model CIGS glass – aluminum
To u he enhance he mal managemen wi hin ou p o o ypes
ope a ing unde LCPV condi ions, we ha e unde aken a comp ehensi e
modeling app oach using NX 6.0 S PLM so wa e. This modeling enables
us o an icipa e and e alua e he he mal pe o mance disc epancies
expec ed be ween di e en p o o ype design, and o iden i y and
inco po a e he mos e ec i e he mal dissipa o elemen s on he ea
su ace o he de ice. Fo his modeling phase, a ini e elemen analysis
(Fig. 3) app oach was employed u ilizing hin shell elemen s (2D) o la
su aces, such as he on glass and he in e media e laye s o he CIGS
hin- ilm sola cell, and solid elemen s (3D e ahed a) o he hea
dissipa o componen . The elemen size chosen o he hin shell ele-
men s was app oxima ely 0.5 mm, while o he solid elemen s, i was
app oxima ely 2 mm. This me iculous selec ion o elemen sizes esul ed
in he gene a ion o a ine mesh, allowing o he p ecise iden i ica ion
and analysis o po en ial empe a u e g adien s wi hin he p o o ype. A
g id independency es was ca ied ou by p og essi ely inc easing he
numbe o elemen s un il he maximum empe a u e di e ence be ween
wo consecu i e se s o g ids was less han 0.1%. This analysis ensu e
ha he de eloped model is independen o g id size when p edic ing he
sola cell empe a u e. Re e ing o Fig. 3, while main aining a balance
be ween compu a ional e iciency and p edic ion accu acy, i is
obse ed ha o a numbe o elemen s g ea e han 240,000 he em-
pe a u e di e ence is less han 0.1 %. A his s age, he solu ion was
deemed g id independen and con e ged.
Due o he hinness o he laye comp ising he CIGS sola cells, wi h
a hickness measu ing less han 2
μ
m, i is assumed ha he e exis s
pe ec he mal con ac be ween he glass and he sola cell, as well as
Fig. 2. a) Schema ic d awing o design mi o geome ical pa ame e s; b) Pho og aphy o one p o o ype du ing i s manu ac u ing.
Table 1
Geome ic speci ica ions o each V- h ough e lec o ensu ing a concen a ion
ac o o 2.2x.
P o o ype PV module Mi o
Wid h L
1
(mm)
Leng h L
0
(mm)
Heigh L
4
(mm)
Leng h L
0
(mm)
c-Si sola cells in
se ies
800 1650 1760 1650
CIGS monoli hic
in eg a ion
600 1200 1320 1200
CIGS sola cells in
se ies
210 500 462 500
Table 2
Comme cial PV Module da ashee .
c-Si CIGS glass-glass CIGS glass-aluminum
Voc (V) 38.0 45.5 3.1
Isc (A) 8.92 2.50 5.9
Vmp (V) 30.8 36.0 2.3
Imp (A) 8.28 2.22 5.7
Peak powe (W) 255 80 13
Temp. Coe . o V (V/◦C) −0.118 −0.299 −0.299
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be ween he glass and he aluminum backshee . In modeling he con-
ec ion p ocess, na u al con ec ion o ambien condi ions has been
conside ed, wi h a con ec ion coe icien o 3.4 W m
−2
⋅K, ep esen ing
he wo s -case scena io in which wind speed is null. This hypo hesis also
ex ends o he ex e nal glass su ace, as well as bo h he ex e nal and
in e nal su aces o he hea dissipa o (Fig. 4). No ably, he in e nal
empe a u e wi hin he hea dissipa o (T0) emains unde ined and is
con ingen upon he empe a u e dis ibu ion ac oss he p o o ype.
Conce ning adia ion mechanisms, h ee dis inc bounda y condi ions
ha e been aken in o accoun : hea exchange be ween he glass and he
on ace o he hea dissipa o wi h he sky, ollowing he u iliza ion o
he Swinbank Eq. (10) (Yang e al., 2020):
Tsky = n⋅Tamb +0.0552 ⋅ (1− n)⋅T1.5
amb [Eq. 10]
whe e n ep esen s he cloudiness ac o , aking alues wi hin he ange
o 1 (comple ely o e cas day) o 0 (pe ec clea sky). Ou indings
indica e ha unde clea sky condi ions ( n=0)and du ing he peak o
summe when ambien empe a u e can each 42 ◦C, he sky empe a-
u e (Tsky)was obse ed o be 15.3 ◦C. I is wo h no ing ha he o he
su aces o he hea dissipa o in e ac wi h he ambien en i onmen
h ough adia ion mechanisms. Fu he mo e, we ha e made he
assump ion ha adia ion exchange wi hin he hea dissipa o i sel can
be neglec ed, based on he hypo hesis ha he empe a u e wi hin he
elemen emains su icien ly uni o m. P ope ies o he ma e ials
conside ed o he modeling a e desc ibed in Table 3.
Fig. 5 p esen s he ini ial ou comes de i ed om he he mal
modeling. These esul s demons a e a di ec co ela ion be ween he
concen a ion ac o and he inc ease in sola cell empe a u e. No ably,
he aluminum backshee exhibi s supe io hea dissipa ion capabili ies
compa ed o he ea glass, esul ing in lowe sola cell empe a u es
when in eg a ed in o he p o o ype design. To poin ou he high em-
pe a u e g adien obse ed in he glass-glass p o o ype ha e en migh
induce he glass c acking. Fu he mo e, i is no ewo hy ha unde
LCPV condi ions he es ima ed sola cell empe a u es align mo e closely
wi h he maximum ecommended ope a ing empe a u e o 85 ◦C as
s ipula ed in he IEC S anda ds. Howe e , i is essen ial o emphasize
ha his h eshold is exceed when he p o o ype inco po a es glass as
backshee ma e ial. These indings unde sco e he necessi y o in o-
ducing addi ional design conside a ions and pa ame e s in he p o o ype
de elopmen phase o ensu e hei eliabili y and compliance wi h he
manu ac u e ’s wa an y condi ions, he eby mi iga ing he isk o po-
en ial ope a ional ailu es.
A signi ican addi ional design conside a ion o he p o o ypes
employing aluminum backshee s is he assessmen o he impac o
inco po a ing inned hea sinks on he sola cell empe a u e. To add ess
his, a second he mal modeling analysis was conduc ed, ocusing on
de e mining he op imal heigh o he inned hea sinks. The summa ized
esul s o his simula ion a e p esen ed in Table 4. The indings o his
second he mal modeling e ealed a no able end. The inclusion o
inned hea sinks wi hin he design leads o a subs an ial educ ion in
sola cell empe a u es. Specially, in he case o he glass-glass design,
he sola cell empe a u e s ands a 125 ◦C, whe eas inco po a ing a
glass-aluminum shee in he ea side lowe s i o 89 ◦C. Howe e , he
mos signi ican educ ion is achie ed when bo h he glass-aluminum
backshee and inned hea sinks a e employed oge he , esul ing in a
ema kable dec ease o 47 ◦C. Fu he mo e, i is essen ial o no e ha
his in eg a ion o inned hea sinks no only subs an ially lowe s he
o e all empe a u e bu also plays a c ucial ole in minimizing he
empe a u e g adien ac oss he sola cell, as e idenced in Fig. 6. These
esul s unde sco e he c i ical impo ance o conside ing inned hea -
sinks as an in eg al componen in he design phase. Based on hese
indings, CIGS p o o ypes manu ac u ed in his esea ch s udy consid-
e ed he ollowing backshee s: Type I, which consis s o 4 mm- hick
glass, and Type II comp ising 3 mm- hick aluminum wi h a inned
hea sink ha has a heigh o 10 mm and is spaced 50 mm apa . The
inned hea sink used is cos e ec i e solu ion and does no equi e he
use o o ced e ige a ion sys em.
2.4. Cha ac e iza ion equipmen s
Re lec ion and ansmission coe icien s equi ed o he he mal
model ha e been ob ained using a UV-VIS spec opho ome e (Agilen ,
Ca y 4000), while emissi i y has been ob ained in a TIR 100–2 (Inglass)
emissome e as he e lec i i y o adia ion emi ed a 100 ◦C, and
de i ed om he shee esis i i y measu ed wi h an induc i e shee e-
sis i i y me e (Nagy SRM-12).
The elec ical ou doo cha ac e iza ion o he LCPV p o o ypes is
conduc ed employing an IV ace (PVE model PVPM 1000 C
40
calib a e
wi h a e e ence sola cell which ensu es an accu acy o ±2 W).
The empe a u e o he p o o ypes is moni o ed h ough some PT100
Fig. 3. Va ia ion o empe a u e as unc ion o he numbe o g id elemen s.
Fig. 4. P o o ype s uc u e employed in he ini e elemen he mal modeling o
design he hea dissipa o .
Table 3
The mal and op ical p ope ies o he ma e ials o ming LCPV p o o ype.
Ma e ial The mal
conduc i i y
(W⋅m
−2
⋅K)
Emissi i y Abso bance
(%)
T ansmi ance
(%)
Glass 1 0.84 1.8 89.9
CIGS sola
cell
27 0.31 83.6 0
Aluminum 209 0.84 14.2 0
M. Ba ag´
an S´
anchez-Lanuza e al.
Ene gy Con e sion and Managemen 312 (2024) 118572
0196-8904/© 2024 The Au ho (s). Published by Else ie L d. This is an open access a icle unde he CC BY-NC-ND license (h p://c ea i ecommons.o g/licenses/by-
nc-nd/4.0/).
Resea ch Pape
Spec al i adiance, g ound and c op dynamic e lec ance: Key
de e minan s in p edic ing pho ocu en o ag o ol aic sys ems
M. Ba ag´
an S´
anchez-Lanuza
a
,
b
, I. Lillo-B a o
b
, G. Egea
c
, J.M. Delgado-Sanchez
a
,
*
a
Dp . Applied Physics I, Uni e si y o Se ille, C a. U e a km 1, 41013 Se ille, Spain
b
Dp . Ene gy Enginee ing, Uni e si y o Se ille, A da. de los Descub imien os s/n, 41092 Se ille, Spain
c
Dp . o Ag o o es y Enginee ing, Uni e si y o Se ille, C a. U e a km 1, 41013 Se ille, Spain
ARTICLE INFO
Keywo ds:
Bi acial
Ag o ol aic
Spec al da a
Absolu e da a
Op ical model
ABSTRACT
This esea ch del es in o he nuanced dynamics in luencing pho ocu en gene a ed in bi acial pho o ol aic
modules wi hin he amewo k o ag o ol aic applica ions. Ou indings unde sco e he necessi y o using
spec al da a o e absolu e alues ega ds o he wa eleng h dependence o p ecise ene gy yield p edic ions.
Pa icula ly, i is demons a ed ha he g ound e lec ance plays a pi o al ole. The ype o soil (compac o
illed) and c op g ow h cycle con ibu e o empo al a ia ions, signi ican ly a ec ing ene gy p oduc ion.
In o de o alida e he p oposed me hodology o es ima ing pho ocu en gene a ed by APV sys ems based
on spec al da a, we conduc ed es s in wo di e en i adiance condi ions, delibe a ely chosen o hei con as :
clea sky and hazy sky condi ions. Expe imen al measu emen s we e conduc ed o global, di ec , and di use
i adiance spec al componen s in bo h a mosphe ic scena ios. Addi ionally, we pe o med comp ehensi e
spec al e lec ance measu emen s o a ious soil ypes and c ops h oughou an en i e g ow h cycle o depic
he empo al a ia ions in hese alues. I is obse ed an o e es ima ion in he a io be ween on and ea
pho ocu en gene a ed by he bi acial PV module when he model elies on absolu e alues o sola i adiance
and g ound e lec ance, compa ed o u ilizing spec al inpu da a. Fu he mo e, he analysis o absolu e alues
ails o e eal a signi ican dependence on a mosphe ic condi ions.
In summa y, his esea ch discussed he implica ions o spec al da a, geome y and a mosphe ic condi ions,
o bi acial PV modules in ag o ol aic applica ions.
1. In oduc ion
Bi acial pho o ol aic (PV) modules, in con as o con en ional
mono acial PV modules, ha e he capabili y o abso b sola adia ion
om bo h he on and back sides o he PV module [1]. This unique
ea u e allows hem o cap u e no only global adia ion bu also he
di used and e lec ed adia ion om he Ea h’s su ace. The ea lies
esea ch on bi acial PV modules da es back o 1960 [2], p ima ily
ocusing on c ys alline silicon echnology. The i s comme cial p oduc
was de eloped in 1979 specially o he Sola Powe Sa elli e p og am
[3]. Since hen, bi acial PV modules ha e ga ne ed conside able in e es
in he ealm o comme cial la ge-scale PV plan s due o hei po en ial o
inc ease ene gy ou pu while minimizing space equi emen s compa ed
o con en ional PV sys ems. By 2020, he bi acial echnology had
cap u ed 17 % o he module ma ke sha e, a numbe ha has con inued
o climb, eaching 30 % in 2022 [4,5].
Nume ous esea ch s udies ha e examined he in luen ial ac o s
a ec he ope a ional e iciency o bi acial PV modules, including sola
adia ion componen s (global, di ec and di use), il angle, acke
heigh , and albedo coe icien . Despi e he signi icance o hese ac o s, a
p edominan end among PV sys em designe s in ol es ea ing hese
pa ame e s as absolu e alues, dis ega ding spec al in o ma ion. This
p ac ice o en s ems om he limi a ions inhe en in widely used PV
design so wa e such as PVsys o SAM [6–8]. No ably, Mouhib e al. [4]
ou lined speci ic albedo coe icien o a ious g ound ypes, e ealing
alues o 0.334 o ligh soil, 0.414 o whi e sand, 0.140 o g een g ass,
and 0.391 o a conc e e slab. Thei analysis concluded ha he selec ion
o whi e sand as he g ound ma e ial leads o an op imal ene gy yield
scena io o bi acial PV modules. Fu he mo e, Asgha zadeh e al. [9]
assessed a ay misma ch p oduc ion wi h a g ound albedo o 21 %,
while Ghenai e al. [10] un eiled a linea ela ionship be ween ene gy
yield in bi acial PV modules and he albedo coe icien . In a ela ed
s udy, Jang e al. [11] conduc ed comp ehensi e es ing on a bi acial PV
* Co esponding au ho .
E-mail add ess: [email p o ec ed] (J.M. Delgado-Sanchez).
Con en s lis s a ailable a ScienceDi ec
Ene gy Con e sion and Managemen
jou nal homepage: www.else ie .com/loca e/enconman
h ps://doi.o g/10.1016/j.enconman.2024.118572
Recei ed 3 Ap il 2024; Recei ed in e ised o m 7 May 2024; Accep ed 17 May 2024
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sys em, e alua ing a ious ope a ion condi ions including he choice o
e lec ing ma e ial, e ical and il ed o ien a ion, and empe a u e
misma ch. Howe e , hei indings lacked spec al in o ma ion pe -
aining o i adiance o he ma e ial p ope ies o he e lec ing su aces.
Simila ly, Baghel e al. [12] conduc ed a ho ough pe o mance e alu-
a ion o a bi acial PV sys em, op imizing he il angle and albedo co-
e icien using simula ion and expe imen al da a collec ed in India. Also,
Sun e al. [13] de eloped a concise aniso opic model o bi acial PV
modules, conside ing di e en inciden angles and g ound e lec ion
condi ions, bu nei he o hese s udies accoun ed o any spec al alues
in he analysis.
None heless, i is impe a i e o conside he in luence o he spec al
dependence o sola i adiance and g ound su ace e lec i i y in o de
o accu a ely assess he pe o mance o bi acial PV modules, pa icula ly
when compa ing a ious bounda y condi ions [14]. The spec al impac
on bi acial PV modules is o heigh ened signi icance compa ed o con-
en ional c ys alline silicon PV modules due o he independen in-
e ac ions o di e en sola adia ion componen s (global, di ec , and
di use) wi h he su ounding en i onmen and he PV sys em, wi h
hese in e ac ions being inhe en ly spec ally dependen (Fig. 1).
Despi e he signi icance o his ac o , only a limi ed numbe o s udies
ha e u ilized spec ally esol ed da a o in es iga e he pe o mance o
bi acial PV modules. Toni a e al. [15] in es iga ed he co ec ion o
spec al albedo misma ch on bi acial PV modules and hei ene gy
ou pu p edic ion. Addi ionally, Riedel-Lyngskae e al. [16] analyzed
expe imen al da a o bi acial PV sys ems ob ained wi h di e en spec-
o adiome e s and py anome e s, inding spec al impac s anging om
0.98 o 1.20. Fu he mo e, Monok oussos e al. [17] alida ed an op ical
model designed o de ine he spec al i adiance on he ea side o
bi acial PV modules unde s anda d es condi ions.
One o he mos p omising applica ions o bi acial PV modules lies
in ag o ol aic (APV) sys ems. Howe e , in his pa icula design,
heigh ened p ecision is impe a i e o pho ocu en gene a ion, and
la e o he ene gy yield model. This necessi y a ises om he in ica e
in e play o spec al e lec ions wi hin he adjacen componen s, such as
he ege a ion and soils, and i is c ucial o conside ha bo h compo-
nen s modi y hei op ical p ope ies o e ime. So, conside ing bo h
op ical p ope ies as absolu e and cons an o e size he ene gy gene a-
ion es ima ed in he PV sys em. The APV concep was o iginally
de eloped by Goe zbe ge and Zas ow [18], elucida ing ha ele a ing
PV modules o a su icien heigh ensu es he uni o m dis ibu ion o
i adiance on he g ound h oughou he day, he eby acili a ing e i-
cien plan g ow h. Howe e , new ag icul u al echniques ha e unde -
gone signi ican de elopmen in ecen yea s, leading o he
classi ica ion o APV sys ems in o h ee main ypes. The i s in ol es
al e na ing ows o c ops and PV s ings in an open ield. In con as , he
o he wo con igu a ions en ail ins alling PV modules abo e he c ops,
ei he as he oo op co e ing o g eenhouse o by moun ing he PV
modules in an open-ai se ing [19].
So, he p ima y ad an age o APV sys ems lies in he po en ial
augmen a ion o dual land use, he eby mi iga ing he en i onmen al
impac o expansi e PV sys em wi hin socie y [20]. Dup az e al. sug-
ges ed ha land use e iciency could be enhanced o 70 % h ough he
implemen a ion o APV sys ems. This indica es ha a leas 1.7 imes
mo e land would be equi ed o achie e he bene i s om indi idual
sola ene gy gene a ion and con en ional ag icul u al ac i i ies [21].
None heless, he inc eased ins alla ion expenses associa ed wi h PV
modules, in e e s, and acke s on ag icul u al land migh lead o
highe c op p ices, unde sco ing he signi icance o mi iga ing yield
losses in APV sys ems [22].
The undamen al hypo hesis unde lying his sys em posi s ha
ce ain ege ables can wi hs and pa ial shading, he eby esul ing in a
dual bene i o con olling wa e consump ion h ough educed soil
e apo a ion and op imizing plan anspi a ion [23–25]. The iden i i-
ca ion o c ops compa ible wi h PV module shading is pi o al o op i-
mizing he pe o mance o any APV sys em. In e ac ions be ween
adia ion and plan physiology, alongside o he limi ing ac o s o c op
Nomencla u e
R Absolu e e lec i i y
APV Ag o ol aic
DNI Angula losses ac o s o he di ec i adiance
DHI Angula losses ac o s o he di use i adiance
Angula losses ac o s o he e lec ed i adiance
Gb Beam i adiance on a ho izon al su ace
Rc(λ)C op e lec i i y
kd(λ)Di use ac ion co ela ion
DNI(λ)Di ec No mal I adiance
DHI(λ)Di use Ho izon al I adiance
Pou Elec ical ou pu powe o PV module
EQE(λ)Ex e nal Quan um E iciency
FF Fill ac o
GHI(λ)Global Ho izon al I adiance
Rg(λ)G ound e lec i i y
GHIR(λ)G ound- e lec ed i adiance
G on (λ)I adiance on he on side o he PV module
G ea (λ)I adiance on he ea side o he PV module
Voc Open-ci cui ol age
PV Pho o ol aic
β PV module il angle
ϕb Ra io o he beam i adiance on he il ed su ace o ha on
a ho izon al su ace
ξ Rela i e a io be ween on / ea sho -ci cui
pho ocu en in he bi acial PV module
ΔJ Rela i e di e ence be ween absolu e and spec al
pho ocu en
Jsc Sho -ci cui pho ocu en
J on
sc Sho -ci cui pho ocu en in he on side o he bi acial
PV module
J ea
sc Sho -ci cui pho ocu en in he ea side o he bi acial
PV module
R(λ)Spec al e lec i i y
Gd, il To al il ed di use i adiance
Fi,j View ac o coe icien s
Fig. 1. Bi acial PV sys em ins alled on a non-uni o m g ound co e ed by c ops
and soil.
M. Ba ag´
an S´
anchez-Lanuza e al.
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p oduc ion, a e cen al conside a ions. Ce ain ege ables exhibi
ole ance o pa ial shading and can be s a egically plan ed benea h PV
modules (Fig. 2a). Con e sely, o he plan species a e ecommended o
be posi ioned in he gaps be ween PV modules in each a ay (Fig. 2b).
These op ions ha e a c i ical in luence in he op ical model o he
pho ocu en es ima ion o he bi acial PV modules ins alled on he APV
sys em. The selec ion c i e ia o hese placemen s e ol e a ound
ensu ing ha he p esence o PV modules does no ad e sely impac
hei pho osyn he ically ac i e adia ion (PAR) [26–28]. Fo an in-dep h
explo a ion o he en i onmen al ac o s in luencing c op dependence, a
comp ehensi e e iew is a ailable in [29].
