Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas

Tesis doctoral Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería – ETSI Universidad de Sevilla Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas Miguel Barragán Sánchez-Lanuza Dirigido por: Dr. José María Delgado Sánchez Dr. Isidoro Lillo Bravo Sevilla, 22 de noviembre, 2024 A mis padres, por su amor, y su maravillosa compañía i Agradecimientos La consecución de este trabajo no puede entenderse sin la ayuda recibida por parte de sus directores, José María e Isidoro. Con una inmensa paciencia y dedicación me han guiado hasta la escritura de estas últimas líneas de la Tesis. Por otro lado, ninguno de los pasos que he dado en la vida hubiese sido posible sin las personas de mi alrededor: Mis padres. Todas las historias que han llegado a mí a través de libros, películas o anécdotas no han sido capaces de hacerme imaginar una vida mejor que la que tengo junto a ellos. Estoy en deuda con la vida por ser hijo de Merche y Pepe. Mis hermanos. Solo hay buenos recuerdos de todo lo vivido junto a José y Pablo, que con cariño y sentido del humor me han acompañado durante 27 años. Ana. Mi amor desde el instituto. Hace de mi mundo un lugar aún más agradable y tranquilo. Y le queda muy poco para comenzar a mejorar las vidas de todos sus pacientes. Cachi. Gracias por compartir tu pasión conmigo. El recuerdo de todas las canciones que hemos tocado juntos no se borrará de mi cabeza. Familiares, Carmen, amigos. Todas las personas que me han acompañado y siguen haciéndolo, gracias por vuestro tiempo y cariño. ii Resumen El trabajo presentado se ha centrado en analizar el impacto que tiene el tratamiento de la radiación desde un punto de vista absoluto o espectral. Además, a partir de este conocimiento se han realizado estudios relativos a la introducción de elementos fotónicos en dispositivos fotovoltaicos convencionales a fin de modificar el espectro de la radiación solar con interés de mejorar la eficiencia de la aplicación objeto de estudio. Así, se han realizado estudios teóricos y experimentales considerando cristales fotónicos unidimensionales, recubrimientos luminiscentes y espejos metálicos para modificar, o bien la intensidad o bien el espectro, de la radiación solar que absorbe la célula solar. En general, se observa que el tratamiento espectral aporta una mejor resolución en las predicciones energéticas de los sistemas fotovoltaicos, al mismo tiempo que permite comprender cuáles son las fuentes de pérdida de energía y, por tanto, proponer acciones de mejora en sus diseños. Este aspecto es de interés actual en el desarrollo que están experimentando los sistemas agrovoltaicos, donde el tipo de suelo es un parámetro esencial para estimar la generación eléctrica en la cara trasera de los módulos fotovoltaicos bifaciales. Los recubrimientos luminiscentes aportan su capacidad para absorber cierto espectro de la radiación solar y reemitir dicha energía en longitudes de onda diferentes. Esto permite conseguir un mejor ajuste entre la energía del espectro solar incidente y la energía que una célula solar es capaz de absorber, la cual viene limitada principalmente por el bandgap de los semiconductores empleados. Además, este análisis energético enfocado en los recubrimientos luminiscentes puede ser de interés en otro tipo de aplicaciones como, por ejemplo, en las cubiertas de los invernaderos buscando optimizar los procesos fotosintéticos de las plantas. Por otor lado, los cristales fotónicos unidimensionales actúan como un espejo selectivo para ciertas longitudes de onda. Es decir, dependiendo de su diseño, permite actuar como reflector en una zona del espectro al mismo tiempo que es transparente para otra. Así, su integración en dispositivos fotovoltaicos propone mejoras en cuanto a eliminar radiación solar en longitudes de onda no aprovechables para el efecto fotoeléctrico pero que penalizan el rendimiento del dispositivo fotovoltaico por generar calor en su interior. Otra aplicación estudiada ha consistido en su uso como electrodo intermedio en dispositivos fotovoltaicos con estructura tándem, al ofrecer la funcionalidad doble de conductor eléctrico y separador de haces de luz. En todas estas aplicaciones, el conocimiento de la distribución espectral de las diferentes componentes que forman el espectro solar (radiación global, directa y difusa) es esencial. En la bibliografía existen diferentes modelos, pero no ocurre lo mismo con datos experimentales, y es que el uso de espectrorradiómetros para aplicaciones fotovoltaicas no está muy extendido. Las infraestructuras del grupo de investigación Termodinámica y Energías Renovables (GTER, TEP-122) de la Universidad de Sevilla dispone de la capacidad de medir estas componentes de la radiación, tanto en su forma absoluta como espectral, lo que ha sido un aspecto clave para la realización de este estudio de investigación. iii Abstract The work presented has focused on analysing the impact of radiation treatment from an absolute or spectral point of view. Furthermore, based on this knowledge, studies have been carried out on the introduction of photonic elements in conventional photovoltaic devices in order to modify the spectrum of solar radiation with the aim of improving the efficiency of the application under