Among he a ious PV echnologies a ailable in he ma ke , bi acial
PV modules s and ou as one o he mos ad an ageous op ions o APV
applica ions, ei he la ge-scale sys ems o g eenhouses [30,31]. Ne e -
heless, he accu a e p edic ion o pho ocu en in bi acial PV modules
ins alled in APV sys ems inco po a ing hese modules encoun e s
inhe en complexi ies. Speci ically, he di use i adiance eaching om
he ea su ace o he PV module is con ingen upon he g ound con-
di ion (whe he i be soil o ege a ion) [32]. The non-uni o mi y o
sola adia ion on he ea su ace o he bi acial PV modules s ands as
one o he mos c i ical limi ing ac o s. This non-uni o mi y is hea ily
con ingen upon module ele a ion, pa icula ly p onounced unde
condi ions o non-uni o m i adiance, which a e p e alen in APV sys-
ems [33]. Fu he mo e, c op g ow h s age exe s a no able in luence on
he ype o su ace e lec ion, encompassing Lambe ian e lec ion,
specula e lec ion, di ec ional di use e lec ion, o di use e o-
e lec ion.
An addi ional in icacy ha is o en o e looked in pho ocu en
p edic ions o his na u e pe ains o he inciden angle dependence and
he shadowing e olu ion in he ba e soil o c op zone, a ec ing he e-
lec ed di use i adiance on he ea side o he bi acial PV module. This
issue can be sol ed using he concep o iew ac o s, ypically no in-
eg a ed in o con en ional p edic ions [34]. They ely on he basic
p inciple o conse a ion o adia ion, aiming o es ima e he ac ion o
i adiance e lec ed om neighbo ing su aces o he g ound o he ea
side o a bi acial PV module h ough geome ic conside a ions. I is
essen ial o conside he iew ac o in APV sys ems, as i p o oundly
in luences he spa ial dis ibu ion o shading and he esul homogenei y
o he e lec ed i adiance, he eby impac ing he o e all sys em pe -
o mance. As such, a comp ehensi e unde s anding o he dynamic
in e play be ween g ound condi ions, c op g ow h phases, and he iew
ac o is indispensable o e ining pho ocu en es ima ion models in
bi acial APV sys ems. Howe e , in ou expe ience, he e a e no
p e iously published a icles analyzing he dynamic e ec o c op
g ow h and i s impac on he e lec i i y o e alua e he pe o mance o
bi acial PV modules.
I has been p e iously poin ed ou he ele ance o albedo cha ac-
e iza ion o p edic he pe o mance o APV sys ems. Mo eo e , albedo
depends on he spec al and angula dis ibu ions o he sola i adiance,
which a e linked o he en i onmen al condi ions and he ela i e po-
si ion o he sun o he PV module. Howe e , majo i y o he ene gy
p edic ion models employed absolu e alues o he adia ion [35–38],
and hus, inco po a ing unce ain y o hei esul s.
The p ima y objec i e o his esea ch s udy is o in oduce a spec al
co ec ion ega ds o he wa eleng h dependence in o he pho ocu en
gene a ion p edic ion models applicable o bi acial PV modules in e-
g a ed in o APV sys ems. Con en ionally, hese models ha e elied upon
absolu e alues o i adiance and albedo, o en neglec ing he empo al
e olu ion o c ops and he op ical dispa i ies be ween ba e soil and c op
zones. The ou comes o his esea ch, coupled wi h he p oposed
me hodology, s and o enhance he p ecision o pe o mance p edic ions
o PV sys ems inco po a ing bi acial PV modules. This imp o emen is
c ucial o ad ancing he accu acy o business models essen ial o
widesp ead adop ion o his PV echnology. In pu sui o his objec i e,
ou me hodology inco po a es spec al measu emen s o i adiance,
encompassing Global Ho izon al I adiance (GHI), Di ec No mal I a-
diance (DNI), and Di use Ho izon al I adiance (DHI). Mo eo e , he
me hodology p oposed in eg a es he spec al e lec i i y o bo h soil
and ege a ion, wi h hese alues de i ed om expe imen al da a
moni o ed o e a pe iod o ime o es he in luence o he c op g ow h.
This in o ma ion p esen s an addi ional no el pe spec i e by examining
he dynamic op ical p ope ies esul ing om he na u al e olu ion o
c ops o e ime and elucida es how hese pa ame e s impac he
pho ocu en on he ea side o bi acial PV modules. Two expe imen-
ally dis inc sky condi ions, namely a clea and a hazy sky condi ion
cha ac e ized by ele a ed di use i adiance, a e conside ed o conduc a
sensi i i y es o he p oposed me hodology.
A key elemen o he me hodology in ol es he inco po a ion o he
iew ac o p ocedu e as unc ion o he sun heigh o conside he e ec
o in e - ow dis ance, acke heigh , shadows and c op su ace. By
le e aging his app oach, we compa e he pho ocu en p edic ions
de i ed om spec al alues unde a ious bounda y condi ions. These
esul s a e subsequen ly jux aposed agains p edic ions expec ed when
elying on absolu e alues, as in common in he majo i y o comme cial
so wa e applica ions. Th ough his compa a i e analysis, we aim o
unde sco e he e icacy o ou p oposed spec al co ec ion in enhancing
he accu acy o pho ocu en p edic ions o bi acial PV modules in
di e se en i onmen al condi ions. The o e a ching goal is o con ibu e
aluable insigh s ha will os e ad ancemen s in he adop ion and
op imiza ion o bi acial PV echnology wi hin he b oade con ex o
enewable ene gy sys ems.
While p e ious s udies ha e examined aspec s such as iew ac o
heo y and spec al i adiance da a sepa a ely, ou esea ch ills a sig-
ni ican gap by in eg a ing hese pa ame e s in o a no el uni ied model
o p edic he pho ocu en o APV sys ems. The p oposed model is a
heo e ical explo a ion based in expe imen al measu emen s, including
sola i adiance (absolu e and spec al da a), and op ical e lec ance o
soil and c ops. Impo an ly, we inco po a e dynamic spec al p ope ies
o c ops h oughou hei na u al g ow h cycle, a ea u e no add essed
in p io li e a u e. In his s udy, we p edic he pho ocu en o bi acial
PV modules by syn hesizing a ious in o ma ion sou ces p e iously e-
po ed, including he iew ac o model o c ucial PV plan design
conside a ions (such as in e - ow dis ance, shadows, and acke
heigh ), spec al and absolu e i adiance da a, spec al e lec i i y o
c ops and g ound, and he dynamic e olu ion o c op op ical p ope ies.
2. Ma e ials and me hods
The me hodology s eps o p edic he bi acial pho ocu en gain in
Fig. 2. Di e en APV design: a) ege ables exploi s he shading condi ions
unde PV modules o imp o e hei g ow h condi ions; b) c ops a e placed
be ween a ays o ge maximum i adiance.
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APV sys ems a e succinc ly ou lined in Fig. 3.
The ini ial s age o he p ocess in ol es he op ical cha ac e iza ion
o he g ound o asce ain he spec al e lec i i y R(λ). I is de ined as
he a io o he upwa d hemisphe ic g ound- e lec ed i adiance
GHIR(λ), o he sky Global Ho izon al I adiance GHI(λ), o each
wa eleng h (λ), which can be ep esen ed as ollows [39]:
R(λ) = GHIR(λ)
GHI(λ)(1)
T adi ionally, i is also de ined as an absolu e e lec i i y ha is non-
wa eleng h dependen , calcula ed as he quo ien o he in ege esul
[39]:
R=∫λ
λiGHIR(λ)dλ
∫λ
λiGHI(λ)dλ(2)
Howe e , in his esea ch case, Eq. (1) will be employed o accoun o
he spec al in luence o he g ound and he dynamic e ec s o he c op
g ow h cycle on bi acial PV pe o mance. Conside ing absolu e and
cons an e lec i i y alues o he g ound and c op induces signi ican
de ia ions in he pho ocu en p edic ion o APV sys ems. Spec al
changes in he c op a ea and ba e soil we e measu ed h oughou a
g owing season unde a ying p ecipi a ion and i adiance egimes,
esul ing in di e en soil condi ions and mois u e con en . The equip-
men used o his measu emen is a dual de ec o spec ome e (Uni-
spec-DC, PP Sys em, Amesbu y, MA, USA) ha measu es sola
i adiance and a ge e lec ance simul aneously. The spec ome e
measu es i adiance in 256 con iguous bands o bo h upwelling and
downwelling adia ion co e ing a nominal spec al ange om app ox.
310 nm o 1100 nm. I achie es a Raileigh esolu ion o less han 10 nm
and u ilizes a diode a ay wi h a bin size o 3.3 nm. I s absolu e accu acy
is less han 0.3 nm, ensu ing eliable measu emen s. Synch oniza ion
accu acy is app oxima ely 20
μ
s, and scan ime is ypically unde 1 s,
excluding in eg a ion ime, which can be adjus ed om 3 o 3200 ms o
accommoda e di e en measu emen equi emen s. The down- acing
de ec o is a ibe op ic i ed wi h a ield o iew (FOV) es ic o o
20◦, and he upwa d looking senso head is i ed wi h a cosine di use .
Fibe op ic inpu s a e equipped wi h s anda d SMA 905 connec o s o
easy compa ibili y. Th oughou an en i e c op cul i a ion cycle, spec al
e lec ance measu emen s we e aken using he Unispec-DC spec om-
e e , which allowed o cha ac e ize and analyze he e lec ance spec-
um dynamics o he c op a a ious g ow h s ages. The same
ins umen a ion and me hodology we e used o de e mine he e ec o
illage and a ying mois u e condi ions on he ba e soil spec al e lec-
ance. The c op e lec ance da a co esponds o ha o a ce eal c op
( ice) g own unde ae obic condi ions, so i can be a good ep esen a i e
o o he ce eal speci ies equen ly exploi ed in APV sys ems.
The second phase consis s o he cha ac e iza ion o he o al and
spec al i adiance. The o al DHI, DNI and GHI i adiance has been
measu ed using i s class calib a ed Kipp and Zonen adiome e s. The
CMP21 model is u ilized o measu ing he GHI componen , while he
CMP10 and CHP1 models a e employed o measu ing he DHI and DNI,
espec i ely. All equipmen is calib a ed acco ding o ISO 9060:1990
s anda ds, wi h a spec al ange o 285 o 2800 nm, sensi i i y anging
om 7 o 14
μ
V/W/m2, and spec al selec i i y o less han 3 %.
Ins an aneous spec al i adiance has been measu ed h ough a ac o y
calib a ed EKO MS-711N spec o adiome e . The equipmen was
con igu ed wi h collima ing ubes o na ow he ield o iew o he
spec o adiome e s ape u e o 5◦. Exposu e ime anged om 10 ms o
5 s, depending on he in ensi y o he i adiance condi ions. One o he
spec o adiome e s was in eg a ed in o a acke (wi h an accu acy o
<0.01◦) o au oma ically ollow he sun (DNI), while measu emen s o
GHI and DHI we e aken ho izon ally and coupled o a o a ion shadow
band uni (RSB-01). As he RSB o a es, ou measu emen s a e acqui ed:
in he i s posi ion, he shadow band es s ou side o he ins umen
ield o iew; in he second posi ion, he shadow band s ops a −5
ci c
om he sun disk; in he hi d posi ion, he RSB co e s he sola disk o
pe o m he measu emen ; and in he ou h posi ion, he shadow band
s ops +5
ci c
a e he sun disk. Reco d spec al da a e e y minu e in
s eps o 0.5 nm, co e ing a bandwid h om 300 o 1100 nm, wi h a
bandpass nominally <7 nm (de ined as he ull wid h a hal maximum
(FWHM)), and a wa eleng h accu acy o +/−0.2 nm [40]. Addi ionally,
his equipmen was used in conjunc ion wi h a da a logge (Campbell
Scien i ic CR1000) o eco d he equi ed pa ame e s. The de ices a e
ins alled a he Uni e si y o Se ille (Spain: 37.41 N, 6.01 W). The
measu emen s we e aken a he men ioned loca ion; howe e , he
me hodology is applicable o any loca ion whe e spec al i adiance da a
a e a ailable.
The hi d phase is c ucial o de e mining he i adiance on he ea
side o he bi acial PV module. The i adiance on he on side o he
bi acial PV module (G on )can be calcula ed by [41]:
G on =GbRb+Gd, il +Rˆ
A⋅GHI(1−cosβ
2)(3)
whe e Gb ep esen s he beam i adiance on a ho izon al su ace; Rb is
he a io o he beam i adiance on he il ed su ace o ha on a ho i-
zon al su ace; Gd, il is he o al il ed di use i adiance, and he mos
ex ended p ocedu e o e alua e his pa ame e is he model o P´
e ez
[42]; R is he e lec i i y coe icien ; and β is he PV module il angle.
Fo his esea ch case i is conside ed ha he PV module is moun ed on
one axis- acke , which is he mos ep esen a i e si ua ion o la ge-
scale PV sys ems, so β ma ch wi h he sun heigh .
The i adiance on he ea side o he bi acial PV module (G ea )is
calcula ed ollowing he Appelbaum model [34] and he iew ac o
heo y, assuming ha he ow o PV modules in any a ay is in ini ely
long due o i s leng h being signi ican ly g ea e han he dis ance be-
ween adjacen a ays. In any ene gy ans e p ocess, he iew ac o is
de ined as he po ion o he adia i e hea lux lea ing su ace A ha
s ikes su ace B. Tha is, he iew ac o measu es how e ec i ely one
su ace can see ano he su ace, solely om a geome ic pe spec i e.
View ac o s play a c ucial ole in ans e ing i adiances om ho i-
zon al planes o il ed planes and in conside ing po en ial losses asso-
cia ed wi h shadows o di e en su ace ma e ial p ope ies. I is also
Fig. 3. P ocedu e o e alua e he bi acial pho ocu en gain in APV sys ems.
Phases a e iden i ied on he le , and de ailed inpu o each phase a e desc ibed
on he igh .
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assumed a Lambe ian di use e lec ion aniso opic dis ibu ion ins ead
o a specula pa e n.
G ea =GHIˆ
A⋅[Rg(F ea
u,g+F ea
s,g)+Rc(F ea
u,c+F ea
s,c)]+DHI(1+cosβ
2)(4)
whe e GHI and DHI deno e he global and di use ho izon al i adiance
spec a, espec i ely; Rg and Rc ep esen he g ound and c op e lec-
i i y coe icien s, espec i ely. The e m Fj
i accoun s o a ious iew
ac o coe icien s, whe e he subsc ip s u,s,g,c deno e “unshadow”,
“shadow”, “g ound” and “c op”, espec i ely. The calcula ion o hese
iew ac o s employs Ho el’s c ossed-s ing ule [34] as depic ed in
Fig. 4. As an illus a i e example, Eq. (3) ou lines he p ocedu e o
calcula ing he iew ac o o he shadow e ec on he ba e soil su ace
[43]:
Fs,g=∑c ossed s ings −∑unc ossed s ings
2ˆ
A⋅sou ce s ing =AD +BE −AE −BD
2ˆ
A⋅AB
(5)
Addi ionally, he angula losses ac o s o he di ec ( DNI), di use ( DHI)
and e lec ed ( )i adiance can be ob ained h ough he ollowing
equa ions [13]:
DNI =
exp(−cos(β
a ))−exp(−1
a )
1−exp(−1
a )(6)
DHI =exp[−1
a (c1(sinβ+
π
−β−sinβ
1+cosβ)+c2(sinβ+
π
−β−sinβ
1+cosβ)2)]
(7)
=exp[−1
a (c1(sinβ+β−sinβ
1−cosβ)+c2(sinβ+β−sinβ
1−cosβ)2)] (8)
whe e a is he speci ic angula loss coe icien o each PV echnology
( ypically 0.17 o c ys alline sola cells), and he alues o o he pa-
ame e s can be ound in he e e ence [44].
The coo dina es o he a ious poin s in Fig. 4 a e inco po a ed in o a
Ma lab code o de elop a comp ehensi e APV simula o . This simula o
enables he calcula ion o he i adiance on he ea su ace o he
bi acial PV module as a unc ion o ac o s such as he dis ance o he
ba e soil o c op g ound, albedo coe icien s o ba e soil o c ops, inci-
den angle, acke heigh , he numbe o PV modules ins alled in he
acke , and o he ele an pa ame e s.
The inal s age o he modeling p ocess in ol es inco po a ing he
i adiance ou pu om phase 3 in o he bi acial PV module o assess he
a io be ween he cu en densi y gene a ed on he ea side and he
on side. This a io, as pe he desc ibed p ocedu e, is di ec ly in lu-
enced by he e lec ion ac o s p e iously discussed. Va ious bi acial PV
modules a e cu en ly a ailable in he ma ke , each exhibi ing dis inc-
i e cha ac e is ics. These include he PERT opology known o i s
lowe suscep ibili y o ligh -induced deg ada ion, PERL opology wi h
bo on locally di used in he con ac egions on he ea side, PERC
widely u ilized in la ge-scale PV sys ems, IBC ype wi hou a me al g id
con ac on he on side, and HIT, dis inguished by i s n- ype. Fo his
esea ch s udy, a PERC bi acial PV module om JA Sola , ex ensi ely
employed in con empo a y la ge-scale PV sys ems, is selec ed. The
echnical speci ica ions a e comp ehensi ely ou lined in Table 1.
To assess he sensi i i y o he bi acial PV module o g ound- e lec ed
i adiance, his esea ch employs ex e nal quan um e iciency (EQE)
da a o e alua e he pe o mance o he de ice. The EQE quan i ies he
e iciency o con e ing inciden pho ons o elec ons wi hin he sola
cell, making i a wa eleng h-dependen unc ion. The examina ion o
he EQE plo enables he in e p e a ion o spec al egions con ibu ing
Fig. 4. APV sys em geome y o calcula e iew ac o coe icien s in wo su aces o in ini e leng hs, upon he su ace is shadow/unshadow and ba e soil/c op.
Table 1
Bi acial PV module da ashee .
Dimensions [cm
2
] 21,900
No. o cells 156 (6x26)
Maximum Powe (P
max
) [W] 450
Open Ci cui Vol age (V
oc
) [V] 53.58
Maximum Powe Vol age (V
mp
) [V] 45.28
Sho Ci cui Cu en (I
sc
) [A] 10.46
Maximum Powe Cu en (I
mp
) [A] 9.94
Module e iciency (
η
) [%] 20.4
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o pho ocu en gene a ion. Fu he mo e, EQE acili a es he compu a-
ion o sho -cu en densi y (J
sc
) o he de ice [45]:
Jsc =∫λ2
λ1
EQE(λ)ˆ
A⋅G(λ)dλ(9)
whe e G(λ) ep esen s he inciden i adiance on he PV module. A
de ailed analysis o he EQE o e s insigh s in o op ical losses conce ning
a e e ence condi ion. Consequen ly, o accu a e pho ocu en p edic-
ion in APV sys ems, whe e i adiance is in luenced by he spec al
pe o mance o a ious componen s, his calcula ion is pa amoun o
ob ain p ecise esul s in e ms o pho o ol aic ene gy gene a ion.
3. Resul s and discussion
In his sec ion, ou app oach is cen e ed on elucida ing he key
componen s essen ial o cons uc ing he ene gy model, as delinea ed in
he p eceding sec ions. Each o hese componen s will unde go a
comp ehensi e analysis o un eil he indi idual nuances and con ibu-
ions. Subsequen ly, a me iculous compila ion o hese analyzed com-
ponen s will be unde aken o gene a e a comp ehensi e epo on he
inal pho ocu en gene a ed by he APV sys em. A c i ical aspec o his
analysis in ol es a dedica ed explo a ion in o he sensi i i y o each
componen .
3.1. G ound op ical cha ac e is ics
The empo al e olu ion o he dispa i y in diu nal c op spec al
e lec i i y is illus a ed in Fig. 5, showcasing examples o e d y and we
soil condi ions. The composi ion o he soil, he pe cen age o su ace
co e ed by he c op, and he ype o c op, has a high in luence on he
albedo. Assuming a uni o m azimu hal o ien a ion dis ibu ion and a
andom spa ial a angemen o lea elemen s [46], he inclina ion dis-
ibu ion unc ion unde goes modi ica ions h oughou he c op g ow h
cycle, in luencing he in e cep ion o i adiance. Consequen ly, he
pe cen age o soil impac ing g ound e lec ance diminishes o e ime.
Addi ionally, he spec al e lec i i y o mos g een lea es exhibi s
simila i y, explicable h ough he selec i e abso p ion o i adiance by
lea pigmen s and wa e . No ably, lea pigmen s such as ca o enoids and
chlo ophyll exhibi p onounced abso p ion in he isible egion, wi h a
peak abso p ion ange a ound 400–650 nm. Beyond his spec al ange,
nei he lea pigmen s no wa e signi ican ly in e ac wi h i adiance,
esul ing in ele a ed e lec i i y. Gene ally, a c op’s spec al e lec i i y
is p ima ily dic a ed by he p obabili y o pho on in e ac ion wi h ei he
he c op o he soil su ace. Ne e heless, physiological p ocesses wi hin
c ops in oduce a ia ions in lea op ical p ope ies, he eby o e ing an
a enue o assess c op heal h diagnosis h ough op ical cha ac e iza ion
[47,48].
As depic ed in Fig. 5, lea spec al e lec i i y expe iences an
augmen a ion in he Nea -In a ed (NIR) ange due o he in luence ha
canopy a chi ec u e, ege a ion densi y, and o he ac o s ela ed o lea
s uc u e and canopy a angemen plays on NIR e lec i i y. S a is ical
compa isons we e execu ed h ough one-way ANOVA es a 95 %
con idence le el (p <0.05). The maximum e lec i i y alues a e
obse ed o be 47 % a 779 nm o he ea ly g ow h s age and achie ing
a maximum alue o 57 % o he same wa eleng h. Mo eo e , i is also
obse ed how he change o ba e soil by c ops educes he spec al
e lec i i y o he g ound om 25 % o 10 % in he ange o 550 o 700
nm. This obse a ion clea ly has a signi ican in luence on he spec al
i adiance incoming on he ea side o he bi acial PV module, educing
i s ene gy gene a ed. The c op e lec i i y da a co esponds o ha o a
ce eal c op ( ice) g own unde ae obic condi ions, so i can be a good
ep esen a i e o o he ce eal speci ies equen ly exploi ed in APV
sys ems.
The signi icance o comp ehending e lec i i y o accu a e pho o-
cu en p edic ions in bi acial PV modules is obse ed in Fig. 5. This
op ical pa ame e is inhe en ly in luenced by he mo phological cha -
ac e is ics o he conside ed su ace, impa ing ei he an iso opic o
aniso opic albedo en i onmen . No ably, exis ing li e a u e and widely
adop ed PV design so wa e o en assume he g ound o beha e as a
Lambe ian e lec o , cha ac e ized by uni o m e lec ion in all di-
ec ions. Howe e , unde hese condi ions, he spec al e lec i i y o
he g ound emains in a ian h oughou he day, leading o an o e -
es ima ion o p edic ed pho ocu en . Fo ins ance, he spec al e lec-
i i y o compac soil exhibi s inc eased specula i y when he soil is
compac ed compa ed o i s illed s a e be o e c op plan a ion, conse-
quen ly a o ing a mo e di use e lec i i y pa e n. Addi ionally, when
he soil is i iga ed, he e lec i i y is also educed due o he wa e
abso p ion. In ligh o hese conside a ions, a ious op ical models a e
a ailable in he li e a u e [49] (Table 2), and hei inco po a ion in o
he modelling p ocess is impe a i e o assess he sensi i i y o p edic ed
pho ocu en o g ound mo phology condi ions. This app oach ac-
knowledges he dynamic na u e o g ound e lec i i y and aims o e ine
accu a e pho ocu en p edic ions by accoun ing o ealis ic su ace
cha ac e is ics.
Table 3 summa izes he esul s o he absolu e e lec i i y ob ained
o each spec um showed in Fig. 5, as pe Eq. (2). These alues will also
Fig. 5. Spec al e lec i i y measu ed as unc ion o wa eleng h (a) and dynamic c op g ow h (b), bo h compa ed o di e en ypes o soil: illed d y ( ed dash line),
illed we (blue dash line) and d y compac (black do line). (Fo in e p e a ion o he e e ences o colou in his igu e legend, he eade is e e ed o he web
e sion o his a icle.)
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be conside ed in he model o highligh di e ences in pho ocu en
p edic ion when absolu e o spec al alues a e u ilized as aw da a.
3.2. Sola i adiance cha ac e is ics
The ene ge ic impac o he spec al i adiance is o pa icula
impo ance o de e mine he pho ocu en es ima ion o any PV sys em,
bu undamen al o APV sys ems based on bi acial PV modules. How-
e e , spec al i adiance da abase is no eadily a ailable a any loca ion
wi h su icien empo al and spa ial esolu ion [50], so ypically e-
sea che s use i adiance absolu e alues, bu i s unce ain y is p opa-
ga ed di ec ly o he pho ocu en p edic ion. We ha e selec ed wo days
isually iden i ied as “clea sky” and “hazy sky” by expe ienced expe s.
The selec ed clea and hazy sky days co espond o he days 22nd July
and 28 h June 2023, espec i ely. Bo h days we e moni o ed a high
esolu ion, ge ing da a a each nanome e wi h a 1-min equency. Bo h
se o da ase s a e used o in es iga e he sensi i i y o he me hodology
p oposed o e alua e he pho ocu en gene a ed by he APV sys em.
The daily adia ion p o iles o he absolu e GHI, DNI and DHI compo-
nen s a e shown in Fig. 6.
Fig. 7 shows he di e en componen s o he spec al i adiance
measu ed unde wo di e en condi ions: clea and hazy sky. Fig. 7 il-
lus a es ha when sola adia ion eaches he Ea h’s su ace, i no
only impac s i adiance bu also in luences spec al componen s. The
sola i adiance spec um exhibi s a iabili y h oughou he day, a
phenomenon e iden in all componen s: GHI, DNI, and DHI. The DHI
componen is con en ionally unde s ood o be uni o mly dis ibu ed
ac oss he sky unde clea sky, wi h he highes alues expec ed du ing
midday (Fig. 7c), co esponding o he ypical o ien a ion o PV modules
in one-axis acke . Howe e , Fig. 7 demons a es how he DHI spec al
dis ibu ion unde goes modi ica ion on a ypical day cha ac e ized by
hazy sky condi ions, whe e an inc ease in a mosphe ic mass esul s in
b oade spec um wi h heigh ened in ensi y. The di use ac ion co -
ela ion (kd)is subsequen ly compu ed o assess he impac o he
spec al di use i adiance componen on he selec ed days o his
analysis (Fig. 8) [51].
kd(λ) = DHI(λ)
GHI(λ)(10)
While he selec ed clea sky condi ions yield di use ac ion coe icien
(kd) alues close o 0, he day wi h hazy sky condi ions p esen s highe
alues, pa icula ly du ing sunse and noon hou . Mo eo e , on he hazy
sky day, kd exhibi s no able inhomogenei y in e ms o wa eleng h
dependence, unde sco ing he signi icance o inco po a ing spec al
i adiance da a o accu a e ene gy yield p edic ions. In he subsequen
sec ion, his in o ma ion is jux aposed wi h he spec al sensi i i y o he
PV module.
Table 4 compiles he absolu e alues o sola i adiance componen s
measu ed on he same days using a con en ional py anome e ins ead o
one spec o adiome e . Al hough hese absolu e alues align e ec i ely
wi h he in eg a ion o spec al i adiance da ase s, he p edic ed
pho ocu en di e ges in bo h cases due o he wa eleng h dependen
na u e o he quan um e iciency o he sola cell.
Taking in o accoun he spec al sola i adiance and he spec al
e lec i i y o he g ound and acknowledging he dependence o his
pa ame e on he ex en o c op co e age o e he soil, he dis ibu ion
o i adiance inciden on he ea side o he bi acial PV module can be
Table 2
Op ical models o he g ound e lec i i y.
Iso opic models
Liu-Jo dan Rdi =1+cosβ
2
Ko okanis Rdi =1
3(2+cosβ)
Badescu Rdi =1
4(3+cos(2β))
Aniso opic models
Willmo Rdi =BN b
S0+Cβ(1−BN
S0)
Gueyma d Rdi =(1−Ng)Rd0+NgRd1
Ma-Iqbal Rdi =k b+ (1−k )(1+cosβ
2)
Table 3
Absolu e e lec i i y R calcula ed om spec um showed in Fig. 5.
Ba e soil
Compac Tilled d y Tilled we
27 % 14 % 13 %
C op g ow h cycle
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
10% 9% 9% 10% 12% 13% 12% 14% 12% 14% 15% 16% 19% 18%
Fig. 6. Daily absolu e GHI, DNI and DHI alues moni o ed o wo di e en days: clea sky (a) and hazy day (b).
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simula ed (Fig. 9). This calcula ion is pe o med wi h he expe imen al
da a eco ded wi h he acke posi ioned a 45◦, co esponding o 11 h
GMT on July 22nd. The calcula ed i adiance exhibi s a nonuni o mi y
o 27 % o he lowe PV module and 8 % o he highes PV module
ins alled in he acke in a 2 V con igu a ion. I is shown ha he dis-
ibu ion is no uni o m wi h he lowe side o he PV module ecei ing
highe i adiance, which is explained by he iso opic dis ibu ion o DHI
componen and he conside a ion o shadowing e ec s h ough he
co esponding iew ac o s.
Fu he mo e, i is obse ed ha sola i adiance in ensi y inc eases
when he g ound is ully co e ed by c ops, and no ba e soil is conside ed.
This phenomenon occu s because, despi e he spec al e lec i i y o
ba e soil displaying mo e uni o m alues han c ops, he la e exhibi
highe e lec ance in he ange o 600 o 1100 nm. These esul s a e
aligned wi h p e ious esea ch epo ed by Monok oussos e al. [52]
who pe o med a simila app oach bu conside ing only g a e g ound
albedo condi ions wi hou any in luence om he c op o APV appli-
ca ions. This inhomogenei ies a e negligible i he modeling is ca ied
ou using absolu e sola i adiance and g ound e lec i i y alues.
3.3. PV module spec al in luence
Based on he semiconduc o ma e ials chosen o he manu ac u ing
o he sola cell, and hei espec i e band gaps, signi ican a ia ions in
he sensi i i y o di e se PV echnologies o spec al sola i adiance can
be disce ned. Fig. 10 [53] shows he spec al esponse o a ious PV
echnologies a ailable a la ge scale in he comme cial ma ke , all o
which ha e pu po edly been enginee ed wi h bi acial p ope ies
Fig. 7. Spec al sola i adiance measu ed o wo di e en days, sunny condi ions a) GHI, b) DNI, c) DHI; and haze condi ions d) GHI, e) DNI, ) DHI.
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[54–56]. A compa ison be ween Fig. 10 and Fig. 5 dis inc ly e eals ha
a-Si and CdTe echnologies exhibi low pho ocu en gene a ion in any
bi acial APV sys em. This is a ibu ed o he misma ch in spec al
sensi i i y conce ning wa eleng h wi h he e lec ed i adiance. None-
heless, when he p edic ion o pho ocu en is calcula ed acco ding o
Eq. [11], u ilizing absolu e alues o g ound e lec i i y (
ρ
), absolu e
i adiance (G ea ), and he IV ypical op oelec onic pa ame e s (Jsc,Voc,
FF)de i ed om each PV echnology, he e exis s no c i e ium o
dismiss a-Si and CdTe PV echnologies o bi acial APV applica ions. The
inclusion o spec al da a in he model is impe a i e o ensu e he ac-
cu a e pho ocu en p edic ions [57].
Pou =Jsc ˆ
A⋅Voc ˆ
A⋅FF
G ea
(11)
Addi ionally, Riedel-Lyngskae e al. [16] epo ed he spec al esponse
o di e en bi acial PV samples based on c-Si (IBC, PERT and PERC),
no ing negligible dis inc ions among hem and be ween on and ea
sides o he PV module.
To assess he easibili y o bi acial PV modules in one-axis acking
o APV applica ions, we ha e adap ed he me hodology ou lined by
Mouhib e al. [4] o de e mine he gene a ed on and ea pho ocu -
en s, along he pho ocu en a io (ξ)[Eqs. (12)–(14)]:
J on
sc =∫SR on (λ)ˆ
A⋅G on (λ)dλ
∫G on (λ)dλ(12)
J ea
sc =∫SR ea (λ)ˆ
A⋅G ea (λ)dλ
∫G ea (λ)dλ(13)
ξ=J ea
sc
J on
sc
(14)
Fig. 8. Di use ac ion coe icien (k
d)calcula ed o a) clea sky, and b) hazy sky.
Table 4
Absolu e daily i adiance measu ed o bo h selec ed days: a) clea sky, and b)
hazy sky condi ions.
Clea sky Hazy sky
GHI (kWh⋅m
−2
⋅day
−1
) 8.29 6.73
DNI (kWh⋅m
−2
⋅day
−1
) 9.62 3.25
DHI (kWh⋅m
−2
⋅day
−1
) 1.18 3.84
Fig. 9. Sola i adiance ela i e dis ibu ion simula ed on he ea su ace o
he bi acial PV, as a unc ion o he c op co e ac ion e sus soil
Fig. 10. No malized spec al esponse o comme cial la ge-scale PV echnol-
ogies [34].
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The in eg al limi s encompass he wa eleng h ange co esponding o
he spec al esponse o he sola cell and he i adiance measu emen
ange. Unde his de ini ion, i he bi acial PV module ecei es equi a-
len ene gy on bo h aces, he pho ocu en a io (ξ)a ains a alue o 1.
This me ic p o es aluable o quan i ying he pho ocu en enhance-
men on he ea side o he PV de ice, con ingen upon he geome ical
cha ac e is ics o he APV sys em and he op ical p ope ies o he
g ound. Ano he pe inen ad an age o he pho ocu en a io (ξ)lies in
assessing a ia ions in he spec al condi ions o sola i adiance. In
cases whe e he absolu e ene gy inciden on bo h sides o he bi acial PV
module emains he same bu expe iences spec al modi ica ions due o
g ound e lec ance, he pho ocu en a io (ξ)de ia es om 1. These
nuances canno be cap u ed using con en ional Eq. (11) and absolu e
alues o p edic he pho ocu en .
Fig. 11 and Table 5 illus a e he pho ocu en gene a ed by he ea
side o he bi acial PV module unde a ious sky condi ions as unc ion
o he g ound e lec ance. The aim is o emphasize he signi icance o
inco po a ing spec al aw da a in pho ocu en p edic ions. I is
obse ed ha , unde clea sky condi ions whe e he di ec no mal
i adiance (DNI) is p edominan (Fig. 7b), he maximum pho ocu en
occu s when he acke is nea ly ho izon al, co esponding o midday.
In con as , unde hazy sky condi ions whe e he di use ho izon al
i adiance (DHI) is dominan (Fig. 7e), he maximum pho ocu en is
achie ed when he acke is in quasi- e ical posi ion o maximize he
Lambe coe icien , which is dependen on he cosine o he acke
inclina ion.
Fu he mo e, g ound condi ions exe a subs an ial in luence on he
ea side pho ocu en . As g ound inc eases he c op/ba e soil a io, he
e lec ance ises in hose wa eleng hs ma ching well wi h he sola cell
spec al esponse, he eby enhancing he pho ocu en gene a ed on he
ea side o he bi acial PV module. This obse a ion unde sco es he
ad an ages o hyb id con en ional PV sys ems wi h ag icul u al appli-
ca ions, le e aging c op e lec i i y in he bi acial PV module.
Analysis o Fig. 11, speci ically pa s c) and d), leads o he conclu-
sion ha he in luence o g ound op ical p ope ies becomes mo e p o-
nounced when he acke angle inc eases, owing o he iew ac o in
such con igu a ion. While, unde clea sky condi ions, he di e ence
be ween on and ea pho ocu en emains ela i ely cons an
h oughou he day, i is no able ha unde hazy sky condi ions, he
Fig. 11. Pho ocu en gene a ed in he ea side o he bi acial PV module as unc ion o he shaded, ba e soil and c op su ace using spec al i adiance da a o a
clea sky (a) and hazy sky condi ions (b). Rea and on pho ocu en a io (ξ)gene a ed in clea sky (c) and hazy sky (d) condi ions.
Table 5
Compa ison o es ima ed on and ea side bi acial PV module pho ocu en
a io (ξ)unde di e en sky condi ions and g ound e lec ance when using
spec al o absolu e aw da a as inpu .
C op/ba e soil
a io (%)
Clea sky condi ions Hazy sky condi ions
ξ spec al
da a
ξ absolu e
da a
ξ spec al
da a
ξ absolu e
da a
0 0.111 0.165 0.143 0.165
27 0.103 0.164 0.136 0.164
53 0.086 0.163 0.118 0.163
80 0.083 0.161 0.114 0.161
100 0.081 0.160 0.112 0.160
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ou doo o moni o he sho -ci cui cu en ela i e o a e e ence
sample e olu ion unde di e en en i onmen al condi ions (sola i a-
diance and ambien empe a u e). The e e ence sample consis s o one
iden ical p o o ype o LSC ones bu wi hou any dye embedded in
glass-glass. I jus conside s ou sola cells a he edges o he glass
subs a e, keeping he same geome y o he LSC p o o ypes. Fig. 6 il-
lus a es he no malized sho -ci cui cu en o he LSC compa ed o he
e e ence sample (glass-glass lamina ion wi h he same speci ica ions as
he LSC p o o ype bu wi hou any embedded dye) unde h ee sola
ad e se i adiance condi ions: (a) clea and sunny sky; (b) hazy sky; and
(c) pa ially cloudy sky. To co ela e he no malized sho -ci cui cu -
en wi h he sola i adiance componen , i is p esen ed alongside he
di use ac ion coe icien (kd), which is calcula ed as [28]:
kd=DHI
GHI ×100 [Eq. 2]
The kdis in e p e ed such ha on sunny days wi h a p edominan
DNI componen , i ends owa ds ze o, whe eas unde a mosphe ic
condi ions cha ac e ized by a dominan DHI componen , i ends o-
wa ds 100 %. Thus, in Fig. 6a–c, we can compa e he ela ionship be-
ween changes in he no malized sho -ci cui cu en o he p o o ype
and he inciden adia ion condi ions.
In Fig. 6a, i is obse ed ha unde sunny sky condi ions, he sho -
ci cui cu en moni o ed in he LSC p o o ype is app oxima ely 20 %
highe han he e e ence sample, wi h signi ican enhancemen s du ing
he sun ise and sunse (a ound 35 %). The explana ion o hese peaks
lies in wo ac o s. Fi s , du ing hese pe iods, he i adiance spec a
unde go a sligh spec al change o a mo e p onounced esponse in he
UV wa eleng hs, as Debije e al. [10] poin ed ou , he eby a o ing he
ma ching wi h he dye abso p ion spec um. Howe e , i his we e he
sole explana ion o his phenomenon, i would ail o accoun o he
enhanced pe o mance obse ed expe imen ally unde hazy o pa ially
cloudy skies. To p o ide a mo e comp ehensi e unde s anding, i is
necessa y o conside he in luence o he Lambe ian DHI dis ibu ion,
and he iso opic dis ibu ion o he dipoles. Second, i is also no ed ha
du ing hese imes, he kdinc eases signi ican ly, indica ing a mo e
p onounced DHI componen in he sola spec um. Wi h he dominance
o he DHI componen , he pho o esponse o he LSC is heigh ened due
o he inc eased p obabili y o abso p ion by he dipoles.
The a o emen ioned conclusion is u he co obo a ed upon exam-
ining Fig. 6b and c, depic ing hazy and pa ially cloudy condi ions,
espec i ely, wi h highe a e age alues o kd. In hese scena ios, whe e
sola i adiance exhibi s a highe DHI componen alongside an iso opic
na u e in he di ec ion o inciden ligh ec o s, he a io o sho ci cui
cu en in he LSC p o o ypes no malized o he e e ence sample dis-
plays a no able inc ease compa ed o sunny days. This obse a ion un-
de sco es he no ion ha unde di use condi ions, he p obabili y o
pho on abso p ion by he dipoles cons i u ing he dyes is signi ican ly
augmen ed. This phenomenon occu s because he di use componen
aligns ha moniously wi h he iso opic o ien a ion dis ibu ion o he
dipoles wi hin he LSC p o o ype dye.
A ele an pa ame e o comp ehending sola i adiance in luence
wi hin he LSC p o o ype pe ains o he ela i e o ien a ion o he dyes
wi h espec o he sola posi ion h oughou he day. Pho on in-
e ac ions wi h he dye a e heigh ened when he elec ic ield ec o
aligns pa allelly wi h he abso p ion ansi ion dipole momen o he
dye. The o ien a ions o hese ansi ion momen s a e dic a ed by he
elec onic s uc u e o he dye. A lo o o ganic molecules employed in
he LSC design, such as pe ylene o py anine, exhibi some deg ee o
linea i y, showcasing hei dominan ansi ion dipole momen along
one axis o he molecula s uc u e (Fig. 7). The LSCs designed wi h
liquid c ys als a e g ounded in his p inciple, s i ing o align he dyes in
a speci ic di ec ion o op imize sola i adiance cap u e. Howe e , he
emi ed pho on by he dye possesses an elec ic ield ec o pa allel o
he ansi ion dipole momen , esul ing in he op imized dye o ien a ion
o abso p ion being he leas a o able con igu a ion o emission and
ligh guidance o he sola cell a he LSC’s pe iphe y [29]. Simila ly,
op imizing he emission o ien a ion yields subop imal esul s. Thus,
achie ing a balance in he design be ween abso p ion and emission
en ails he iso opic o ien a ion o ansi ion dipole momen s [30].
The ope a ional p inciple o a LSC, while dis ega ding in e nal losses
such as S oke shi s and e-abso p ion, elies on h ee p ima y ligh -
ma e in e ac ion p ocesses [5]: (1) abso p ion o sola i adiance, (2)
e-emission, and (3) ligh guidance ia o al in e nal e lec ion. Gi en
ha an LSC emains ixed in posi ion ( o example ho izon al) while he
sun’s posi ion changes h oughou he day, he p obabili y o abso p ion
(Pabs(θ)) by any dipole c ea ed in he dyes as a unc ion o he sun’s
posi ion can be calcula ed, by applying Lambe ’s law, as ollows:
Fig. 4. Spec al i adiance expe imen ally measu ed du ing a) clea sunny sky,
b) hazy sky, and c) pa ially cloudy sky day. Expe imen al da a we e aken on
Ma ch 26 h, 2023 (clea sunny sky); on Ap il 9 h, 2023 (hazy sky); on Ma ch
6 h, 2023 (pa ially cloudy).
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Pabs(θ) = ∫2
π
0dϕ∫θ
0I sin θdθ
∫2
π
0dϕ∫
π
0I0dθ=2
π
∫θ
0I0cos θsin θdθ
4
π
I0
=1
4(1−cos2θ)[Eq. 3]
Whe e I0 ep esen s he sola i adiance in ensi y. As i was p e iously
men ioned, he majo i y o o ganic dyes a e
π
-conjuga ed molecules,
wi h he ansi ion dipole momen s o abso p ion and emission con-
ained in he conjuga ion plane [31]. Eq (3) demons a es ha he
angula dis ibu ion o abso bed pho ons is no iso opic (Fig. 7). Pabs
depends on he angle (θ)o he ansi ion dipole abso p ion wi h espec
o he pola iza ion o he inciden ligh . In he pa icula case o sola
i adiance consis ing pu ely o DNI componen , he maximum Pabs is 25
% when bo h ec o s a e pe pendicula .
When he emi ed pho on eaches he bounda y be ween he
dielec ic hos (n1)and he ex e nal medium (n2), o al in e nal e lec-
ion occu s, as a consequence o he Snell Law, i he angle θbe ween he
wa e ec o and he su ace no mal exceeds he c i ical angle θc.