study. Thus, theoretical and experimental studies have been carried out considering one-dimensional photonic crystals, luminescent coatings and metallic mirrors to modify either the intensity or the spectrum of the solar radiation absorbed by the solar cell. In general, it is observed that spectral treatment provides better resolution in the energy predictions of photovoltaic systems, at the same time as it allows us to understand the sources of energy loss and, therefore, to propose actions to improve their design. This aspect is of current interest in the development of agrovoltaic systems, where the type of soil is an essential parameter for estimating the electrical generation on the rear face of bifacial photovoltaic modules. Luminescent coatings provide the ability to absorb a certain spectrum of solar radiation and re-emit this energy at different wavelengths. This allows a better match between the energy of the incident solar spectrum and the energy that a solar cell is able to absorb, which is mainly limited by the bandgap of the semiconductors used. Furthermore, this energy analysis focused on luminescent coatings may be of interest in other types of applications such as, for example, in the roofs of greenhouses in order to optimise the photosynthetic processes of plants. On the other hand, one-dimensional photonic crystals act as a selective mirror for certain wavelengths. That is, depending on their design, they can act as a reflector in one area of the spectrum while being transparent to another. Thus, their integration in photovoltaic devices offers improvements in terms of eliminating solar radiation at wavelengths that cannot be used for the photoelectric effect but penalise the performance of the photovoltaic device by generating heat inside it. Another application studied has consisted of its use as an intermediate electrode in photovoltaic devices with a tandem structure, as it offers the dual functionality of electrical conductor and light beam separator. In all these applications, knowledge of the spectral distribution of the different components that make up the solar spectrum (global, direct and diffuse radiation) is essential. Different models exist in the bibliography, but the same does not occur with experimental data, and the use of spectroradiometers for photovoltaic applications is not very widespread. The infrastructures of the Thermodynamics and Renewable Energy Research Group (GTER, TEP-122) of the University of Seville have the capacity to measure these components of radiation, both in their absolute and spectral form, which has been a key aspect for carrying out this research study. iv Índice Agradecimientos .................................................................................................................................................................. i Resumen ................................................................................................................................................................................. ii Abstract.................................................................................................................................................................................. iii Índice de figuras ................................................................................................................................................................. vi 1. Introducción ..................................................................................................................................................................... 1 1.1 Espectro de la radiación ........................................................................................................................................ 1 1.2 Células fotovoltaicas ............................................................................................................................................... 6 1.2.1 Fundamentos de las células fotovoltaicas .............................................................................................. 6 1.2.2 Estudio espectral en las células FV ............................................................................................................ 8 1.3 Estructuras fotónicas para modificar la radiación solar ............................................................................. 9 1.3.1. Espejos ............................................................................................................................................................. 10 1.3.2. Materiales luminiscentes ........................................................................................................................... 11 1.3.3. Cristales fotónicos ........................................................................................................................................ 12 1.4 Otras aplicaciones ................................................................................................................................................ 13 1.4.1. Agrovoltaica ................................................................................................................................................... 14 1.4.2. Invernaderos .................................................................................................................................................. 