θc=sin−1(n2
n1)[Eq. 4]
The e o e, he p obabili y o emi ing a pho on ha is guided wi hin
he LSC o each he sola cell a he edge is de e mined by:
Pem =∫2
π
0dϕ∫
π
−θc
θcI sin θdθ
∫2
π
0dϕ∫
π
0Idθ=2
π
∫
π
−θc
θcI sin θdθ
4
π
I=cos θc=
1−(n2
n1)2
√
[Eq. 5]
In he mos common design scena io, whe e he dielec ic hos ma e ial
is glass-based o a polyme such as PMMA (n1=1.5;n2=1), he
heo e ical p obabili y o emi ing pho ons ha a e use ul om a PV
pe spec i e is app oxima ely 75 %, al hough he expe imen al epo ed
alues in he li e a u e a e consis en ly lowe . These pe cen ages we e
expe imen ally alida ed in he labo a o y using an in eg a ing sphe e o
compa e he LSC emission h ough bo h he aces and he edges,
ob aining a apping e iciency o 66 %, as p e iously epo ed o hese
de ices [29]. This sligh disc epancy be ween heo e ical and expe i-
men al alues sugges s some deg ee o sca e ing. Howe e , his
sca e ing emains consis en ac oss di e en angles o inciden adia-
ion. This esea ch compa es ela i e measu emen s be ween he LSC
p o o ype and he e e ence sample. The pe o mance measu ed unde
di e en adia ion condi ions uses he same se o samples. The e o e,
he sca e ing e ec in he ligh guide is assumed o be negligible and
does no a ec he esul s p esen ed in he ollowing sec ions when
compa ing di ec and di use adia ion condi ions.
Gi en ha each dye molecule can be e ec i ely ep esen ed as a
single elec ical dipole and p esuming an iso opic spa ial dis ibu ion o
hese dipoles (excluding cases in ol ing liquid c ys als [28]), he like-
lihood o encoun e ing a dipole wi h a pa icula o ien a ion emains
uni o m ac oss all spa ial di ec ions. This assump ion s ems om he
undamen al p emise ha he dis ibu ion o dipoles wi hin he medium
exhibi s no p e e en ial alignmen o di ec ional bias. Consequen ly,
i espec i e o he di ec ion unde conside a ion, he p obabili y o
encoun e ing a dipole wi h a speci ic o ien a ion emains consis en
h oughou he medium. Aligning his spa ial dis ibu ion o abso p ion
dipoles wi h bo h componen s o he sola i adiance spec um, i can be
hypo hesized ha , as DHI is andomly o ien ed, he e always exis s an
abso p ion dipole o ien ed no mally o he pola iza ion ec o o he
incoming ligh . Howe e , he ac ha he dipole dis ibu ion is iso opic
ende s i less e icien in cap u ing pho ons om he DNI componen ,
since such cap u e is de ined by Lambe ’s Law and he ela i e angle
be ween he inciden ec o o sola adia ion and he no mal o he
dipole plane. Thus, he e ec i e di ec adia ion on he dipole would be
I=I0cos θ, whe e o a gi en posi ion o he sun he e will always be a
se o dyes wi h op imum o ien a ion o he sun ele a ion posi ion (0.6 %
p obabili y) abso bing I0, and he emaining dyes (99.4 %) will cap u e
less e ec i e di ec adia ion depending on hei ela i e o ien a ion
(Fig. 8), bu always sa is ying I<I0.
To assess he in luence o di ec and di use adia ion on he pe -
o mance o LSC, he ad e se a mosphe ic condi ions, desc ibed in
Fig. 4, a e inco po a ed in o he dye abso p ion spec um. Conside ing
he a ying o ien a ions o he dyes and hei impac on he e ec i e
di ec componen , he expe imen al DNI is adjus ed based on he cosine
o he ela i e angle be ween each dye and he sun posi ion, while he
DHI is ea ed iso opically, ollowing Lambe ’s dis ibu ion. In o de o
assess he sensi i i y o he heo e ical model, ou di e en dyes
Fig. 5. Absolu e i adiance expe imen ally measu ed du ing h ee ad e se sky condi ions: a) sunny, b) hazy, and c) pa ially cloudy. Expe imen al da a we e aken
on Ma ch 26 h, 2023 (clea sunny sky); on Ap il 9 h, 2023 (hazy sky); on Ma ch 6 h, 2023 (pa ially cloudy).
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(Lumogen Red, Lumogen Yellow, DCM, and PM650) a e examined.
Thei abso p ion spec a ha e been expe imen ally cha ac e ized [8]
(see Fig. 9). The u iliza ion o di e se dyes acili a es he analysis o
ma ching hei speci ic spec al esponses o he sola i adiance
spec um.
In Fig. 10, i is demons a ed ha he i adiance abso p ion capaci y
o all dyes is no ably highe o he DHI componen compa ed o he DNI
componen . This phenomenon a ises om he iso opic dis ibu ion o
dyes wi hin he hos ma e ial o he LSC de ice. The o al abso p ion
p ocess conside s he con olu ion o he a o emen ioned mechanism o
each dipole o ien a ion wi h espec o he ins an aneous sun ele a ion
posi ion. This implies ha , om he pe spec i e o DNI, he e is also a
leas one se o dipoles o ien ed op imally wi h espec o he incoming
ligh ec o . Howe e , om he pe spec i e o DHI, as he incoming ligh
ec o ollows a Lambe ian dis ibu ion, all dipoles a e pe pendicula o
i , he eby enhancing he abso p ion p obabili y. Consequen ly, du ing
hazy sky days when he DHI componen p edomina es, he pho on ab-
so p ion p ocess by he dye is mo e e icien compa ed o sunny sky days
whe e he DNI componen p edomina es.
Despi e each dye possessing an in insic spec al esponse, as illus-
a ed in Fig. 9, he pe o mance o he dyes wi h espec o bo h DNI and
DHI emains consis en ac oss all selec ions. Consequen ly, all dyes
exhibi an inc eased abso p ion capaci y du ing hazy sky condi ions in
con as o sunny sky condi ions.
By combining expe imen al sola adia ion da a wi h he measu ed
abso p ion spec a o a ious dyes, we calcula ed he LSC ela i e
abso bed i adiance unde di e en en i onmen al condi ions. This
app oach allows us o assess how each dye pe o ms in di e se se ings,
aking in o accoun a ia ions in he sola adia ion componen s. The
Fig. 6. No malized sho ci cui cu en o LSC p o o ype ela i e o a e e ence
sample unde h ee ad e se sola i adiance condi ions: a) sunny and clea sky;
b) hazy sky; and c) pa ially cloudy sky.
Fig. 7. The abso p ion p obabili y dis ibu ion as a unc ion o sola ele a ion.
Despi e he dye’s iso opic dis ibu ion in he hos ma e ial, he abso p ion
p obabili y o incoming i adiance is aniso opic, depending on he ela i e
weigh o DNI and DHI componen s.
Fig. 8. Illus a ion o he abso p ion capaci y o sola i adiance by he dyes, as
a unc ion o hei ela i e o ien a ion o he posi ion o he sun, conside ing
bo h DNI and DHI componen s.
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esul s, which highligh he di e ences in abso bed i adiance among
he dyes, a e p esen ed in Fig. 10, and hey a e consis en wi h he
heo e ical p obabili y o adia ion cap u e, as de e mined by Eq. (3)
and plo ed in Fig. 7.
Acco ding o he heo e ical analysis, he maximum p obabili y o
cap u ing adia ion, pa icula ly o a dipole wi h he op imum ela i e
o ien a ion o he incoming ligh ec o and a adia ion componen
consis ing solely o DNI, was app oxima ely 25 %. The e o e, he
heigh ened pho o esponse o he LSC de ice unde di use condi ions
ein o ces he heo e ical p emise pu o h ea lie , emphasizing he
ad an ageous pho on abso p ion p ope ies o dyes in such en i on-
men al se ings compa ed o clea -sky condi ions.
Tables 2 and 3 summa ize he absolu e alues o he abso bed
adia ion a io o each componen , DNI, DHI, and GHI, espec i ely,
de i ed om he in eg a ion o he spec al abso p ion alues o each
dye, acco ding o Eq. (6) o Eq. (8):
ΓDNI(%) = ∑
i,θ
[IDNI(λ,θi)⋅cos θi]⋅[
α
dye(λ)]
∑
θ
IDNI(λ,θ)×100 [Eq. 6]
ΓDHI(%) = ∑
i,θ
[IDHI(λ,θi)]⋅[
α
dye(λ)]
∑
θ
IDHI(λ,θ)×100 [Eq. 7]
ΓGHI(%) = ∑
i,θ
[IDNI(λ,θi)⋅cos θi]⋅[
α
dye(λ)]+∑
i,θ
[IDHI(λ,θi)]⋅[
α
dye(λ)]
∑
θ
IDNI(λ,θ) + ∑
θ
IDHI(λ,θ)×100
[Eq. 8]
Fig. 9. Abso p ion spec um o ou ypical dyes commonly used in LSC ech-
nology, embedded in a PMMA hos ma e ial.
Fig. 10. Dye abso bed i adiance ela i e o sola inciden i adiance, o wo ad e se clima ic condi ions: sunny sky ( ed) and hazy sky (blue), calcula ed o ou
dyes wi h di e en spec al esponses: a) PM650, b) DCM; c) Lumogen Red; and d) Lumogen Yellow.
Table 2
Rela i e dye abso p ion o incoming sola i adiance, as a unc ion o he sola
i adiance componen s, o a sunny sky day.
Dye ΓDNI(%)ΓDHI (%)ΓGHI (%)
Lumogen Yellow 22 % 24 % 22 %
Lumogen Red 23 % 28 % 23 %
DCM 20 % 23 % 21 %
PM 650 21 % 23 % 22 %
Table 3
Rela i e dye abso p ion o incoming sola i adiance, as a unc ion o he sola
i adiance componen s, o a hazy sky day. Simila esul s ob ained o pa ially
cloudy sky.
Dye ΓDNI(%)ΓDHI (%)ΓGHI (%)
Lumogen Yellow 21 % 26 % 25 %
Lumogen Red 22 % 25 % 25 %
DCM 20 % 25 % 25 %
PM 650 21 % 24 % 23 %
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Whe e IDNI(λ,θi)and IDHI(λ,θi) ep esen he inciden sola i adiance
de ailed in he di ec and di use componen s, λis he wa eleng h, θiis
he ela i e angle o each dye dipole o he sun ele a ion o each ins an ,
and
α
dye(λ)is he spec al abso p ion o he dye. The calcula ion is
ei e a ed, aking in o accoun he wo ad e se scena ios: sunny and
hazy skies days. Pa ially cloudy condi ions ep esen an in e media e
s a e be ween hem. This comp ehensi e analysis p o ides insigh in o
he compa a i e abso p ion pe o mance o he dyes unde a ious sky
condi ions.
The heo e ical es ima ion (Eq. (3)) aligns wi h he obse ed ends
in Tables 2 and 3, whe e he i adiance abso p ion capaci y o he DNI
componen is lowe compa ed o he DHI componen . This conclusion is
u he ein o ced by compa ing Table 2 (sunny sky) wi h Table 3 (hazy
sky), which esul s in highe alues in he la e . The e o e, he indings
p esen ed subs an ia e he heo e ical p edic ions ega ding he p oba-
bili y o adia ion cap u e in LSC de ices. The p eceding esul s e eal
sligh a ia ions in he a ios o abso bed adia ion ela i e o inciden
adia ion o he DNI and DHI componen s among di e en dyes, e en
unde simila wea he condi ions. This disc epancy can be elucida ed by
examining wo aspec s: (1) he spec al ma ching be ween he inciden
adia ion spec um o each ime poin and componen and he speci ic
abso p ion spec um o each dye, as illus a ed in Fig. 9. The nuanced
di e ences in abso p ion a ios unde sco e he in ica e in e play be-
ween he spec al cha ac e is ics o inciden adia ion and he spec al
abso p ion p ope ies o indi idual dyes wi hin LSC de ices. (2) he
o de pa ame e o he selec ed dye. The o de pa ame e (s)is usually
de ined as [32]:
s=A‖−A⊥
A‖+2A⊥
[Eq. 9]
whe e A‖and A⊥a e he abso bance alues o he sample, when inciden
ligh was pola ized pa allel and pe pendicula o he alignmen di ec ion
o he hos LCs, espec i ely. A comple ely andom molecule has an
o de pa ame e o s=0, whe eas pe ec alignmen o he dye wi h i s
abso p ion axis ully pa allel o he inciden ligh yields s=1 (Fig. 11).
P e ious s udies [33–35] ha e epo ed ha Lumogen Red and Lumogen
Yellow abso p ion is sligh ly de ia ed om he plane, wi h an o de
pa ame e close o s=0.2 ( his means ha he pa allel and pe pendic-
ula a io is 7:3). In con as , he dyes DCM, and PM650 demons a e
p e e en ial abso p ion aligned wi h hei molecule axis (s=0.7)( his
means ha he pa allel and pe pendicula a io is 9:1).
In ou doo LSC applica ions, sola i adia ion eaches he dipole a
oblique inciden angles. Assuming ha he dye molecules a e iso opi-
cally dis ibu ed wi hin he hos ma e ial, he e ec i e abso p ion co-
e icien (
α
)is calcula ed, de i ing om Eq. (9), as [36]:
1
α
2=cos2θ
α
2
‖
+sen2θ
α
2
⊥
[Eq. 10]
whe e θ ep esen s he ela i e angle o he dipole o ien a ion o he sun
ele a ion, while
α
‖and
α
⊥deno ed he pa allel and pe pendicula ab-
so p ion coe icien s, espec i ely. Co ela ing his cha ac e is ic wi h
he esul s p esen ed in Fig. 10, i is e iden ha Lumogen Red and
Yellow a e less sensi i e o he cosine e ec (Lambe ’s Law) in he
Di ec I adia ion componen o he sola i adiance spec um compa ed
o DCM o PM650. This esul con as s wi h he obse a ions made in
LSCs wi h aligned dyes, such as hose based on liquid c ys als o polyme
s e ching echniques. I sugges s ha dyes wi h dipole o ien a ions
sligh ly di e ing om he plane (such as Lumogen Red) migh ha e a
compe i i e ad an age o e pu ely linea dyes (such as DCM) o ou -
doo applica ions. This would add o he al eady epo ed ad an ages o
Lumogen Red, such as b oad abso p ion ange, high quan um yield,
pho os abili y, and o he s epo ed by a ious au ho s [37].
I is widely acknowledged ha one o he no able ad an ages o LSC
de ices lies in hei applicabili y o pho o ol aic ene gy gene a ion in
u ban se ings and in eg a ed wi hin building a chi ec u e [38–42]. In
his esea ch s udy, he op ical beha io o hese de ices unde a ying
componen s o sola i adiance has been elucida ed, wi h he o e -
a ching goal o de i ing meaning ul conclusions. Ou indings indica e
ha he pe o mance o LSC de ices is no ably augmen ed when di use
adia ion p edomina es. This phenomenon is pa icula ly e iden in
u ban en i onmen s, whe e inciden ligh may unde go sca e ing om
su ounding su aces, he eby dis up ing he inhe en di ec ional na u e
o sola i adiance, e en in loca ions whe e he DNI componen p e ails.
In essence, LSC de ices demons a e a ema kable adap abili y o
di e se ambien condi ions. Fu he mo e, ou sugges ions a e ha hei
pe o mance is pa icula ly enhanced du ing he sun ise pe iod, and on
hazy o pa ially cloudy days. This enhancemen can be a ibu ed o
mul iple ac o s, including he modi ica ion o he spec um o sola
i adiance obse ed unde di use condi ions, which aligns mo e a o -
ably wi h he abso p ion spec a o he dye, bu especially, he iso opic
dis ibu ion o he ligh , which inc eases he likelihood o pho on ab-
so p ion by he dipoles wi hin he op ical window o he LSC de ice.
Fig. 11. Schema ic displaying dyes selec ed o his s udy wi h ad e se o de pa ame e and p edominan abso p ion di ec ions: a) Lumogen Red wi h s=0.2, and
b) DCM wi h s=0.7.
M. Ba ag´
an S´
anchez-Lanuza e al.
Sola Ene gy Ma e ials and Sola Cells 276 (2024) 113073
9
4. Conclusions
In conclusion, his s udy has p o ided a heo e ical jus i ica ion o
he ope a ional e icacy o LSC de ices unde bo h di ec and di use
sola i adiance condi ions. Speci ically, we ha e demons a ed ha , o
a LSC wi h iso opic o ien a ion o luminescen dyes, di use adia ion
condi ions a e mo e a o able due o he Lambe ian dis ibu ion o his
adia ion componen , which inc eases he p obabili y o pho on ab-
so p ion by he dipoles wi hin he op ical window when hey exhibi an
iso opic dis ibu ion. This conclusion holds ue i espec i e o he
selec ed dyes.
Fu he mo e, ou doo moni o ing o LSC p o o ypes unde di e se
en i onmen al condi ions, including sunny, hazy, and pa ially cloudy
days, has yielded aluable insigh s. We obse ed a no able inc ease in
sho ci cui cu en (35 %) when he di use ac ion coe icien
inc eased, indica ing a p e alence o di use adia ion in sola i adi-
ance, compa ed o clea and sunny skies (25 %). This empi ical inding
unde sco es he pe o mance enhancing e ec o di use adia ion on
LSC de ices.
Mo eo e , spec al measu emen s o DNI, DHI, and GHI ha e
e ealed an in ensi y boos in he UV spec um egion when he DHI
componen p edomina es, ma ching mo e closely wi h he abso p ion
spec um o he dye. This spec al alignmen , obse ed du ing sunse ,
and du ing hazy o pa ially cloudy days, con ibu es o he obse ed
inc ease in LSC pe o mance.
As a u u e esea ch di ec ion, ou goal is o conduc simila ou doo
measu emen campaigns unde a ied clima ic condi ions and employ-
ing a wide ange o dyes. Expanding he scope o expe imen al in-
es iga ions will no only enhance ou unde s anding o LSC beha io
bu also con ibu e o he op imiza ion o hese de ices o p ac ical
applica ions in di e se en i onmen al se ings.
CRediT au ho ship con ibu ion s a emen
Miguel Ba ag´
an S´
anchez-Lanuza: W i ing –o iginal d a , Fo mal
analysis, Da a cu a ion. Isido o Lillo-B a o: W i ing –o iginal d a ,
Supe ision, Me hodology, Concep ualiza ion. Amado Men´
endez-
Vel´
azquez: W i ing –o iginal d a , Resou ces, In es iga ion. Jose-
Ma ia Delgado-Sanchez: W i ing –o iginal d a , Supe ision, Re-
sou ces, Me hodology, In es iga ion, Fo mal analysis,
Concep ualiza ion.
Decla a ion o compe ing in e es
The au ho s decla e ha hey ha e no known compe ing inancial
in e es s o pe sonal ela ionships ha could ha e appea ed o in luence
he wo k epo ed in his pape .
Da a a ailabili y
Da a will be made a ailable on eques .
Acknowledgmen
We would like o ex end ou since e app ecia ion o P o . Miguel
La a˜
ne a o his suppo on managing he me eo ological s a ion
acili ies.
Re e ences
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M. Ba ag´
an S´
anchez-Lanuza e al.
Pho onic C ys al Beam Spli e Elec ode in Kes e i e
Tandem Sola Cells: A Nume ical App oach
Miguel Ba agán Sánchez-Lanuza,* Isido o Lillo-B a o, Jose A. Lopez-Al a ez,
and Jose-Ma ia Delgado-Sanchez
1. In oduc ion
Kes e i e-based ma e ials, such as Cu
2
ZnSnS
4
(CZTS),
Cu
2
ZnSnSe
4
(CZTSe), and Cu
2
ZnSn(S,Se)
4
(CZTSSe), ha e
eme ged as p omising p- ype abso be laye s o hin-film sola
cells. These ma e ials o e he po en ial o
define e ec i e de ice a chi ec u es ha
educe cos s and allow he exploi a ion o
ea h abundance ma e ials.
[1–5]
The e fi-
ciency o his pho o ol aic (PV) echnology
is significan ly influenced by i s laye s uc-
u e, ypically composed o a back con ac
elec ode, p- ype abso be , n- ype bu e
laye , and one on anspa en con ac
elec ode. Op imizing he laye s uc u e is
c ucial o inc ease hei e ficiency. While
he Shockley–Queisse limi (≈32.23%)
se s an uppe bound o sola cells e ficien-
cies, Sieben i
[6]
compa ed i wi h kes e -
i e sola cells o iden i y he mos ele an
in insic losses mechanisms. Al hough
kes e i e sola cells cu en ly achie e e fi-
ciencies o 13.6%,
[7]
which a e lowe han
he 23.25%
[8]
achie ed by he chalcopy i e-
based sola cells, he la e is he mos sim-
ila hin-film PV echnology a ailable oday.
Ob iously, kes e i e eco d e ficiency is s ill
a away om he con en ional silicon ech-
nology ex ended used in PV modules.
The e o e, despi e he ac ha kes e i e
sola cells a e o en p esen ed as one o he main u u e op ions
o cos -e ec i e sola cells, i is impe a i e o imp o e he e fi-
ciency o cu en de elopmen s. P e ious s udies ha e indica ed
ha he e ficiency o kes e i e sola cells is di ec ly ela ed o he
composi ion o he abso be laye : Moholka e al.
[9]
demon-
s a ed ha he e ficiency o CZTS abso be s inc eases om
1.35% o 4.13% as he Cu/(ZnþSn) a io inc eases om 0.8
o 1.1. Chandel e al.
[10]
epo ed ha he bandgap o CZTS films
can be uned in he ange o 1.45–1.58 eV by adjus ing he mola
concen a ion o Zn and Sn. Ayala e al.
[11]
examined he s uc-
u al op ical ea u es o Cu
2
ZnGeS
4
kes e i e and ound an op i-
cal bandgap ene gy close o 1.8 eV, which is expec ed o yield a
maximum e ficiency o 8.5%. The inco po a ion o Ge inc eases
he bandgap, while he inco po a ion o Se educes i o CZTS.