14 2. Objetivos ......................................................................................................................................................................... 16 3. Metodología .................................................................................................................................................................. 17 3.1. Objetivo 1: Cuantificar el balance de energía que se produce en un sistema fotovoltaico cuando aumenta la intensidad del espectro de la radiación solar. ............................................................................ 17 3.2. Objetivo 2: Cuantificar el impacto que supone un tratamiento espectral o absoluto de la radiación solar en la estimación energética de un sistema fotovoltaico. ................................................ 18 3.3. Objetivo 3: Determinar las condiciones de la radiación solar espectral óptimas para maximizar la absorción por parte de elementos fotónicos luminiscentes. .................................................................. 19 3.4. Objetivo 4: Diseñar un cristal fotónico unidimensional e integrarlo en una célula solar con estructura tándem para estimar la mejora en la eficiencia........................................................................... 20 3.5. Objetivo 5: Cuantificar la energía transmitida por un sistema fotónico luminiscente y estimar la mejora que supone su aplicación. .................................................................................................................... 21 v 3. Publicaciones ................................................................................................................................................................ 23 4. Resumen de los principales resultados ............................................................................................................... 24 4.1 Objetivo 1: Cuantificar el balance de energía que se produce en un sistema fotovoltaico cuando aumenta la intensidad del espectro de la radiación solar ............................................................................ 25 4.2 Objetivo 2: Cuantificar el impacto que supone un tratamiento espectral o absoluto de la radiación solar en la estimación energética de un sistema fotovoltaico. ................................................ 30 4.3 Determinar las condiciones de la radiación solar espectral óptimas para maximizar la absorción por parte de elementos fotónicos luminiscentes. ........................................................................................... 35 4.4 Objetivo 4: Diseñar un cristal fotónico unidimensional e integrarlo en una célula solar con estructura tándem para estimar la mejora en la eficiencia........................................................................... 39 4.5 Objetivo 5: Cuantificar la energía transmitida por un sistema fotónico luminiscente y estimar la mejora que supone su aplicación. ......................................................................................................................... 45 5. Conclusiones y líneas de futuro .............................................................................................................................. 49 Bibliografía .......................................................................................................................................................................... 51 vi Índice de figuras Figura 1: Espectro de la radiación en función de la temperatura del emisor [11]. ..................................... 2 Figura 2: Espectros de la radiación solar extreterrestre y en la superficie terrestre. (Elaboración propia) ..................................................................................................................................................................................... 3 Figura 3: Representación de los ángulos de incidencia de la radiación solar en distintas latitudes: zona tropical, latitudes medias y latitudes. ................................................................................................................ 5 Figura 4: Representación de los componentes de una célula FV y su funcionamiento al recibir radiación [20]. ....................................................................................................................................................................... 7 Figura 5: Curva IV con los principales parámetros de una célula FV. (Elaboración propia) ..................... 7 Figura 6: Gráficos obtenidos a partir del límite de Shockley-Queisser en los que se representa la eficiencia máxima que puede alcanzar una célula FV (a) y la naturaleza de sus pérdidas (b) dependiendo de su bandgap. [88] ............................................................................................................................... 8 Figura 7: Respuestas espectrales normalizadas de cuatro tecnologías fotovoltaicas (a-Si, c-Si, CdTe y CIGS) sobreimpresionadas sobre el espectro de la radiación en la superficie. (Elaboración propia) ... 9 Figura 8: Representación de un sistema FV de baja concentración (a) y el efecto que tiene en el espectro solar recibido por el módulo FV (b). (Elaboración propia) .............................................................. 