Howe e , i is no only he composi ion i he abso be laye ha
poses a limi a ion; he he e ojunc ion na u e o kes e i e sola
cells also e eals addi ional challenges: he bu e laye and
he abso be laye canno achie e an op imal p–n junc ion in e -
ace due o he o ma ion o a high concen a ion o Cu
Zn
a he
in e ace, which pins he Fe mi le el in he middle o he
bandgap.
[12]
Mo eo e , band- ail s a es wi hin he CZTS abso be
laye con ibu e o low V
oc
(open-ci cui ol age),
[13]
and he
ecombina ion mechanism o he CZTSSe is highly influenced
M. B. Sánchez-Lanuza, J.-M. Delgado-Sanchez
Depa men o Applied Physics I
Uni e si y o Se ille
A enida de los Descub imien os s/n, Se ille 41092, Spain
E-mail: migba [email protected]
M. B. Sánchez-Lanuza, I. Lillo-B a o, J. A. Lopez-Al a ez
Depa men o Ene gy Enginee ing
Uni e si y o Se ille
Ca e e a U e a km 1, Se ille 41013, Spain
The ORCID iden ifica ion numbe (s) o he au ho (s) o his a icle
can be ound unde h ps://doi.o g/10.1002/pssa.202300734.
© 2024 The Au ho s. physica s a us solidi (a) applica ions and ma e ials
science published by Wiley-VCH GmbH. This is an open access a icle
unde he e ms o he C ea i e Commons A ibu ion-NonComme cial-
NoDe i s License, which pe mi s use and dis ibu ion in any medium,
p o ided he o iginal wo k is p ope ly ci ed, he use is non-comme cial
and no modifica ions o adap a ions a e made.
DOI: 10.1002/pssa.202300734
The majo i y o nume ical esea ch on kes e i e andem sola cells has p e-
dominan ly ocused on a wo- e minal (2T) configu a ion ha u ilizes an ideal
unnel junc ion. He ein, he pe o mance o kes e i e andem sola cells by
in oducing a pho onic c ys al s uc u e (1DPC) as in e media e laye in bo h
h ee- e minal (3T) and ou - e minal (4T) configu a ions is in es iga ed. The
pho onic c ys al (1DPC) is designed by s acking ITO and SiO
2
laye s wi h he
e minal laye consis ing o NiO. Op ical p ope ies o he 1DPC a e modeled.
This inno a i e app oach o e s se e al ad an ages. 1) The 1DPC selec i ely
eflec s lowe wa eleng hs, e ec i ely enhancing he sho -ci cui cu en densi y
(
J
sc
) o he op subcell, while he sola i adiance spec um a highe -wa eleng h
op imum o he subcell is no a ec ed. 2) The 1DPC se es as an in e media e
elec ode, needed o he 3T o 4T configu a ion. 3) Replacing he con en ional
Mo back con ac wi h a NiO laye significan ly boos s he open-ci cui ol age
(
V
oc
) o he op subcell. The findings demons a e ha hese configu a ions
exhibi highe pe o mance compa ed o p e iously epo ed esul s.
Fu he mo e, he u iliza ion o 3T and 4T configu a ions, inco po a ing he 1DPC
as an elec ical beam spli e , p o ides an e ec i e and accu a e design compa ed
o he 2T configu a ion using ideal unnel junc ions.
RESEARCH ARTICLE
www.pss-a.com
Phys. S a us Solidi A 2024, 2300734 2300734 (1 o 11) © 2024 The Au ho s. physica s a us solidi (a) applica ions and ma e ials science
published by Wiley-VCH GmbH
by in e ace ecombina ion due o a cli - ype band alignmen a
he bu e –abso be in e ace. In o de o minimize in e nal
losses in ca ie anspo mechanism and imp o e sola cell e fi-
ciencies, s a egies in ol ing g aded CZTS abso be laye s ha e
been also explo ed.
[14,15]
The design o andem de ices (Figu e 1) holds pa icula in e -
es o hin-film echnologies,
[16]
because i allows o o e com-
ing p ac ical e ficiency limi a ions by combining di e en
op oelec onic pa ame e s ob ained wi h di e en bandgaps and
spec um abso p ion anges. Se e al andem s uc u es based on
CZTS/CZSTSSe, as well as combina ions wi h o he echnolo-
gies such as pe o ski es and silicon, ha e been p oposed.
[17–19]
In 2T andem cells (Figu e 1a), he wo subcells a e connec ed
in se ies by an in e connec ion wi hou any in e media e elec-
ode, wi h he ad an age o ha ing only wo e minals, simpli-
ying i s in eg a ion in o he PV module. Howe e , his design
equi es he inco po a ion o a unnel junc ion laye , which adds
complexi y o he manu ac u ing p ocess o achie e he desi ed
specifica ions: a hin and hea ily doped hin film, wi h high op i-
cal ansmission, la ice ma ching, and highe bandgap han he
bo om cell o a oid pa asi ic abso p ion o he sola adia ion.
Such specifica ions o en equi e deposi ion echniques like epi-
axial g ow h, which a e no eadily a ailable in he con en ional
hin-film manu ac u ing p ocesses.
[20]
Al e na i ely, in 4T an-
dem sola cells (Figu e 1b), he subcells a e ab ica ed indepen-
den ly and finally joined oge he by mechanical s acking, which
equi es an op ically anspa en insula ing laye . This configu-
a ion p o ides op ical coupling wi hou elec ical coupling, elim-
ina ing he need o cu en ma ching. Howe e , a significan
disad an age o his configu a ion is he equi emen o mo e
han one anspa en elec ode, esul ing in inc eased pa asi ic
abso p ion. Addi ionally, mo e cable and maximum powe poin
acke s become necessa y, leading o a nega i e cos impac .
[21]
This esea ch s udy in es iga es and compa es he pe o -
mance o bo h 3T and 4T andem configu a ions (Figu e 1b
and c, espec i ely), o iginally p oposed by Nagashima e al.
[22]
wi h he widely adop ed 2T design. The 3T configu a ion allows
o he indi idual ope a ion o op and bo om subcells in a
monoli hic de ice, p edic ing ha he pho ogene a ed cu en
densi y is simila as 2T design. Fu he mo e, each subcell can
be ope a ed independen ly a hei maximum powe poin acke
as he 4T design.
[23]
A key inno a ion in he p oposed 3T and 4T
andem sola cells is he u iliza ion o a 1D pho onic c ys al
(1DPC) as a eplacemen o he in e media e elec ode. This
1DPC is composed o anspa en conduc i e oxides (TCOs)
ma e ials s acked, p o iding no only elec ical unc ionali y as
an elec ode bu also in oducing he no el capabili y o beam
spli ing o enhance he pe o mance o he andem sola cell.
Mo eo e , he 1DPC has a laye o NiO on op, ac ing as a p- ype
TCO ma e ial, o ming an ohmic con ac wi h he abso be laye
ins ead o o ming a Scho ky ba ie wi h de imen al conse-
quences in he sola cell pe o mance. Significan ly, unlike p e-
ious li e a u e, ou p oposal app oach a oids he equi emen o
unnel junc ions, which a e ypically simula ed wi h ideal cha -
ac e is ics o ci cum en hei inhe en challenges. Ins ead, ou
esea ch o e s a mo e p ac ical and eliable al e na i e, which we
belie e acili a es expe imen al in es iga ions wi h imp o ed
accu acy and ep oducibili y.
2. Expe imen al Sec ion
2.1. De ice S uc u e
Based on Figu e 2, he simula ed s uc u e o he sola cell com-
p ised a CZTS/CZTSSe andem junc ion. The op and bo om
subcells consis ed o CZTS (wi h a bandgap o 1.45 eV) and
CZTSSe (wi h a bandgap o 1.096 eV), espec i ely. The design
o bo h a chi ec u es was based on he expe imen al esul s
epo ed by Shin e al.
[24]
and Wang e al.
[25]
These a chi ec u es
se ed as he baseline cell o ou s udy, bu se e al modifica ions
we e implemen ed o explo e s a egies o inc easing he e fi-
ciency o he andem sola cell. The laye s o he cell we e
a anged as ollows: AZO/i-ZnO/CdS/CZTS o he op subcell
and i-ZnO/CdS/CZTSe/Mo o he bo om subcell. In he op
subcell, an aluminum-doped ZnO (AZO) laye se ed as he
anspa en on elec ode, while molybdenum (Mo) ac ed as
he back con ac in he bo om subcell. The n- ype bu e laye
consis ed o a cadmium sulfide (CdS) hin film. Table 1 p o ides
u he de ails on he pa ame e s used o each ma e ial.
[26–31]
Figu e 1. Schema ic ep esen a ion o de ice configu a ion: a) 2T andem sola cell; b) 4T andem sola cell using a dielec ic 1DPC; c) 3T andem sola
cell using a n- ype 1DPC.
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2.2. Beam Spli e
The incoming sola spec um can be spli be ween he wo
abso be s selec ed o he andem sola cells, o example, by
means o a 1DPC, which is placed be ween he wo subcells
(Figu e 2). Spec um spli ing elimina es he p oblem o la ice
ma ching in andem sola cells; a he same ime, as i sepa a es
elec ical connec ions minimizing he p oblem o he cu en
ma ching.
[32]
Sola i adiance ene gy wi h low wa eleng h is
mos ly abso bed in he op subcell; meanwhile, highe wa e-
leng hs a e abso bed in he bo om subcell. Al hough he e a e
op ical losses in he ma e ials, a po ion o he low-wa eleng h
ene gy is no abso bed, bu i is eflec ed om he selec i e
1DPC su ace and is di ec ed back o he op subcell passing
h ough i by a second ime inc easing he op ical abso p ion
p obabili y. This eflec ion does no a ec he ene gy ansmi ed
a high-wa eleng h ange sui able o he bo om subcell. Also,
unlike sola spec um spli e s made om mo e con en ional
bu nonconduc ing anspa en op ical ma e ials such as silica
o i ania, hese ma e ials can be eplaced by TCO, adding an
ex a unc ionali y se ing as in e media e elec odes in he 3T
andem sola cell. The e o e, he ansmi ed spec um ðGλÞ o
he bo om subcell is gi en by
Gλ¼G0,λ· exp Xαi,λdi
·Rλ.1DPC (1)
whe e G0,λis he inciden sola spec um, αi,λis he abso p ion
coe ficien o each ma e ial o he op sola cell, diis he hickness
o each laye o ming he op sola cell, and Rλ,1DPC is he eflec-
i i y o he 1DPC in e media e elec ode ac ing as beam spli e .
The 1DPC is specifically designed o consis o al e na ing
laye s o wo anspa en ma e ials, enabling he e ac ion,
eflec ion, and ansmission o sola i adiance a each in e ace
o he mul ilaye . By ca e ully selec ing he hicknesses and
e ac i e indexes o hese ma e ials ðn1,n2Þ, cons uc i e in e -
e ence among he eflec ed ligh occu s a a pa icula wa e-
leng h. This phenomenon defines he posi ion o he B agg
peak, which is he eflec ance co esponding o he fi s o de o
he mul ilaye . B agg peak cha ac e is ics can be easily adjus ed
by p ope manipula ion o he hickness and op ical p ope ies o
he mul ilaye s uc u e, achie ing o bidden gaps as a minimum
in he ansmi ance spec a. The maximiza ion o eflec ance is
achie ed by ensu ing ha he pe iodic hickness o he mul ilaye
sa isfies he λ
=
4condi ion (Equa ion (2)) based on op ical p inci-
ples. Addi ionally, he wid h o he B agg peak is influenced
by he index con as be ween he ma e ials used in he design
o he 1DPC, while s ill con o ming o he λ
=
4condi ion
(Equa ion (3)).
[33]
R1DPC ¼14n1
n2
N
¼141Δn
n2
N
(2)
ΔE1DPC ¼4E1DPC
π
n2n1
n2þn1
¼4E1DPC
π
Δn
2n1þΔn(3)
whe e E
1DPC
is he ene gy o he B agg peak. Upon examining
hese equa ions, i becomes e iden ha he eflec i i y is
enhanced as he numbe o laye s s acked inc eases (N), and
he wid h o he B agg peak is di ec ly influenced by he con as
in e ac i e index ðΔnÞ.
Figu e 2. Schema ic c oss sec ion o he 3T andem sola p oposed and
he 1DPC beam spli e as in e media e elec ode.
Table 1. Pa ame e se o he simula ion o he sola cell s uc u es.
Pa ame e TCO ZnO CdS CZTS CZTSSe
Thickness [nm] 450 50 50 Va iable Va iable
Bandgap [eV] 3.3 3.3 2.4 1.45 1.09
Elec on a fini y [eV] 4.6 4.6 4.5 4.3 4.1
Dielec ic pe mi i i y 7.8 7.8 8 10 13.6
Elec on e ec i e mass 0.275 0.275 0.28 0.18 –
Hole e ec i e mass 0.59 0.59 0.70 0.71 –
Conduc ion band e ec i e densi y o s a es [cm
3
] 3.6 10
18
3.6 10
18
1.8 10
18
2.2 10
18
2.2 10
18
Valence band e ec i e densi y o s a es [cm
3
] 1.1 10
19
1.1 10
19
2.2 10
19
1.8 10
19
1.8 10
19
Elec on mobili y [cm
2
Vs
1
] 150 150 160 100 100
Hole mobili y [cm
2
Vs
1
] 2525504444
Dono concen a ion [cm
3
]510
20
210
17
210
17
00
Accep o concen a ion [cm
3
] 000510
16
210
16
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inc eases wi h he wo k unc ion o he ma e ial selec ed as back
con ac in he sola cell. This ou come explains why V
oc
alues
ob ained in he p esen s udy o he op subcell (as p esen ed
in Table 5) a e highe han hose epo ed in he p e ious
li e a u e.
4. Conclusion
This a icle p esen s a nume ical in es iga ion using SCAPS
so wa e o in es iga e andem kes e i e sola cells in 3T/4T con-
figu a ion, inco po a ing a no el 1DPC mul ilaye as an in e me-
dia e elec ode. The 1DPC, composed o s acked ITO and SiO
2
laye s wi h a NiO laye on op, o e s a p omising and eliable
configu a ion o a beam spli e , e ec i ely boos ing he
open-ci cui ol age o he op subcell.
The esea ch s udy began wi h he calib a ion o he modeling
pa ame e s o accu a ely ep oduce he pe o mance o bo h
CZTS and CZTSSe abso be laye s as achie ed expe imen ally.
Subsequen ly, he hicknesses o he op and bo om subcells
we e op imized, aking in o accoun he modified i adiance
spec um due o he op ical p ope ies o 1DPC. The 1DPC
eflec s lowe wa eleng hs o imp o e he J
sc
in he op subcell,
while conside ing he abso p ion spec a o he 1DPC and CZTS
o calcula e he J
sc
in he bo om subcell. Once he op imal hick-
nesses we e de e mined, he pe o mance o he andem sola
cell was e alua ed in bo h 3T and 4T configu a ions, achie ing
e ficiencies o 22.71% and 23.07%, espec i ely. These esul s
we e compa ed wi h p e ious epo s in he li e a u e, mainly
ocusing on he 2T configu a ion assuming an ideal unnel junc-
ion laye .
Fu he mo e, his esea ch highligh s ha eplacing he con-
en ional Mo elec ode wi h NiO as he back con ac o he op
subcell significan ly boos ed he V
oc
, he eby enhancing he o e -
all pe o mance o he de ice. This imp o emen can be a ib-
u ed o he analysis o he and ene gy le els in he he e os uc u e
o he sola cell, demons a ing ha NiO p omo es Ohmic con-
ac s ins ead o Scho ky ba ie s, e ec i ely educing ca ie
ecombina ion.
O e all, he p esen p oposal o e comes he challenges asso-
cia ed wi h using unnel junc ion laye s in andem sola cells,
o e ing a be e unde s anding and imp o ing accu acy o hese
de ices when expe imen ally es ed. Ou esul s will enable a
comp ehensi e unde s anding o he implica ions and ad an-
ages associa ed wi h u ilizing 1DPC as an in e connec ion
componen wi hin 3T o 4T mul i e minal andem sola cell con-
figu a ions. I is ecommended ha o hcoming esea ch
endea o s ocus on assessing he challenges encoun e ed du ing
he expe imen al ealiza ion o 3T and 4T andem sola cells,
using a single 1DPC as an in e media e elec ode. These expe i-
men al esul s should be sys ema ically examined and compa ed
agains he ou comes o ab ica ing simila 2T andem sola cells
equipped wi h a unnel junc ion.
Conflic o In e es
The au ho s decla e no conflic o in e es .
Da a A ailabili y S a emen
The da a ha suppo he findings o his s udy a e a ailable om he
co esponding au ho upon easonable eques .
Keywo ds
kes e i e, hin-film sola cells, andem sola cells, SCAPS, 1DPC pho onic
c ys al
Recei ed: Sep embe 18, 2023
Re ised: Feb ua y 3, 2024
Published online:
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Phys. S a us Solidi A 2024, 2300734 2300734 (11 o 11) © 2024 The Au ho s. physica s a us solidi (a) applica ions and ma e ials science
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18626319, 0, Downloaded om h ps://onlinelib a y.wiley.com/doi/10.1002/pssa.202300734 by Uni e sidad De Se illa, Wiley Online Lib a y on [19/02/2024]. See he Te ms and Condi ions (h ps://onlinelib a y.wiley.com/ e ms-and-condi ions) on Wiley Online Lib a y o ules o use; OA a icles a e go e ned by he applicable C ea i e Commons License
ma e ials
A icle
Ad anced Pho onic Thin Films o Sola I adia ion Tuneabili y
O ien ed o G eenhouse Applica ions
M. Ba agán Sánchez-Lanuza 1,* , Amado Menéndez-Velázquez 2, An onio Peñas-Sanjuan 3,
F ancisco J. Na as-Ma os 3, Isido o Lillo-B a o 1and JoséMa ía Delgado-Sánchez 4
Ci a ion: Sánchez-Lanuza, M.B.;
Menéndez-Velázquez, A.;
Peñas-Sanjuan, A.; Na as-Ma os, F.J.;
Lillo-B a o, I.; Delgado-Sánchez, J.M.
Ad anced Pho onic Thin Films o
Sola I adia ion Tuneabili y O ien ed
o G eenhouse Applica ions. Ma e ials
2021,14, 2357. h ps://doi.o g/
10.3390/ma14092357
Academic Edi o : Hélène
Se ie -B aul
Recei ed: 16 Ma ch 2021
Accep ed: 27 Ap il 2021
Published: 1 May 2021
Publishe ’s No e: MDPI s ays neu al
wi h ega d o ju isdic ional claims in
published maps and ins i u ional a il-
ia ions.
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Licensee MDPI, Basel, Swi ze land.
This a icle is an open access a icle
dis ibu ed unde he e ms and
condi ions o he C ea i e Commons
A ibu ion (CC BY) license (h ps://
c ea i ecommons.o g/licenses/by/
4.0/).
1Depa men o Ene gy Enginee ing (ETSI), Uni e si y o Se ille, 41092 Se ille, Spain; isido [email p o ec ed]
2Pho oac i e Ma e ials Resea ch Uni , IDONIAL Technology Cen e , 33417 A ilés, Spain;
amado [email p o ec ed]
3ANDALTEC Technological Cen e , 23600 Ma os, Spain; [email p o ec ed] (A.P.-S.);
ancisco-ja ie [email p o ec ed] (F.J.N.-M.)
4Depa men o Applied Physics (ETSIA), Uni e si y o Se ille, 41013 Se ille, Spain; [email p o ec ed]
*Co espondence: [email p o ec ed]
Abs ac :
The wo ld popula ion is g owing by 1 billion people e e y 10 yea s. The e will come a ime
when he e will be mo e people o eed bu less land o g ow ood. G eenhouses can be he solu ion
o his p oblem because hey p o ide he highes p oduc ion yield pe m
2
and also use less wa e ,
p o ide ood sa e y, and o e high quali y. Pho osyn he ic ac i e adia ion (PAR) a o s ege able
g ow h wi h a speci ic blue and ed ligh a io. Thus, inc easing he amoun o ed ligh imp o es
chlo ophyll abso p ion and pho osyn he ic e iciency. In his a icle, we p esen a hyb id sys em ha
combines luminescen ma e ials and pho onic c ys als o be e managemen o he ligh eaching
he g eenhouse. The luminescen dyes conside ed he ein a e combined ensu ing a Fö s e esonance
ene gy ans e (FRET) non adia i e mechanism o enhance he abso p ion ange. The designed
pho onic c ys al maximizes e lec ions in he Nea -In a ed (NIR) ange, and he e o e, he mal losses
a e minimized. Thus, by con e ing ha m ul o ine ec i e adia ion o plan g ow h o he PAR
egion, we aim o demons a e g ow h-condi ion enhancemen o he di e en ege ables ha ha e
been used as a model.
Keywo ds: g eenhouse; luminescen ; FRET; dye; pho onic c ys al
1. In oduc ion
The manu ac u ing o any p oduc equi es ene gy o ans o m aw ma e ials in o
use ul goods. The use o enewable ene gy sou ces and sus ainable con e sion p ocesses,
aligned wi h en i onmen al p o ec ion, a e key pa ame e s o he de elopmen o socie y.
Indus ial companies ha e o in eg a e ene gy-e icien pe o mance in p oduc ion man-
agemen [
1
]. The human popula ion is expec ed o exceed 9 billion by 2050, and hus he
demand o wa e , ood, and ene gy will be con inuously inc easing. O e wo- hi ds o
human wa e use is dedica ed o ag icul u e. In Asia, he sha e is ou - i hs. Ag icul u e
is also esponsible o 13% o g eenhouse gas emissions [
2
]. The e o e, sui able adap i e
measu es in ag icul u e a e needed o imp o e i s e iciency conce ning clima e change,
wa e sca ci y, and ood secu i y.
In he las decades, he idea o using closed g eenhouses was assumed in o de o
sa e wa e and ene gy. Thus, g eenhouse ag icul u e has been conside ed as an in ensi e
p oduc ion s uc u e c ea ing aligned bounda y condi ions o clima e con ol and inc easing
e iciency o esou ces [
3
]. Howe e , g eenhouses a e one o he mos ene gy-consuming
sec o s in he ag icul u al indus y. The cu en endency is o implemen passi e con ol
echniques such as na u al en ila ion ins ead o o ced en ila ion, which equi es he use
o ans [4].
Ma e ials 2021,14, 2357. h ps://doi.o g/10.3390/ma14092357 h ps://www.mdpi.com/jou nal/ma e ials
Ma e ials 2021,14, 2357 2 o 15
The cos balance o a g eenhouse depends on many pa ame e s, bu he mos impo an
ones a e p ima y ene gy cos and o al p oduc ion yield [
3
]. To achie e a success ul balance
be ween hem, he ypical condi ions equi ed o a g eenhouse a e i s o gua an ee a
s able empe a u e p o ile, and second o ensu e op imum i adia ion o ene gy con e sion
in he plan s, he p ocess known as pho osyn hesis.
The empe a u e p o ile is he mos s udied pa ame e in he li e a u e. A g eenhouse
ge s e y ho du ing he day and emains wa m enough a nigh compa ed wi h he
en i onmen al condi ions. To keep empe a u e dis ibu ion cons an a he op imum ange
is essen ial o op imal c op g ow h [
5
–
9
]. T ansi o y o cons an high empe a u es cause a
ange o mo pho-ana omical, physiological, and biochemical changes in plan s. They a ec
plan g ow h and de elopmen and migh engende d as ic educ ion in hei economic
yield [
10
]. This esul has as consequence in ac i e and passi e he mal managemen
echniques [11,12].
The second pa ame e , ex e nal i adia ion, is c i ical because i in luences he pho-
osyn hesis c op p ocess, and also he empe a u e dis ibu ion inside he g eenhouse.
Pho on ene gy o he i adia ion spec um is abso bed by chlo ophyll molecules in chlo o-
plas s, whe e he sola ene gy is con e ed in o chemical ene gy. Hemming e al. [
13
]
epo ed ha pho osyn he ically ac i e adia ion (PAR) is ypically in he ange o 400 o
700 nm, and he shape o PAR is almos uni e sal: small a ia ions a e due o de elopmen
phase, place o g ow h, wa e supply, e c. This is due o he ac ha all plan s con ain
he same pho ochemical sys em based on he same pigmen s ha go e n he lea spec al
abso p ion. The e a e wo ypes o chlo ophyll pigmen s, known as A and B; he i s one is
esponsible o blue (430 nm) and ed (662 nm) ligh abso p ion, while chlo ophyll ype B
uses a simila ange wi h abso p ion peaks a 453 and 642 nm app ox. O he seconda y pig-
men s, like be a-ca o ene, exhibi small abso p ion peaks in he ange o 400 o 500 nm [
14
].
Howe e , g een and a - ed i adia ion is no abso bed.
Incoming i adia ion ou o his spec al ange only gene a es undesi ed e ec s ha
educe he g eenhouse pe o mance: nea ul a iole (NUV) adia ion a ec s ilm deg a-
da ion, plan damage, and pollina o beha io , and nea -in a ed (NIR) adia ion is a
di ec sou ce o hea . Much o NIR adia ion pene a es in o g eenhouses and causes hea
loads [15].
The e a e some p e ious esea ch s udies analyzing he e ec o using pho oselec i e
plas ic ilms o modi y he ligh spec um ha en e s he g eenhouse, so he pho osyn hesis
o he plan s can be a ec ed. Fle che e al. [
16
] demons a ed ha ma ke able yield pe
plan was 51% g ea e using ilms wi h di e en ed/ a - ed ansmission a ios. Wilson and
Rajapakse [
17
] es ed plan esponse o pho oselec i e plas ic ilms wi h a ying spec al
ansmission p ope ies. Van Hae ingen e al. [
18
] s udied ph halocyanine de i a i es ha
we e p epa ed and inco po a ed in o polyme ilms in o de o be used as spec al il e s
o he modi ica ion o plan g ow h.
In sum, wo phenomena ha e o be conside ed o imp o e g eenhouse pe o mance:
(1) a oid ansmission o NIR inside o he g eenhouse in o de o minimize o e hea ing
du ing he day and cooling du ing he nigh ; and (2) con e g een ligh in o ed ligh
o enhance he chemical ene gy ans o med by chlo ophylls. Bo h objec i es can be
achie ed wi h he combina ion o pho onic c ys als and luminescen ma e ials, as hin- ilm
coa ings o dye-doped polyme s on he g eenhouse s uc u e (ei he glass o polyme -
based ma e ial).
Pho onic c ys als (PCs) a e pe iodic dielec ic s uc u es ha a e designed o o m
he ene gy band s uc u e o pho ons, and ei he allow o o bid he p opaga ion o elec-
omagne ic wa es o ce ain equency anges, making hem ideal o ligh -ha es ing
applica ions [
19
]. Pho onic c ys als a e s uc u ed ma e ials also p esen in na u e: o
example, in an s, hey e lec ligh and he e o e educe he an s’ empe a u e. The easies
way o design a PC is o c ea e a s uc u e o ma e ials wi h a well-de ined pe iodic pa e n-
ing in he dielec ic unc ion so ha , depending on he numbe o laye s, hei hicknesses
Ma e ials 2021,14, 2357 3 o 15
and e ac i e indexes, anspa ency, and e lec i i y can be uned. The e o e, PCs can ac
as spec al selec i e mi o s o ce ain wa eleng hs by selec ing he ma e ials p ope ly.
Thus, he app op ia e combina ion o he PC concep o g eenhouse ene gy-manag-
emen pu poses migh be sui able o emo e hea adia ion (in a ed adia ion) om he
walls, and hen o minimize in e nal empe a u es du ing he day. Mo eo e , his wa e-
leng h does no a ec he c op-de elopmen mechanism: 1000 nm is he c i ical wa eleng h;
up o his alue adia ion is ansmi ed, and i is e lec ed onwa d.
Addi ionally, pho oluminescen ma e ials abso b ligh a a ce ain wa eleng h, and he
ligh is e-emi ed a ano he wa eleng h wi h lowe ene gy. This means ha hey a e able
o une he incoming sola spec um; o example, by ans o ming he g een spec al ange
o he ed pa o he spec um. The e is an a ailable wide po olio o o ganic luminescen
molecules, so downshi ing he desc ibed p ocess is easy o adjus o di e en applica ions,
such as senso s [
20
], ene gy [
21
], lase s [
22
], and g eenhouses. The ope a ion o his
luminescen laye is based on he ollowing p inciple: one o mo e dyes a e embedded
in a hos ma ix, a highly anspa en medium wi h a high e ac i e index. Pho ons ha
en e he hos ma e ial a e abso bed by he luminescen dyes and e-emi ed in andom
di ec ions. I is no ed ha dye selec ion and i s concen a ion could be op imized in o de
o ma ch he spec al sensi i i y o he pho osyn hesis o he plan s.
So, luminescen ma e ials can be di ec ly applied on g eenhouses o imp o e he use ul
ene gy eques ed o c op de elopmen (PAR), o e en Luminescen Sola Concen a os
(LSC) can be in eg a ed in o ag icul u al s uc u es o bene i he pho osyn hesis p ocesses
a he same ime ha elec ici y is p oduced, ei he o sel -ene gy consump ion o o
selling ene gy o he elec ical ma ke . The scope is o seize he oppo uni y ha PAR is no
in luenced by g een sola spec um, so hanks o his amily o ma e ials, his ene gy can
be easily ans o med in o he ed pa o he spec um o a be e c op exploi a ion.
Du ing he 1990s, No oplansky e al. [
23
] analyzed he e ec o inco po a ing o ganic
luminescen molecules in g eenhouse polyme co e s. They obse ed how sola i adia ion
was uned o op imize he PAR e ec on g eenhouse c ops o imp o e he ege able
li e ime cycle. I was epo ed ha he luminescen molecules p o ided, as hei main
bene i , he educ ion o he g een ligh , which in u n educed s ess on he c op, esul ing
in lowe lea empe a u es, g ea e disease esis ance, and high c op yields.
Gonzalez e al. [
24
] in es iga ed he e iciency o new luo escen polyme ilms,
especially hose including addi i es which wo k as g een o ed ligh con e e s. Hem-
ming e al. [
25
] in es iga ed he e ec o new de eloped luo escen g eenhouse ilms
on he g ow h o F aga ia
×
ananassa “Elsan a”. In o de o op imize ligh quali y and
quan i y g ow h, se e al pho oselec i e g eenhouse-co e ing ma e ials we e de eloped,
wi h mos o hem based on ed dyes (wi h pho oluminescence be ween 610 and 690 nm)
in di e en concen a ions.
Co ado e al. [
26
] in es iga ed he hyb idiza ion o pho o ol aic ene gy gene a ed by a
luminescen sola concen a o and he g eenhouse impac . Sola i adia ion was abso bed
by he luminescen dyes embedded in a polyme hyl me hac yla e (PMMA) igid shee ,
and pa o he e-emi ed ligh was guided o sola cells, while he es was ansmi ed o
he plan s inside o he g eenhouse. The in en ion was o analyze he double bene i o he
luminescen ilms: o adap he ligh o he op imum PAR, and o gene a e elec ici y o
he sel -consump ion o he ins alla ion.
Simakin e al. [
27
] and Wang e al. [
28
] explo ed al e na i e ma e ials o ensu e he
same goal. Simakin imp o ed he ligh ansmi ed by he polyme when i was doped
wi h a e ea h compounds, while Wang used, o he same objec i e, quan um do s based
on Cd
(1−x)
Zn
x
Se, bu hey concluded ha hei ilm had a low quan um yield, so ano he
chemical compound app oach was needed.
The majo i y o hese expe imen s conside ed he comme cial luminescen ma e ial
om BASF, called Lumogen 305 Red. Howe e , he main disad an ages obse ed in his
ype o o ganic dye we e: (1) na ow abso p ion spec um; (2) high eabso p ion due
Ma e ials 2021,14, 2357 4 o 15
o he o e lapping o he abso p ion and emission peaks (S okes losses); and (3) limi ed
uneabili y o p o ide his se ice o a wide ange o PAR speci ica ions.
An in e es ing al e na i e s a egy is o conside a mix o dyes embedded in he hos
ma e ial, ensu ing hey ans e he ene gy be ween hem in a non adia i e mechanism.
This is called Fö s e esonance ene gy ans e (FRET) [
29
,
30
]. I has been p o ed wi h
good esul s in o he scien i ic a eas, such as biology [
31
], physics [
32
], and ma e ials
science [
33
]. So, hanks o his phenomenon, he p ope selec ion o he dyes esul ed in
a hin- ilm op ical window wi h colo uneabili y, be e luminescence p ope ies, and a
wide abso p ion spec um.
The aim o his esea ch s udy is o p o ide a new no el design based on he combina-
ion o pho onic c ys als and mul iple luminescen dyes ans e ing ene gy be ween hem
wi h a FRET non adia i e mechanism. Thanks o his o iginal app oach, he lexible ilm
will ensu e: (1) e lec ion o he ligh in he in a ed spec um, esponsible o inc easing
he in e nal empe a u e o he g eenhouse; (2) wide abso p ion spec a ange o hose
wa eleng hs ha a e no c i ical o pho osyn hesis; (3) ligh pho oemi ed in he p ope
ene gy compa ed o PAR; (4) minimiza ion o S okes losses; and (5) a high deg ee o une-
abili y o he sys em, upon he dyes selec ed, o modi y he abso p ion and emission peaks,
upon he desi ed PAR and he bounda y condi ions o each speci ic loca ion.
2. Ma e ials and Me hods
Luminescen ilms we e manu ac u ed wi h a combina ion o h ee dyes o co e he
g een abso p ion spec um ange om 450 o 600 nm c.a., and o imp o e pho oemission
a ound 650 nm c.a., acco ding o PAR c ops. The selec ed dyes we e Lumogen Red (LR305),
4-(Dicyanome hylene)-2-me hyl-6-(4-dime hylaminos y yl)-4H-py an (DCM) and 2-[4-[4-
(dime hylamino)phenyl]-1,3-bu adienyl]-1,3,3- ime hyl-3H-indolium pe chlo a e (LDS),
which we e all used as ecei ed; he i s one om BASF and he o he s om Exci on.
The hos ma e ial selec ed was a low-densi y polye hylene (LDPE) om LyondelBasell,
as i is cu en ly he mos commonly used ma e ial o he manu ac u ing o con en ional
g eenhouse ilms.
This esea ch s udy comp ised wo s ages: labo a o y and pilo scale (Figu e 1).
The samples p ocessed du ing he lab-scale s age we e p epa ed using a spin-coa ing
(Lau ell, WS-650Mz-8NPP). Luminescen solu ions we e p epa ed om a mix u e o he as-
ecei ed powe ed dyes, polyme hyl me hac yla e (PMMA) hos ma e ial, and chlo o o m
(Sigma Ald ich). A o al o 300 mg o PMMA and 4 mL o chlo o o m we e s i ed du ing
48 h o ensu e a homogeneous solu ion. Then, he dyes we e added o he PMMA solu ion,
esul ing a 1% w/w mix u e, he op imal concen a ion o a oid quenching. Finally,
he sol en was e apo a ed on a ho pla e a 50 ◦C.
Compounding a pilo scale was ca ied ou a 140
◦
C by g adually adding LDPE and
he luminescen dye o a solu ion o p-Xilen (Sigma Ald ich). The solu ion emained o
2 h unde s i ing condi ions o ensu e he op imal mixing o he LDPE and dye molecules.
A e his ime, p-Xileno was emo ed om he mix u e by means o a dis illa ion p ocedu e
o ob ain a homogeneous solid. Di e en dye concen a ions we e es ed om 0 o 5% w/w.
One mas e ba ch o luminescen dye and LDPE was p epa ed om he p e ious solid
and aw LDPE by employing a co o a ing win-sc ew ex usion line wi h a pelle izing
sys em (SIEPLA model SHJ-20). All esul ing samples we e p ocessed in a mill machine
wi h s ainless s eel blades (J Pu chades model 250) in o de o ensu e homogenei y wi h an
a e age pa icle size o 3
µ
m. The ex usion p ocess was ca ied ou by using a speci ic
he mal p o ile o 90
◦
C/150
◦
C/180
◦
C/190
◦
C. Du ing he en i e p ocess, he sc ews we e
o a ing a 300 pm. Finally, h ee di e en eg inds o each luminescen combina ion
we e ab ica ed: 100, 200, and 300 ppm. To end he p ocedu e, luminescen ilm was
ob ained (Figu e 1) om a blown ilm ex usion machine (Since i y Plas ic Machine y,
model SJ50-700) wi h 250 mm wid h and 10
µ
m hickness, by using a he mal p o ile o
150 ◦C/180 ◦C/195 ◦C.
Ma e ials 2021,14, 2357 5 o 15
Ma e ials 2021, 14, x 4 o 16
he o e lapping o he abso p ion and emission peaks (S okes losses); and (3) limi ed une-
abili y o p o ide his se ice o a wide ange o PAR speci ica ions.
An in e es ing al e na i e s a egy is o conside a mix o dyes embedded in he hos
ma e ial, ensu ing hey ans e he ene gy be ween hem in a non adia i e mechanism.
This is called Fö s e esonance ene gy ans e (FRET) [29,30]. I has been p o ed wi h
good esul s in o he scien i ic a eas, such as biology [31], physics [32], and ma e ials sci-
ence [33]. So, hanks o his phenomenon, he p ope selec ion o he dyes esul ed in a
hin- ilm op ical window wi h colo uneabili y, be e luminescence p ope ies, and a
wide abso p ion spec um.
The aim o his esea ch s udy is o p o ide a new no el design based on he combi-
na ion o pho onic c ys als and mul iple luminescen dyes ans e ing ene gy be ween
hem wi h a FRET non adia i e mechanism. Thanks o his o iginal app oach, he lexible
ilm will ensu e: (1) e lec ion o he ligh in he in a ed spec um, esponsible o inc eas-
ing he in e nal empe a u e o he g eenhouse; (2) wide abso p ion spec a ange o hose
wa eleng hs ha a e no c i ical o pho osyn hesis; (3) ligh pho oemi ed in he p ope
ene gy compa ed o PAR; (4) minimiza ion o S okes losses; and (5) a high deg ee o une-
abili y o he sys em, upon he dyes selec ed, o modi y he abso p ion and emission peaks,
upon he desi ed PAR and he bounda y condi ions o each speci ic loca ion.
2. Ma e ials and Me hods
Luminescen ilms we e manu ac u ed wi h a combina ion o h ee dyes o co e he
g een abso p ion spec um ange om 450 o 600 nm c.a., and o imp o e pho oemission
a ound 650 nm c.a., acco ding o PAR c ops. The selec ed dyes we e Lumogen Red
(LR305), 4-(Dicyanome hylene)-2-me hyl-6-(4-dime hylaminos y yl)-4H-py an (DCM)
and 2-[4-[4-(dime hylamino)phenyl]-1,3-bu adienyl]-1,3,3- ime hyl-3H-indolium pe -
chlo a e (LDS), which we e all used as ecei ed; he i s one om BASF and he o he s
om Exci on. The hos ma e ial selec ed was a low-densi y polye hylene (LDPE) om
LyondelBasell, as i is cu en ly he mos commonly used ma e ial o he manu ac u ing
o con en ional g eenhouse ilms.
This esea ch s udy comp ised wo s ages: labo a o y and pilo scale (Figu e 1). The
samples p ocessed du ing he lab-scale s age we e p epa ed using a spin-coa ing (Lau ell,
WS-650Mz-8NPP). Luminescen solu ions we e p epa ed om a mix u e o he as- e-
cei ed powe ed dyes, polyme hyl me hac yla e (PMMA) hos ma e ial, and chlo o o m
(Sigma Ald ich). A o al o 300 mg o PMMA and 4 mL o chlo o o m we e s i ed du ing
48 h o ensu e a homogeneous solu ion. Then, he dyes we e added o he PMMA solu ion,
esul ing a 1% w/w mix u e, he op imal concen a ion o a oid quenching. Finally, he
sol en was e apo a ed on a ho pla e a 50 °C.
Figu e 1.
Manu ac u ing p ocess: (
a
) chemical solu ions wi h di e en dye concen a ions; (
b
) ex usion machine wi h he
luminescen ma e ial embedded in he LDPE ma ix; (
c
) blowing machine; and (
d
) polyme subs a e coil based on LDPE
doped wi h luminescen dye.
One-dimensional pho onic c ys al (1DPC) s uc u es we e designed o e lec he
maximum ene gy a he nea -in a ed spec al ange. Fo ha pu pose, pe iodic dielec ic
s uc u e was de ined as 13 laye s al e na ing SiO
2
(1) and TiO
2
(2), esul ing in he sequence
1212121212121(Figu e2). Re ac i e index and hickness o SiO
2
we e n
1
= 1.3 and
d1= 229 nm, espec i ely. and he alues selec ed o TiO2we e n2= 2.3 and d2= 130 nm.
Ma e ials 2021, 14, x 5 o 16
Figu e 1. Manu ac u ing p ocess: (a) chemical solu ions wi h di e en dye concen a ions; (b) ex-
usion machine wi h he luminescen ma e ial embedded in he LDPE ma ix; (c) blowing ma-
chine; and (d) polyme subs a e coil based on LDPE doped wi h luminescen dye.
Compounding a pilo scale was ca ied ou a 140 °C by g adually adding LDPE and
he luminescen dye o a solu ion o p-Xilen (Sigma Ald ich). The solu ion emained o 2
h unde s i ing condi ions o ensu e he op imal mixing o he LDPE and dye molecules.
A e his ime, p-Xileno was emo ed om he mix u e by means o a dis illa ion p oce-
du e o ob ain a homogeneous solid. Di e en dye concen a ions we e es ed om 0 o
5% w/w. One mas e ba ch o luminescen dye and LDPE was p epa ed om he p e ious
solid and aw LDPE by employing a co o a ing win-sc ew ex usion line wi h a pelle iz-
ing sys em (SIEPLA model SHJ-20). All esul ing samples we e p ocessed in a mill ma-
chine wi h s ainless s eel blades (J Pu chades model 250) in o de o ensu e homogenei y
wi h an a e age pa icle size o 3 μm. The ex usion p ocess was ca ied ou by using a
speci ic he mal p o ile o 90 °C/150 °C/180 °C/190 °C. Du ing he en i e p ocess, he
sc ews we e o a ing a 300 pm. Finally, h ee di e en eg inds o each luminescen
combina ion we e ab ica ed: 100, 200, and 300 ppm. To end he p ocedu e, luminescen
ilm was ob ained (Figu e 1) om a blown ilm ex usion machine (Since i y Plas ic Ma-
chine y, model SJ50-700) wi h 250 mm wid h and 10 μm hickness, by using a he mal
p o ile o 150 °C/180 °C/195 °C.
One-dimensional pho onic c ys al (1DPC) s uc u es we e designed o e lec he
maximum ene gy a he nea -in a ed spec al ange. Fo ha pu pose, pe iodic dielec ic
s uc u e was de ined as 13 laye s al e na ing SiO2 (1) and TiO2 (2), esul ing in he se-
quence 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 (Figu e 2). Re ac i e index and hickness o SiO2 we e n1 =
1.3 and d1 = 229 nm, espec i ely. and he alues selec ed o TiO2 we e n2 = 2.3 and d2 =
130 nm.
Figu e 2. 1DPC manu ac u ing p ocess: magne on spu e ing deposi ion (PVD) o single SiO2 and
TiO2 laye s, and hei cha ac e iza ion; modeling o ind he op imum pa ame e s ( hicknesses,
sequence, and numbe o laye s s acked); and inally, mul ilaye magne on spu e ing deposi ion.