10 Figura 9: Esquema de un concentrador solar luminiscente y sus principales componentes. ............. 12 Figura 10: Diagrama simplificado de un cristal fotónico (a) y su efecto en el espectro transmitido (b). (Elaboración propia) ........................................................................................................................................................ 12 Figura 11: Radiación fotosintéticamente activa del betacaroteno y clorofila A y B sobreimpresionada sobre es espectro de la radiación solar en la superficie terrestre. (Elaboración propia) ........................ 13 Figura 12: Diferentes diseños de sistemas agrovoltaicos: a) los cultivos se colocan entre las filas de módulos FV para obtener la máxima irradiancia; b) los cultivos aprovechan las condiciones de sombra de los módulos fotovoltaicos para mejorar sus condiciones de crecimiento. ........................... 14 Figura 13: a) Dibujo esquemático de los parámetros geométricos del espejo de diseño b) Prototipo del sistema FV de baja concentración fabricado para su posterior estudio en condiciones reales de operación. ........................................................................................................................................................................... 17 Figura 14: a) planta piloto agrovoltaica en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica (ETSIA); b) configuración View Factors del sistema agrovoltaico; c) estación meteorológica de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ETSI) ........................................................................................................ 19 Figura 15: a) prototipo de concentrador solar luminiscente; b) modelo óptico con una distribución isotrópica de dipolos luminiscentes y captura de la radiación solar directa y difusa. ............................. 20 vii Figura 16: a) estructura de la célula tándem con el cristal fotónico integrado como capa intermedia conductora; b) espectro solar modificado para sintonizar el bandgap de las células solares que forman el dispositivo tándem. ..................................................................................................................................... 21 Figura 17: Proceso de fabricación seguido para los diseños de los films luminiscentes para el invernadero. ....................................................................................................................................................................... 22 Figura 18: Reflectividad de dos espejos metálicos: uno de Sant Gobain (gris) y otro de Rioglass (rojo). ................................................................................................................................................................................................ 25 Figura 19: Distribución de la temperatura modelada considerando dos tipos de lámina posterior en el prototipo: vidrio (a,c) y aluminio (b,d), ambos bajo factor de concentración 1× y 2,2×. ................... 26 Figura 20: Gradiente de temperatura simulado con (a) y sin (b) factor de concentración aplicado (2,2×) cuando el prototipo se diseña con disipadores aleteados. .................................................................. 27 Figura 21: Diferencia relativa de temperatura de los módulos fotovoltaicos de cada prototipo funcionando a Cx = 1× y Cx = 2,2×: a) c-Si (azul); b) CIGS vidrio-vidrio (rojo); c) CIGS vidrio-aluminio (verde). ................................................................................................................................................................................. 27 Figura 22: Curva I-V en condiciones exteriores (2,2× y 1×) en comparación con STC, para los prototipos LCPV: a) c-Si; b) CIGS vidrio-vidrio; c) CIGS vidrio-aluminio. ....................................................... 28 Figura 23: Potencia de salida en corriente continua monitorizada bajo condiciones reales de concentración considerando diferentes tecnologías FV: a) c-Si, b) CIGS vidrio-vidrio, y c) CIGS vidrioaluminio. .............................................................................................................................................................................. 29 Figura 24: a) Array yield (a) y PR (b) de los tres prototipos considerados en condiciones de concentración 1x y 2,2x. ................................................................................................................................................ 29 Figura 25: Geometría del sistema agrovoltaico para calcular los coeficientes del factor de visión en dos superficies de longitudes infinitas. .................................................................................................................... 30 Figura 26: Irradiancia solar spectral medida para dos días diferentes: condiciones soleadas a) GHI, b) DNI, c) DHI; y condiciones de turbidez d) GHI, e) DNI y f) DHI. ........................................................................ 31 Figura 27: Valores diarios absolutos de GHI, DNI y DHI monitoreados durante dos días diferentes: cielo despejado (a) y día brumoso (b)....................................................................................................................... 