Dielec ic laye s we e deposi ed by DC magne on spu e ing (44 Sola ) using ce-
amic a ge s (99.999%) wi h a dimension o 500 × 100 mm2. Low-densi y polye hylene
ilm was used as a subs a e, wi h a dimension o 300 × 300 mm2. To a oid any con ami-
na ion om he subs a e, i was cleaned using a glow discha ge in he load-lock chambe .
The p ocess chambe was e acua ed below 5 × 10−7 mba p io o any deposi ion, and all
deposi ions we e ca ied ou in an A /O2 mix u e unde cons an p essu e o 2 × 10−3 mba .
The O2 low a e was selec ed in o de o ope a e beyond he ansi ion egion o he ca h-
ode ol age e sus oxygen low cu e, whe e he deposi ion ully wo ks in he oxide
mode. The p ocess was pe o med a plasma empe a u e.
Thickness was measu ed using a mechanical p o ilome e (KLA Tenco model P-6,).
Op ical p ope ies we e cha ac e ized using a UV-VIS spec ome e se up including a Xe-
lamp (Newpo model 71228), monoch oma o (O iel Co ne s one 260), in ege sphe e
Single Laye s
PVD deposi ion
SiO
2
TiO
2
Single Laye s
Cha ac e iza ion
Subs a e Subs a e SiO
2
Subs a e
5 x TiO
2
/SiO
2
Mul ilaye
PVD deposi ion
Mul ilaye
Cha ac e iza ion
Op imum hickness
1DPC
Modelling
Numbe o laye s
Re ac i e index
Figu e 2.
1DPC manu ac u ing p ocess: magne on spu e ing deposi ion (PVD) o single SiO
2
and TiO
2
laye s, and hei
cha ac e iza ion; modeling o ind he op imum pa ame e s ( hicknesses, sequence, and numbe o laye s s acked); and i-
nally, mul ilaye magne on spu e ing deposi ion.
Dielec ic laye s we e deposi ed by DC magne on spu e ing (44 Sola ) using ce amic
a ge s (99.999%) wi h a dimension o 500
×
100 mm
2
. Low-densi y polye hylene ilm was
used as a subs a e, wi h a dimension o 300
×
300 mm
2
. To a oid any con amina ion om
he subs a e, i was cleaned using a glow discha ge in he load-lock chambe . The p ocess
chambe was e acua ed below 5
×
10
−7
mba p io o any deposi ion, and all deposi ions
we e ca ied ou in an A /O
2
mix u e unde cons an p essu e o 2
×
10
−3
mba . The O
2
low a e was selec ed in o de o ope a e beyond he ansi ion egion o he ca hode
ol age e sus oxygen low cu e, whe e he deposi ion ully wo ks in he oxide mode.
The p ocess was pe o med a plasma empe a u e.
Thickness was measu ed using a mechanical p o ilome e (KLA Tenco model P-6,).
Op ical p ope ies we e cha ac e ized using a UV-VIS spec ome e se up including a Xe-
lamp (Newpo model 71228), monoch oma o (O iel Co ne s one 260), in ege sphe e (Lab-
sphe e 3P-GPS-030-SF), and UV-VIS de ec o (Newpo 71610). The signal was eco ded
using a dual lock-in ampli ie (S an o d Resea ch SRS-830).
Ma e ials 2021,14, 2357 6 o 15
3. Resul s and Discussion
The modi ica ion o ligh o plan g ow h was based on he p inciple ha no all
ene gies a e equal, wi h ed wa eleng hs ha ing been p o en as he mos pho osyn he i-
cally e icien ene gies. By con e ing a ac ion o he incoming blue ligh and g een ligh
o ed ligh , his ilm ins alled in he g eenhouse inc eased he pho osyn he ic e iciency
o ligh eaching he canopy, allowing g owe s o a o oo de elopmen and lowe ing.
These p inciples we e demons a ed in his esea ch s udy.
3.1. Luminescen Cha ac e iza ion
Figu e 3shows he abso p ion and pho oemission spec a o he p epa ed luminescen
ilms, a di e en concen a ion le els. The dyes we e dissol ed in CHCl
3
a labo a o y
scale in o de o iden i y whe he hei pho oemission peaks we e aligned wi h he PAR
spec um eques ed. I was obse ed ha all dyes had a maximum luminescen emission
in he ange o app oxima ely 600 nm (DCM and LR305 (Figu e 3a,b) and 700 nm (LDS,
Figu e 3d)).
Mo eo e , he abso p ion o hese dyes was loca ed in he g een ange o
he sola spec um, which is he bes condi ion acco ding o he PAR c op’s esponse.
To imp o e he abso p ion spec a ange, DCM was mixed wi h LDS o LR305 in he
same solu ion, ensu ing FRET condi ions (Figu e 3c): he accep o dye (DCM) was exci ed
and emi ed ene gy was ans e ed o he dono dye (LDS o LR305) in a non adia i e
mechanism. Emission om DCM + LDS and DCM + LR305 was ob ained by exci ing
he sys em wi h a monoch oma ic sou ce a 468 nm, co esponding o he accep o dye
abso p ion spec a. Unde his condi ion, he emission ob ained co esponded o he LDS
dye wi hou being di ec ly exci ed, demons a ing he e iciency o he FRET p ocess.
Ma e ials 2021, 14, x 6 o 16
(Labsphe e 3P-GPS-030-SF), and UV-VIS de ec o (Newpo 71610). The signal was ec-
o ded using a dual lock-in ampli ie (S an o d Resea ch SRS-830).
3. Resul s and Discussion
The modi ica ion o ligh o plan g ow h was based on he p inciple ha no all
ene gies a e equal, wi h ed wa eleng hs ha ing been p o en as he mos pho osyn he i-
cally e icien ene gies. By con e ing a ac ion o he incoming blue ligh and g een ligh
o ed ligh , his ilm ins alled in he g eenhouse inc eased he pho osyn he ic e iciency
o ligh eaching he canopy, allowing g owe s o a o oo de elopmen and lowe ing.
These p inciples we e demons a ed in his esea ch s udy.
3.1. Luminescen Cha ac e iza ion
Figu e 3 shows he abso p ion and pho oemission spec a o he p epa ed lumines-
cen ilms, a di e en concen a ion le els. The dyes we e dissol ed in CHCl3 a labo a-
o y scale in o de o iden i y whe he hei pho oemission peaks we e aligned wi h he
PAR spec um eques ed. I was obse ed ha all dyes had a maximum luminescen emis-
sion in he ange o app oxima ely 600 nm (DCM and LR305 (Figu e 3a,b) and 700 nm
(LDS, Figu e 3d)). Mo eo e , he abso p ion o hese dyes was loca ed in he g een ange
o he sola spec um, which is he bes condi ion acco ding o he PAR c op’s esponse.
To imp o e he abso p ion spec a ange, DCM was mixed wi h LDS o LR305 in he same
solu ion, ensu ing FRET condi ions (Figu e 3c): he accep o dye (DCM) was exci ed and
emi ed ene gy was ans e ed o he dono dye (LDS o LR305) in a non adia i e mech-
anism. Emission om DCM + LDS and DCM + LR305 was ob ained by exci ing he sys em
wi h a monoch oma ic sou ce a 468 nm, co esponding o he accep o dye abso p ion
spec a. Unde his condi ion, he emission ob ained co esponded o he LDS dye wi hou
being di ec ly exci ed, demons a ing he e iciency o he FRET p ocess.
a)
350 400 450 500 550
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Abso p ion (a.u.)
Wa eleng h (nm)
1.0 ppm
2.5 ppm
5.0 ppm
7.5 ppm
8.5 ppm
500 600 700
0
50
100
150
200
250
300
350
400 1.0 ppm
2.5 ppm
5.0 ppm
7.5 ppm
8.5 ppm
Emission (a.u.)
Wa eleng h (nm)
DCM
Figu e 3. Con .
Ma e ials 2021,14, 2357 7 o 15
Ma e ials 2021, 14, x 7 o 16
b)
400 500 600
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Abso p ion (a.u.)
Wa eleng h (nm)
1 ppm
5 ppm
10 ppm
15 ppm
20 ppm
25 ppm
600 700 800
0
200
400
600
800
1000
1200
1 ppm
5 ppm
10 ppm
15 ppm
20 ppm
25 ppm
Emission (a.u.)
Wa eleng h (nm)
LR305
c)
400 500 600 700
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Abso p ion (a.u.)
Wa eleng h (nm)
0.5 ppm
1.0 ppm
1.5 ppm
2.0 ppm
2.5 ppm
3.0 ppm
600 650 700 750 800 850
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0.5 ppm
1.0 ppm
1.5 ppm
2.0 ppm
2.5 ppm
3.0 ppm
Emission (a.u.)
Wa eleng h (nm)
DCM + LDS
Figu e 3. Con .
Ma e ials 2021,14, 2357 8 o 15
Ma e ials 2021, 14, x 8 o 16
d)
500 600 700 800
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Abso p ion (a.u.)
Wa eleng h (nm)
0.5 ppm
1.0 ppm
1.5 ppm
2.0 ppm
3.0 ppm
600 700 800
0
50
100
150
200
250
300
0.5 ppm
1.0 ppm
1.5 ppm
2.0 ppm
3.0 ppm
Emission (a.u.)
Wa eleng h (nm)
LDS
e)
350 400 450 500 550 600 650
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Abso p ion (a.u.)
Wa eleng h (nm)
1.0 ppm
2.0 ppm
2.5 ppm
3.0 ppm
550 600 650 700 750
0
100
200
300
400
1.0 ppm
2.0 ppm
2.5 ppm
3.0 ppm
Emission (a.u.)
Wa eleng h (nm)
DCM + LR305
Figu e 3.
Abso p ion and emission spec a ob ained o di e en dyes: (
a
) DCM, (
b
) LR305, (
c
) LDS, (
d
) DCM + LDS,
and (
e
) DCM + LR305. Emission peaks we e aligned wi h PAR equi emen s, and combina ion o DCM + LDS o e ed he
ad an age o wide abso p ion spec a.
Ma e ials 2021,14, 2357 15 o 15
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Tesis doc o al
Depa amen o de Ingenie ía Ene gé ica
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía – ETSI
Uni e sidad de Se illa
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al
pa a aplicaciones o o ol aicas
Anexo II – Resumen de las
publicaciones cien í icas
Miguel Ba agán Sánchez-Lanuza
Di igido po :
D . José Ma ía Delgado Sánchez
D . Isido o Lillo B a o
Se illa, 22 de no iemb e, 2024
Expe imen al CIGS echnology pe o mance unde low concen a ion pho o ol aic condi ions
Jou nal o Cleane P oduc ion 446, (2024), pp. 141384 D1 (24/358 En i onmen al Sciences) IF 9.70
h ps://doi.o g/10.1016/j.jclep o.2024.141384
Resumen
Impac o de la modificación de la in ensidad de la adiación sola en las ecnologías FV c-Si y CIGS median e concen ación óp ica
(2.2x) con espejos en V. Análisis de ac o es que influyen en la p oducción: ecnología FV, encapsulado y disipación é mica.
Es ado del a e
-Den o de los sis emas FV de concen ación (CPV), los de baja concen ación (LCPV) han esul ado se la opción más
p ome edo a en e a los de al a (HCPV) debido a los meno es cos es elacionados con elemen os óp icos y seguimien o.
-La ges ión é mica eficaz esul a i al pa a la p oducción FV y la ida ú il de los sis emas FV, siendo aún más c í ico en
condiciones de concen ación.
-La mayo ía de los es udios p e ios de LCPV se cen an en la ecnología de c-Si. La ecnología CIGS de capa fina p esen a en ajas
como una eficiencia compa able a la de silicio (a escala labo a o io), sus a os flexibles, bajo peso y buen compo amien o a la
iluminación no uni o me. Los es udios p e ios de conside a CIGS en condiciones de LCPV se cen an en medidas en simulado
sola y a ni el de célula, po lo que no hay da os de su compo amien o en condiciones eales de ope ación ni de la influencia
del encapsulamien o.
No edad
Se ealiza una in es igación eó ica y expe imen al donde la ecnología CIGS de capa fina se compa a en condiciones de baja
concen ación con la del c-Si. Los p o o ipos son p obados en condiciones de ope ación eales, analizando ambién la
impo ancia del encapsulamien o en la gene ación de las células sola es p obadas.
Obje i os
- Cuan ificación del Pe o mance Ra io y Ene gy Yield de la ecnología FV CIGS en condiciones LCPV.
- Compa ación de la p oducción FV de la ecnología CIGS en condiciones LCPV con el c-Si.
- E aluación del impac o del encapsulado en la p oducción FV en condiciones LCPV y op imización é mica del encapsulado.
Hipó esis
- La concen ación óp ica 2.2x aumen a la in ensidad de la adiación sola inciden e en el disposi i o FV sin modifica su espec o.
- El aumen o de la in ensidad de la adiación sola inciden e en condiciones LCPV aumen a la p oducción FV del sis ema.
- En condiciones de LCPV la empe a u a de ope ación del sis ema FV es mayo .
- La ecnología CIGS iene un coeficien e de pé dida po empe a u a meno que el c-Si.
- El encapsulado iene un peso significa i o en la ges ión é mica del sis ema FV.
- El empleo de sus a os me álicos como backshee , con elemen os añadidos de disipación pasi a, beneficia la empe a u a del
disposi i o espec o a diseños con encionales id io- id io o id io- edla .
Me odología
- Selección de ecnologías FV pa a ab icación de p o o ipos: c-Si y CIGS, con es encapsulamien os di e en es: id io-Tedla ,
id io- id io y id io-aluminio.
- Simulación é mica del p o o ipo pa a op imiza el diseño de los elemen os disipado es y backshee .
- Ins alación de los p o o ipos en un seguido 2-ejes pa a moni o iza la p oducción FV en condiciones de ope ación eales.
- Cálculo de indicado es de calidad no malizados (Y
y PR) pa a compa a los di e en es diseños.
Resul ado y discusión
- Se obse a una co elación no lineal en e la p oducción FV y el ac o de concen ación. A ni eles de 2.2x la p oducción es
meno de la eó ica po e ec o de la empe a u a.
- La empe a u a eal de los disposi i os sigue el modelo de Sandia, aumen ando con la in ensidad de adiación sola inciden e.
- El encapsulado y la ecnología FV seleccionada en cada diseño, apo a alo es máximos de empe a u a di e en e en cada caso:
CIGS id io- id io alcanzó los 81ºC mien as que CIGS id io-aluminio se quedó en 62ºC. c-Si se quedó den o de ese
ango, pe o más ce ca del id io-aluminio. c-Si p esen a el mayo aumen o ela i o de empe a u a (32%), seguido del
CGS id io- id io (27%) y po úl imo el CIGS al e na i o (17%).
Se cuan ifica la dis ibución é mica de los p o o ipos, obse ando mayo empe a u a en el cen o (di . máx. del 3%).
- Se ca ac e izan las cu as I-V de los p o o ipos y se compa an con las STC. La Isc aumen a conside ablemen e en 2,2x pe o VOC
disminuye de mane a dis in a en los p o o ipos ( id io-aluminio el que menos). CIGS esul a ecomendable pa a LCPV.
-Compa ando la po encia CC y la adiación, se obse a una sólida alineación en e el modelo Huld y los da os expe imen ales.
La pé dida de po encia más ele ada esul a en c-Si (34%), seguida del id io- id io (29%) y po úl imo el de aluminio (20%).
-En Y y PR, el p o o ipo id io-aluminio uel e a mos a ela i amen e la mayo ganancia ela i a y meno es pé didas.
Conclusiones
La ecnología CIGS es un candida o ecomendable pa a condiciones de ope ación de al a empe a u a cuando su encapsulado
con encional id io- id io es eemplazado po un backshee con mejo es condiciones de disipación é mica.
Líneas de abajo a u u o
- Con inua con la in es igación de los sis emas LCPV con ecnologías FV al e na i as al c-Si.
- Es udia di e en es encapsulados al e na i os al id io- edla y id io- id io en condiciones de LCPV.
- Realiza ensayos a la go plazo pa a in es iga el posible en ejecimien o de los ma e iales en condiciones de LCPV.
Spec al i adiance, g ound and c op dynamic eflec ance: key de e minan s in p edic ing
pho ocu en o ag o ol aic sys ems
Ene gy Con e sion and Managemen 312, (2024), pp. 118572 D1 (24/358 En i onmen al Sciences) IF 9.70
h ps://doi.o g/10.1016/j.enconman.2024.118572
Resumen
Análisis del impac o de los da os espec ales s da os absolu os, la geome ía, las condiciones a mos é icas y el cambio en la
mo ología del cul i o en las p edicciones de o oco ien e gene ada po módulos o o ol aicos bi aciales pa a aplicaciones
ag o ol aicas.
Es ado del a e
-Los módulos FVs bi aciales pe mi en aumen a la p oducción de ene gía minimizando los equisi os de espacio. Los ac o es
que influyen en la eficiencia de los módulos bi aciales han sido muy es udiados, como los componen es de la adiación, ángulo
de inclinación, al u a del seguido y coeficien e de albedo, pe o p edominan emen e con alo es absolu os. Pocos es udios
u ilizan da os espec ales pa a in es iga el endimien o de los módulos, encon ando un impac o impo an e al usa los.
-La ag o ol aica es una aplicación p ome edo a pa a módulos bi aciales po la eficiencia en el uso del suelo, pe o la p edicción
p ecisa de o oco ien e en la ca a pos e io es compleja po las condiciones del suelo. El ángulo de incidencia y la e olución de
la somb a ambién a ec an a la i adiancia eflejada y suele pasa se po al o, pudiéndose esol e el p oblema con ac o es de
isión, los cuales no suelen in eg a se en p edicciones con encionales jun o con las condiciones del suelo y ases de c ecimien o.
No edad
-In eg ación de la eo ía del ac o de isión y el uso de da os de i adiancia espec ales en un modelo unificado pa a p edeci
la o oco ien e en sis emas ag o ol aicos (APV).
-Inco po ación de p opiedades espec ales dinámicas de los cul i os a lo la go de su ciclo na u al de c ecimien o.
- Compa ación de da os espec ales s absolu os en la p edicción de o oco ien e del sis ema APV con módulos bi aciales.
Obje i os
-In oducción de una co ección espec al ela i a a la dependencia de la longi ud de onda en los medios de p edicción de
gene ación de o oco ien e aplicables a módulos o o ol aicos bi aciales in eg ados en sis emas APVs.
-Mejo a de la p ecisión de las p edicciones de endimien o en sis emas con módulos bi aciales al ene en cuen a la e olución
empo al de los cul i os y las dispa idades óp icas en e el suelo desnudo y las zonas cul i adas.
Hipó esis
- Los da os absolu os son un p omedio de los da os espec ales. El uso de da os p omedio aumen a la ince idumb e de los
modelos p edic i os.
- Los alo es espec ales de adiación son más sensibles a sus dis in as componen es (di ec a y di usa) que los alo es absolu os,
po lo que o ecen mejo esolución en las es imaciones de p oducción eléc ica.
- En sis emas bi aciales es c í ico que las uen es de la adiación di usa sean p ecisas.
- Los cul i os en sis emas APV e olucionan empo almen e cambiando su mo ología, ollaje, e c… lo que implica cambios en la
eflec ancia de los mismos, que a su ez iene consecuencias en la adiación eflejada sob e la ca a ase a del módulo bi acial.
Me odología
-Ca ac e ización óp ica del suelo pa a de e mina la eflec i idad espec al eniendo en cuen a el c ecimien o del cul i o (a oz).
Pa a ello se oma on medidas en el á ea del cul i o y el suelo desnudo a lo la go de una empo ada.
-Ca ac e ización de la i adiancia o al y espec al de la adiación sola
-Definición de los ac o es de isión en e las dis in as supe ficies pa a el cálculo de i adiancia en la ca a pos e io .
-Cálculo de la elación bi acial una ez conocida la i adiancia en la ca a pos e io y la eficiencia cuán ica del módulo.
Resul ado y discusión
-El cul i o p esen an una al a abso i idad en el ango de 450 a 600nm y una eflec i idad impo an e en el ango del 650-900
nm.
-El suelo compac o p esen a una mayo eflec ancia compa ado con el suelo lab ado, p incipalmen e debido al ca ác e óp ico
especula del suelo compac o en e al ca ác e de sca e ing di uso del suelo lab ado
. El iego disminuye ambién la
eflec i idad.
- Las componen es de la adiación (GHI, DNI, DHI) son di e en es espec almen e según el ipo de día: soleado s calima.
-La i adiancia calculada en el módulo in e io p esen a inhomogeneidad del 27% y en el módulo supe io de un 8%. A mayo
al u a del sis ema o o ol aico, la uni o midad de la adiación ecibida en la ca a ase a es mejo .
-A medida que la elación cul i o/suelo desnudo aumen a, la o oco ien e gene ada en la ca a pos e io aumen a, po que la
eflec i idad del cul i o es mayo y beneficia la adiación eflejada en la ca a pos e io del módulo FV bi acial.
-En días cla os se ob iene una acción di usa ce cana a 0, el máximo de o oco ien e en la ca a pos e io se da con el seguido
casi ho izon al, la elación bi acial es casi cons an e (en e 0,10 y 0,12) y la sob ees imación oscila en e un 48,6% y el 100%, lo
que lle a a una sob ees imación o al de en e el 4,8% y el 7,9%. En días nublados se ob iene una acción di usa al a, el máximo
de o oco ien e en la ca a pos e io se da con el seguido casi e ical, la elación bi acial a ía de 0,09 a 0,27 y la
sob ees imación oscila en e el 15,4% y el 42,9%, lo que lle a a una sob ees imación o al de en e el 1,5 y el 2,1%.
-La elación bi acial (con da os absolu os y espec ales) p esen a una g an dependencia de las condiciones del suelo.