32 Figura 28: Coeficiente de diffusion (𝑘𝑘𝑘𝑘) calculado para un día claro (a) y un día con calima (b). .... 32 Figura 29: Reflectividad espectral caracterizada como función de la longitud de onda y la fase del ciclo de cultivo frente a diferentes tipos de suelo: labrado seco, labrado húmedo y compacto seco. ................................................................................................................................................................................................ 33 Figura 30: Fotocorriente generada en la parte posterior del módulo FV bifacial en función del suelo desnudo y sombreado y la superficie del cultivo utilizando datos de irradiancia espectral para unas condiciones de cielo despejado (a) y calima (b). Relación de fotocorriente trasera y delantera (ξ) generada en condiciones de cielo despejado (c) y calima (d). ........................................................................ 34 Figura 31: Comparación de la relación de fotocorriente generada en la parte delantera y trasera del módulo fotovoltaico bifacial. ....................................................................................................................................... 35 1. Introducción 5 Tras conocer los procesos de modificación de la radiación que se producen en la atmósfera, queda demostrada la influencia que tienen las condiciones atmosféricas locales en el espectro solar, como la concentración de aerosoles, la humedad, la nubosidad y la altura del sol en el cielo. Este hecho se ejemplifica en los casos que se exponen a continuación (Figura 3) [16]: • Cielos despejados: en los días claros, la radiación solar directa resulta dominante y, aunque una fracción de la radiación UV y del infrarrojo lejano es absorbida, el espectro solar que llega a la superficie se asemeja al espectro extraterrestre, pero habiendo sido atenuado. • Cielos nublados: la presencia de nubes conlleva un aumento de la radiación solar difusa, por lo que el espectro que alcanza la superficie presenta una mayor proporción de longitudes de onda largas debido a la mayor dispersión y reflexión de la radiación UV y visible. • Efectos de la altitud: una mayor altitud se traduce en una menor atmósfera para absorber y dispersar la radiación solar, lo que da como resultado un espectro solar aún más parecido al extraterrestre. • Efectos de la latitud: en latitudes altas, la radiación recorre una distancia mayor a través de la atmósfera, lo que aumenta los procesos de dispersión y absorción, principalmente en longitudes de onda cortas. Las variaciones estacionales también afectan en gran medida el espectro que alcanza la superficie terrestre. Figura 3: Representación de los ángulos de incidencia de la radiación solar en distintas latitudes: zona tropical, latitudes medias y latitudes. Los fenómenos de interacción de la radiación y la atmósfera descritos explican que por ejemplo en regiones con altos niveles de contaminación atmosférica, como China, la presencia de partículas finas en el aire y otros contaminantes industriales tengan un impacto significativo en la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos. Estos contaminantes tienden a acumularse sobre los módulos fotovoltaicos, reduciendo la cantidad de luz solar directa que llega a las células fotovoltaicas, lo que disminuye su rendimiento. Además, la polución puede modificar la calidad espectral de la luz solar, cambiando la radiación útil que los paneles pueden convertir en electricidad. Investigaciones como las de Song et al. [17] han mostrado que la deposición de polvo y contaminantes en las superficies de los paneles puede reducir la eficiencia de conversión de energía solar hasta en un 30%, dependiendo de la densidad de la contaminación. Los efectos de la polución también pueden causar una degradación más rápida de los materiales del panel, lo que acorta la vida útil de los sistemas fotovoltaicos [18]. De la misma manera, el polvo en suspensión de las zonas desiertas también afecta a la producción fotovoltaica. En regiones afectadas por tormentas de polvo, como áreas cercanas a desiertos, la acumulación de partículas de arena y polvo sobre los módulos fotovoltaicos puede alterar la radiación solar que llega a los módulos fotovoltaicos. Estas partículas no solo reducen la cantidad de Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 6 luz directa que alcanza los módulos fotovoltaicos, sino que también modifican el espectro solar al dispersar la luz, afectando principalmente las longitudes de onda del espectro visible y cercano al infrarrojo. Según estudios como el de Saidan et al. [19], el polvo del desierto puede reducir la eficiencia de los paneles solares entre un 20% y un 40%, dependiendo de la intensidad de las tormentas y la acumulación de polvo. Además, el polvo puede causar efectos abrasivos en las superficies de los paneles, lo que podría aumentar el desgaste y la necesidad de limpieza frecuente. Este fenómeno es especialmente crítico en zonas de rápido crecimiento económico como el Medio Oriente y el norte de África, donde el uso de energía solar fotovoltaica está en expansión, y la limpieza regular de los paneles resulta en un desafío logístico y económico significativo. Como se ha expuesto en este capítulo, los procesos que tienen lugar entre la radiación solar y la atmósfera terrestre tienen un impacto significativo en el espectro observable desde la superficie. Dichos procesos modifican la energía disponible y su distribución lo largo del espectro electromagnético. Por esta razón, es fundamental caracterizar y utilizar datos espectrales, no solo por la comprensión de los procesos climáticos que tienen lugar en la Tierra, sino también para el diseño y desarrollo de aplicaciones como la tecnología FV, que dependen directamente de un aprovechamiento eficiente de la radiación solar en diversas de condiciones atmosféricas. 