Conclusiones
-El empleo de da os espec ales pa a p edeci la o oco ien e en sis emas APVs p opo ciona esul ados más p ecisos en
compa ación con el uso de da os absolu os, obse ándose g an a iabilidad en la eflec ancia a lo la go del ciclo de c ecimien o.
- El c ecimien o del cul i o a ec a a la adiación eflejada en la ca a ase a del módulo FV bi acial, po lo que es e aspec o ha de
conside a se en la e apa de diseño pa a una mejo p edicción de la ene gía gene ada po el sis ema ag o ol aico.
-La ca a pos e io del panel maximiza su gene ación en días despejados cuando se encuen a en posición ho izon al mien as
que, en días nublados, el seguimien o casi e ical esul a más p oduc i o.
-El suelo cul i ado mejo a la uni o midad de la i adiancia compa ado con el suelo desnudo, minimizando el g adien e de
empe a u a, lo que sub aya la impo ancia de conside a la cobe u a del suelo a la ho a de op imiza la o oco ien e gene ada.
Líneas de abajo a u u o
-Mediciones adicionales de la eflec ancia espec al en a ios cul i os a lo la go de sus ciclos de c ecimien o, co elacionándolas
con la p oducción ene gé ica de los módulos bi aciales pa a mejo a la p ecisión y aplicabilidad de los modelos analí icos.
-Pe mi i el acceso lib e a las mediciones de adiación espec al pa a acili a las compa aciones de endimien o de los modelos
o o ol aicos u ilizando la adiación absolu a y espec al.
Diffuse adia ion influence on he pe o mance o Luminescen Sola Concen a o s
Sola Ene gy Ma e ials and Sola Cells, 276, (2024) D1 (24/358 En i onmen al Sciences) IF 9.70
h ps://doi.o g/10.1016/j.solma .2024.113073
Resumen
-P opues a de un ma co eó ico que cla ifica las causas del endimien o supe io de los concen ado es sola es luminiscen es
(CSL) bajo i adiación di usa. Es e hecho se e enda a a és de in es igaciones expe imen ales con p o o ipos que u ilizan el
colo an e Lumogen Red en dis in as condiciones me eo ológicas.
Es ado del a e
-El concep o de LSC se p opuso en 1970 con el fin de consegui una educción del amaño de las células sola es supe io al 90%.
T as es o, a ios es udios p opusie on inclui ma e iales o gánicos o oluminiscen es pa a aumen a el endimien o del sis ema.
-
F ecuen emen e, se des aca la idoneidad del CSL pa a ope a bajo i adiación di usa en e a sis emas FVs fijos o de
concen ación, al se capaz el CSL de concen a adiación di ec a y di usa, hecho que no ha sido demos ado en la li e a u a.
-Expe imen almen e y en condiciones de in empe ie se ha obse ado una mejo ía en el endimien o del LSC du an e el
amanece y el a a dece , a ibuyéndose es a mejo ía al cambio espec al de la adiación y la meno empe a u a de la célula.
No edad
-La elabo ación de un examen holís ico de las múl iples complejidades que influyen en el endimien o de las LSCs en condiciones
de i adiancia di usa.
Obje i os
-Explo a exhaus i amen e los ac o es poli acé icos (componen e de i adiancia, ángulo de incidencia de la luz y
co espondencia del espec o) que influyen en el endimien o del LSC en condiciones de i adiancia di usa. Con ello se p e ende
llena el acío exis en e en la comp ensión y allana el camino pa a nue os a ances en las ecnologías de ene gía sola .
Hipó esis
-Los concen ado es sola es luminiscen es p esen an una mayo eficiencia en condiciones de i adiación sola di usa.
Me odología
-Diseño y ab icación de los p o o ipos de LSC de 10 x 10 cm2 (LR305), de las células sola es CIGS y su encapsulamien o (EVA).
-Ca ac e ización de la T ansmi ancia Visible Media de los p o o ipos con colo an e (44%) y el de e e encia sin colo an e (87%).
-Ca ac e ización en in e io es du an e el p oceso de ab icación de ansmi ancia y eflec ancia y ob ención de cu a IV.
-Medidas eales en ex e io es del espec o de la i adiación sola en días de cielo soleado, nublado y pa cialmen e nublado, y
de las in ensidades de co oci cui o de dos p o o ipos con LR305 y el de e e encia sin ningún in e y el coeficien e de di usión.
-E aluación eó ica de la influencia de la adiación di ec a y di usa en el endimien o de la LSC pa a cua o colo an es dis in os.
Resul ado y discusión
-En la ca ac e ización del espec o de i adiación sola en ex e io es se obse a un componen e DNI p edominan e y un DHI
educido en días soleados mien as que los días b umosos y sob e odo con nubosidad pa cial mues an una mayo influencia
de componen e DHI. Además, la DHI p esen a su máximo en el ango azul mien as que la DNI lo p esen a en el espec o isible.
Es e desplazamien o espec al ambién se obse a en el amanece y a a dece de días soleados, sob e odo en in ie no.
-Los p o o ipos LSC en condiciones de cielo soleado mues an una Isc un 20% supe io a la mues a de e e encia, alcanzando el
35% du an e el amanece y a a dece debido al mayo Kd, el lige o cambio espec al y la dis ibución lambe iana de la DHI. Es o
se co obo a en condiciones b umosas y de nubosidad pa cial con Kd mayo es, alcanzando alo es supe io es de Isc.
-La o ien ación ela i a de los colo an es espec o a la posición sola esul a un pa áme o cla e en la influencia de la i adiancia
sola en el p o o ipo LSC, de e minándose que la o ien ación iso ópica de los momen os dipola es de ansición es la óp ima.
-La p obabilidad de abso ción po cualquie dipolo según la Ley de Lambe pa a la componen e pu amen e DNI es de un 25%
si ambos ec o es son pe pendicula es y la p obabilidad de emi i un o ón guiado eó icamen e es de un 75%, mien as que
los alo es expe imen ales lo si úan en un 66% sugi iendo un cie o g ado de dispe sión.
-Combinando los da os expe imen ales de adiación y los espec os de abso ción de 4 colo an es se calcula la i adiancia
abso bida ela i a del LSC ob eniendo una mayo o o espues a en condiciones di usas en odos los casos, aunque pa a los
colo an es Lumogen Red y Yellow se obse a una meno sensibilidad al e ec o coseno po el pa áme o de o den de ambos.
-Los esul ados indican un aumen o no able en el endimien o de los disposi i os LSC cuando p edomina la adiación di usa,
enómeno e iden e en en o nos u banos donde hay una mayo dispe sión incluso en luga es con p edominio de DNI.
Conclusiones
-El es udio p opo ciona una jus ificación eó ica de la eficacia ope a i a de los disposi i os LSC en condiciones de i adiación
sola di ec a y di usa. En conc e o, se demues a que, pa a un LSC con o ien ación iso ópica de sus colo an es luminiscen es,
las condiciones de adiación di usa son más a o ables debido a la dis ibución lambe iana de es e componen e de adiación.
-La moni o ización en ex e io es de los p o o ipos LSC en di e sas condiciones ambien ales mues a un no able aumen o de la
co ien e de co oci cui o (35%) al aumen a el coeficien e de acción di usa compa ado con un día soleado (25%).
-Las mediciones espec ales e elan un aumen o de in ensidad en la egión del espec o UV cuando p edomina el componen e
DHI, ajus ándose más al espec o de abso ción del colo an e. Dicha alineación con ibuye al aumen o de endimien o de LSC.
Líneas de abajo a u u o
-Realiza campañas de medición en ex e io es en condiciones climá icas a iadas y empleando una gama más amplia de in es.
-Amplia el alcance de las in es igaciones expe imen ales mejo a á la comp ensión del compo amien o de los LSC y con ibui á
a la op imización de es os disposi i os pa a aplicaciones p ác icas en di e sos en o nos ambien ales.
Pho onic C ys al Beam Spli e Elec ode in Kes e i e Tandem Sola Cells: A Nume ical App oach
Physica S a us Solidi A 221(9), pp. 2300734 Q3 (117/179 Applied Physics) IF 1.90 h ps://doi.o g/10.1002/pssa.202300734
Resumen
-En el abajo se es udia el endimien o de la ecnología FV de células sola es ándem de kes e i a, an o de es e minales (3T)
como de cua o (4T). Pa a ambos diseños se inco po a una es uc u a de c is al o ónico (1DPC) como capa in e media, el cual
es a ía compues o po capas apiladas de ITO y SiO2 y una capa e minal de NiO. Es e elemen o end ía a ias unciones:
modifica el espec o de la adiación que a a iesa la célula, con lo que se mejo a la densidad de co ien e de la célula supe io ,
unciona como elec odo in e medio y aumen a el Voc de la célula supe io g acias a su a capa e minal de NiO.
Es ado del a e
-Los ma e iales basados en kes e i a son p ome edo as capas abso ben es ipo p en células sola es de capa fina pe mi iendo
educi cos es y u ilizando ma e iales abundan es en la ie a, pe o la eficiencia que alcanzan po aho a onda el 13,6%.
-Las in es igaciones publicadas han abajado en comp ende el compo amien o de la eficiencia de ese ipo de célula.
-La ecnología ándem combina dos subcélulas de dis in as bandgaps y espues as espec ales, mejo ando la eficiencia, pe o
aumen ando su complejidad. La más ex endida es la de 2 e minales, pe o su capa de unión únel complica su ab icación.
No edad
-Se p opone u iliza un c is al o ónico (1DPC) como sus i u o del elec odo in e medio en las en dos células sola es de kes e i a
ándem 3T y 4T. El 1DPC p opo ciona la uncionalidad eléc ica como elec odo y di ide el haz mejo ando el endimien o de la
célula sola ándem. Además, el 1DPC iene una capa de NiO en ez de Mo en la pa e supe io , con lo que se maximiza la Voc.
-A di e encia de la li e a u a an e io , es a p opues a e i a el uso de las uniones únel, lo que esul a más p ác ico y fiable.
Obje i os
- Diseña un 1DPC que enga ca ac e ís icas óp icas con la espues a espec al de las subcelulas empleadas en el disposi i o
ándem.
- Simula los pa áme os op oelec ónicos (SCAPS) de las subcelulas CZTS y CZTSe así como la configu ación ándem. Es udio de
las ca ac e ís icas elec ónicas (de ec os, ni eles de ene gía, e c).
- Compa a i a del endimien o del disposi i o ándem en sus di e en es configu aciones eléc icas: 2T, 3T y 4T.
Hipó esis
- El uso de 1DPC in e medio mejo a la o oco ien e de la subcélula sola op ( efleja el espec o no abso bido)
- El diseño de 1DPC es compa ible con ma e iales basados en óxidos conduc o es anspa en es, apo ando un alo eléc ico a
la mul icapa.
- El 1DPC basado en óxidos conduc o es anspa en es puede emplea se como elec odo del disposi i o ándem.
- Añadi una capa de NiO apo a un alo de Voc mayo , con mejo es p es aciones de endimien o o o ol aico.
Me odología
- Cons ucción de un modelo en SCAPS de las subcélulas CZTS y CZTSe. Validación con da os publicados po o os au o es.
- Elección de ma e iales óxidos conduc o es anspa en es con al o con as e de índice de e acción.
- Simulación del 1DPC diseñado (Ma lab) compa ible con las espues as espec ales de las subcelulas CZTS y CZTSe.
- Simulación (SCAPS) célula ándem y compa a i a con da os publicados en la bibliog a ía.
Resul ado y discusión
-El modelo de las subceldas en SCAPS ue alidado as compa a lo con los da os expe imen ales de los abajos p e ios.
-Se obse ó que el endimien o del disposi i o se eía influenciado de una mane a mucho más no able po el espeso de la capa
abso ben e en e al ni el de dopaje de es as, concluyendo que el g oso de CZTS debe se supe io a 300nm. En el análisis de
op imización se de e minó los g oso es de ambas subcélulas, siendo la supe io más delgada que en el diseño con encional.
-La o oco ien e simulada de la subcélula in e io es de 32,3mA/cm2, algo meno que la mejo célula de la li e a u a debido a
la abso ción de la subcélula supe io . En dicha subcélula, su o oco ien e es de 24,97mA/cm2, supe io a la bibliog a ía debido
a las consecuencias óp icas del 1DPC a pesa de ene un espeso simila al de los demás abajos.
-En la simulación SCAPS se ob iene un endimien o de la célula ándem 3T del 22,97% y en la 4T del 21,28%, siendo ambas
supe io es a las células basadas en kes e i a de unión simple, demos ando las en ajas de usa 1DPC en ez de uniones únel.
-Los esul ados mues an un aumen o de la i adiación en la subcelda supe io del 18% g acias a la di isión del haz del 1DPC.
-O a en aja mos ada es el uso del NiO en ez de Mo en la capa pos e io de la subcelda supe io aumen ando su Voc.
Conclusiones
-Debido a las p opiedades óp icas del 1DPC, las longi udes de onda más bajas son eflejadas mejo ando el Jsc de la subcelda
supe io . Además, usa como con ac o pos e io el NiO aumen ó significa i amen e el Voc.
-Es os e ec os se aduje on en unas eficiencias en las configu aciones 3T y 4T del 22,71% y 23,07% espec i amen e.
-La p opues a supe a el e o asociado al uso de capas de unión únel y mues a las en ajas de usa 1DPC en células ándem.
Líneas de abajo a u u o
-E alua los e os encon ados du an e la ealización expe imen al de células sola es en ándem de 3T y 4T, u ilizando un único
1DPC como elec odo in e medio. Es os esul ados expe imen ales debe ían examina se sis emá icamen e y compa a se con
los esul ados de la ab icación de células sola es en ándem de 2T simila es equipadas con una unión únel.
Ad anced Pho onic Thin Films o Sola I adia ion Tuneabili y O ien ed o G eenhouse
Applica ions
Ma e ials 2021, 14, 2357 h ps://doi.o g/10.3390/ma14092357
Resumen
-Es udio del impac o en dos ipos de cul i os de la modificación espec al de la adiación que a a iesa un in e nade o al añadi
a su cobe u a ma e iales luminiscen es y c is ales o ónicos. Sus p ocesos de ab icación ambién se de allan.
Es ado del a e
-El pe fil de empe a u a es el pa áme o más es udiado en la li e a u a de los in e nade os al a ec a al c ecimien o del cul i o.
-La i adiación ex e na ambién es undamen al al influi en el p oceso de la o osín esis y la dis ibución é mica del
in e nade o. La adiación o osin é ica ac i a se encuen a en el ango de 400 a 700nm, siendo la adiación que se encuen a
ue a de ese ango pe judicial pa a el endimien o del in e nade o. Eso significa que pa a op imiza la p oducción de los
in e nade os se debe e i a la ansmisión de NIR al in e io y con e i la luz e de en luz oja pa a po encia la o osín esis.
-El c is al o ónico esul a se un elemen o adecuado pa a efleja la adiación in a oja y educi las empe a u as diu nas.
-Los ma e iales luminiscen es son capaces de abso be luz a una de e minada longi ud de onda y eemi i la a o a.
-Ha habido nume osos es udios que analizan la inco po ación de moléculas luminiscen es en las cubie as polimé icas de los
in e nade os, donde los esul ados ue on posi i os, pe o en la mayo ía se usó Lumogen 305 Red, el cual p esen a des en ajas.
No edad
-Es udio y ab icación de un diseño a escala de labo a o io y pilo o de adi i a plás ico con encional usado en in e nade os con
ma e iales luminiscen es pa a modifica el espec o sola en el cul i o del in e io .
- Las moléculas luminiscen es empleadas son Lumogen 305, DCM y LDS. Se analizan además combinaciones en e ellas.
- El ma e ial plás ico adi i ado es ecubie o con un c is al o ónico unidimensional (1DPC) deposi ado po spu e ing con fines
de con ol sola eflejando la componen e IR del espec o sola , y educiendo la empe a u a en el in e io del in e nade o.
Obje i os
- Modifica el espec o sola inciden e en el in e io del in e nade o pa a que es é alineado con los p ocesos o osin é icos del
cul i o.
- Reduci la empe a u a en el in e io del in e nade o median e la eflexión de la componen e IR del espec o sola .
Hipó esis
-Las al as empe a u as ansi o ias o cons an es a ec an al c ecimien o y desa ollo de los cul i os.
-La adiación o osin é icamen e ac i a (RFA) se encuen a en el ango de 400 a 700nm.
-La adiación ul a iole a ce cana (NUV) deg ada la película del in e nade o, daña a las plan as y a ec a a los polinizado es.
-G an pa e de la adiación in a oja ce cana pene a en el in e nade o y p o oca ca gas é micas.
-Po encia la RFA y efleja el es o de la adiación mejo a á el c ecimien o de los cul i os.
Me odología
-Diseña a escala de labo a o io y pilo o una cobe u a pa a in e nade os que con moléculas luminiscen es y un c is al o ónico.
-Ca ac e iza espec almen e las películas luminiscen es y el c is al o ónico pa a op imiza los p o o ipos.
-Cuan ifica el impac o del diseño p opues o en es ipos de cul i o en e a un in e nade o sin modificado es de la adiación.
Resul ado y discusión
-En las mezclas de colo an es DCM+LR305 y DCM+LDS, el ango de abso ción del espec o c eció asegu ando las condiciones de
ans e encia de ene gía po esonancia de Fö s e (FRET). Al aumen a la concen ación de colo an es la abso ción aumen ó.
-En el p oceso de ab icación de la película DCM+LDS, se obse ó que las p opiedades luminiscen es no e an las espe adas, po
lo que se selecciona on pa a la p ueba pilo o las películas dopadas con DCM y DCM+LR305. La combinación de ambas mos ó
una ampliación del ango del espec o p esen ando una buena conco dancia con los esul ados de labo a o io.
-El c is al o ónico, compues o po capas de SiO2 y TiO2, se diseñó pa a que eflejase desde los 1000 a los 1600nm, es ando su
pico en 1300nm. Su espues a óp ica expe imen al esul ó se p ác icamen e igual a la simulada.
-La combinación de ambos elemen os modificado es de la adiación p esen ó beneficios en los dos cul i os es udiados:
• Los oma es Campa i y Tymo y mos a on un i mo de c ecimien o más ápido (ex ensión del allo y núme o de hojas).
• Las lechugas Rex y Magen a mos a on un c ecimien o mayo , mejo ando su capacidad o osin é ica global.
-Den o del in e nade o se comp obó que el p o o ipo disminuía conside ablemen e la adiación ul a iole a y de la anja
e de, mien as que mejo aba la luz oja, eniendo una asmisión de luz del 30%. También mos ó un componen e di uso mayo .
Conclusiones
-La combinación de una película de LDPE dopada con colo an es luminiscen es y un c is al o ónico mejo a el endimien o del
in e nade o al modifica la adiación ansmi ida pa a ajus a se a la espues a PAR de los cul i os.
-Las p opiedades óp icas de la película puede modifica se ácilmen e añadiendo in es o modificando las capas del c is al.
-Las dos ho alizas es udiadas en el in e nade o modificado p esen a on un desa ollo más ápido de las hojas y el allo.
Líneas de abajo a u u o
-Es udio de la p opiedad di usa de la película luminiscen e u ilizando senso es de adiación di usa y di ec a ho izon al.
-Análisis p o undo del compo amien o del diseño p opues o en dis in as ubicaciones climá icas.
-Elabo ación de un modelo ene gé ico exhaus i o y e aluación de la o oes abilidad de las láminas a la go plazo.
-Con as e de la in o mación ecabada con el me cado pa a de e mina un mejo modelo económico y de iabilidad.
Tesis doc o al
Depa amen o de Ingenie ía Ene gé ica
Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía – ETSI
Uni e sidad de Se illa
Es a egias e impac o de la adiación sola espec al
pa a aplicaciones o o ol aicas
Anexo III – Con ibución a las
publicaciones cien í icas
Miguel Ba agán Sánchez-Lanuza
Di igido po :
D . José Ma ía Delgado Sánchez
D . Isido o Lillo B a o
Se illa, 22 de no iemb e, 2024
Expe imen al CIGS echnology pe o mance unde low concen a ion pho o ol aic
condi ions
Jou nal o Cleane P oduc ion
446
(2024), pp. 141384 D1 (24/358) IF 9.70
E aluación de las capacidades de la ecnología de lámina delgada CIGS pa a ope a en condiciones de baja
concen ación óp ica. Compa ación con ecnología con encional de silicio c is alino
ACTIVIDAD RESPONSABLE
1. Concep ualización
1.1. De inición de la p opues a
José Mª Delgado (US)
Isido o Lillo (US)
1.2. Re isión bibliog a ía
Miguel Ba agán (US)
José Mª Delgado (US)
Sa a Mo eno (US)
2. Me odología
2.1. Selección de ecnologías FV e indicado es de
p oducción pa a moni o iza José Mª Delgado (US)
2.2. Simulación é mica disipado es CIGS José Mª Delgado (US)
2.3. Fab icación de p o o ipos. Moni o ización de
p oducción José Mª Delgado (US)
3. In es igación
3.1. T a amien o y análisis de da os de p oducción de
los p o o ipos
Miguel Ba agán (US)
Isido o Lillo (US)
José Mª Delgado (US)
J. Leand o Sancho (Quin as Ene gy)
3.2. T a amien o y análisis de da os de in luencia de la
empe a u a
Miguel Ba agán (US)
Isido o Lillo (US)
José Mª Delgado (US)
Sa a Mo eno (US)
4. Validación
Miguel Ba agán (US)
Isido o Lillo (US)
José Mª Delgado (US)
Sa a Mo eno (US)
J. Leand o Sancho (Quin as Ene gy)
5. Redacción a ículo
Redacción (bo ado o iginal)
Miguel Ba agán (US)
José Mª Delgado (US
Isido o Lillo (US)
Redacción ( e isión y edición)
Miguel Ba agán (US)
José Mª Delgado (US
Isido o Lillo (US)
Sa a Mo eno (US)
J. Leand o Sancho (Quin as Ene gy)