1.2 Células fotovoltaicas Las células fotovoltaicas son dispositivos capaces de convertir directamente parte de la energía de la radiación solar en electricidad a través del efecto fotovoltaico. Este fenómeno se basa en la capacidad que tienen ciertos materiales semiconductores para generar una corriente eléctrica al ser expuestos a la luz [4]. La tecnología se ha convertido en uno de los principales sistemas de energía sostenible desempeñado un papel crucial en la transición ecológica que se está llevando a cabo a nivel mundial. A continuación, se describen los principios fundamentales de esta tecnología. 1.2.1 Fundamentos de las células fotovoltaicas El efecto fotovoltaico ocurre en una unión p-n formada por dos regiones de materiales semiconductores con diferente dopado: una región tipo-n con exceso de electrones y otra región tipo-p con exceso de huecos. De forma resumida, el proceso de generación de electricidad consiste en (Figura 4): a. La radiación solar está formada por una distribución de fotones de diferentes energías, que cuando inciden sobre el material semiconductor, algunos son absorbidos, lo cual depende del ancho de banda prohibida característico del semiconductor empleado. b. Los fotones absorbidos transmiten su energía a los electrones del semiconductor, aportándoles energía suficiente para promocionar desde la banda de valencia hasta la banda de conducción, donde los electrones son libres para moverse. c. Cuando el electrón excitado ha sido capaz de promocionar a la banda de conducción del semiconductor, también se ha creado un hueco en la estructura cristalina. Es decir, la interacción del fotón absorbido con la materia se dice que ha generado un par electrónhueco. d. Para que los electrones generados sean útiles para generar electricidad, deben moverse hacia un electrodo donde son extraídos del dispositivo fotovoltaico. En una célula fotovoltaica, este proceso de separación de cargas se realiza por la presencia de la unión p- 1. Introducción 7 n. Dado el dopado diferente de los semiconductores, se crea en su interfase un campo eléctrico interno, que es el responsable de separar los pares electrón-hueco. e. El campo eléctrico creado por la unión p-n impulsa a los electrones hacia el electrodo negativo (cátodo) y a los huecos hacia el electrodo positivo (ánodo). Esto crea una corriente eléctrica, que fluye a través de un circuito externo si se conecta a un dispositivo de carga, como una batería o un equipo eléctrico, proporcionando así energía útil. Por el contrario, cuando los electrones y huecos no son capaces de llegar al electrodo porque por el camino encuentran otra carga de signo contrario, se recombinan y se produce una pérdida de eficiencia. Además, estos procesos de recombinación tienen asociado una liberación de energía en forma de calor, que tampoco beneficia al rendimiento de la célula solar. Figura 4: Representación de los componentes de una célula FV y su funcionamiento al recibir radiación [20]. Para evaluar el rendimiento de una célula fotovoltaica, se utilizan parámetros fundamentales para cuantificar su capacidad de generar electricidad (Figura 5). La eficiencia mide la proporción de potencia eléctrica generada respecto a la irradiancia solar incidente. La intensidad de cortocircuito (𝐼𝐼𝑠𝑠𝑐𝑐) representa la corriente cuando los terminales de la célula están en cortocircuito, indicando la cantidad de portadores generados. La tensión de circuito abierto (𝑉𝑉𝑜𝑜𝑐𝑐) es la tensión sin carga y se ve afectada negativamente por la recombinación de portadores. Finalmente, el factor de forma (𝐹𝐹𝐹𝐹) es la relación entre la potencia máxima y el producto de (𝐼𝐼𝑠𝑠𝑐𝑐) y (𝑉𝑉𝑜𝑜𝑐𝑐), lo que refleja la calidad de la célula. Este último parámetro aporta información suplementaria sobre aspectos eléctricos de la célula solar, tales como la resistencia serie y paralela. La primera está relacionada con la calidad eléctrica de los semiconductores empleados, mientras que la segunda se refiere a los contactos eléctricos empleados. Figura 5: Curva IV con los principales parámetros de una célula FV. Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 8 En relación con la eficiencia de las células, es necesario comprender el límite de Shockley-Queisser [21]. Es un valor teórico con el que limita la máxima eficiencia de conversión de energía para células fotovoltaicas de unión simple, establecido para condiciones de iluminación estándar (espectro AM1.5 y temperatura de 25 °C). A partir de un análisis termodinámico, estos dos investigadores establecieron que el límite de la eficiencia se sitúa en 33,7% para un semiconductor con una banda prohibida ( bandgap ) cercana a 1.34 eV, lo que coincide con la región óptima del espectro solar (Figura 6). Véase a modo de ejemplo que, en el caso del silicio, uno de los semiconductores más empleados actualmente, cuyo bandgap se sitúa en 1,1 eV, su límite máximo de eficiencia sería del 29%, cuando los valores máximos experimentales lo sitúan en 26,1% [22], es decir, que se está a un 2,9% de alcanzar su límite de eficiencia a escala de laboratorio. Figura 6: Gráficos obtenidos a partir del límite de Shockley-Queisser en los que se representa la eficiencia máxima que puede alcanzar una célula FV (a) y la naturaleza de sus pérdidas (b) dependiendo de su bandgap. [88] Los factores físicos determinantes para el límite de Shockley-Queisser son tres (Figura 6): la absorción, la generación y la recombinación de los portadores en el semiconductor. En primer lugar, los fotones con energías menores a la del bandgap del material no tienen la capacidad de excitar electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción, por lo que atraviesan el material sin ser absorbidos ni contribuir a la generación de corriente. En segundo lugar, los fotones con energías superiores al bandgap , excitan a los electrones hasta niveles superiores de la banda de conducción, pero ese exceso de energía de disipa rápidamente en forma de calor debido al fenómeno de termalización. Otra limitación se corresponde a la recombinación de los pares electrónhueco generados, ya que parte de los electrones excitados no llegan al circuito externo, recombinándose antes de alcanzar los contactos metálicos y no generando corriente. Dada la imposibilidad de superar el límite de Shockley-Queisser en células de unión simple, el diseño de células avanzadas de múltiples uniones y tecnologías de modificación espectral busca dividir el espectro solar en rangos de energía adaptados a cada unión, de modo que se maximice la absorción y minimicen las pérdidas de termalización. Esto permite a los dispositivos de múltiples uniones acercarse y, en algunos casos, superar el 40% de eficiencia bajo concentración de luz solar, evidenciando que el límite de Shockley-Queisser es una barrera para celdas de unión simple, pero no es el límite absoluto para la eficiencia en energía solar fotovoltaica [23]. 1.2.2 Estudio espectral en las células FV Anteriormente se ha evidenciado que la radiación solar no es absorbida en su totalidad por los materiales semiconductores que se emplean en la fabricación de las células solares. Es necesario por tanto analizar el acople que hay entre ambos espectros: la radiación solar y la absorción en la célula solar. Cada tecnología fotovoltaica tiene un bandgap , en función de los materiales empleados en su diseño, que define la cantidad mínima de energía requerida para que un fotón excite un electrón 1. Introducción 9 desde la banda de valencia a la banda de conducción, lo que indica que tendrán distintos comportamientos frente al espectro de la radiación. La respuesta espectral (𝑆𝑆𝑅𝑅) es el parámetro característico para evaluar la eficiencia de una célula FV en lo que se refiere a la fracción de la irradiancia en un determinado intervalo de longitud de onda que incide sobre la celda FV y que se convierte en corriente eléctrica. Es dependiente de la longitud de onda y se relaciona con la eficiencia cuántica (𝐸𝐸𝑄𝑄) de la siguiente manera [24,25]: 𝑆𝑆𝑅𝑅(𝜆𝜆)= 𝐸𝐸𝜆𝜆 ℎ𝑐𝑐𝐸𝐸𝑄𝑄 [𝐸𝐸𝑐𝑐. 8] donde 𝐸𝐸 es la carga del electrón, 𝜆𝜆 es la longitud de onda, ℎ es la constante de Planck y 𝑐𝑐 es la velocidad de la luz. La eficiencia cuántica es la relación entre en el número de portadores recolectados por la célula solar y el número de fotones de una determinada energía que inciden sobre ella. En la Figura 7, se representa la respuesta espectral normalizada de varias tecnologías fotovoltaicas, lo que ayuda a evaluar qué porciones del espectro se convierten más eficazmente en electricidad por el material FV, así como a identificar pérdidas energéticas causadas por la no absorción de ciertas longitudes de onda. Figura 7: Respuestas espectrales normalizadas de cuatro tecnologías fotovoltaicas (a-Si, c-Si, CdTe y CIGS) sobreimpresionadas sobre el espectro de la radiación en la superficie. Para las tecnologías fotovoltaicas representadas en la Figura 7 se observa como un denominador común como a partir de 1250 nm aproximadamente, ninguna de ellas absorbe radiación solar. Por tanto, toda la energía del espectro solar por encima de esta longitud de onda incide de forma negativa en el rendimiento fotovoltaico porque sólo se invierte en aumentar la temperatura de la célula solar. Por otro lado, el silicio amorfo (a-Si) tiene una respuesta espectral más ajustada con la zona UV-VIS del espectro solar. Por otro lado, cuando se emplea silicio cristalino (c-Si) se produce un ensanchamiento de la respuesta espectral hasta aproximadamente 1100 nm y el máximo de absorción cambia de 500 nm hasta 800 nm. La eficiencia del c-Si es mayor que la del a-Si, lo cual, a partir de estos datos, es coherente con el análisis termodinámico de Shockley-Queisser. Hay que destacar, además, el comportamiento de otros materiales de lámina delgada, como el CIGS, donde a pesar de que los materiales semiconductores que emplea tienen espesores dos órdenes de magnitud inferiores al c-Si, tienen una respuesta espectral similar al c-Si. La absorción óptica depende tanto del espesor empleado como de la selección del material. 1.3 Estructuras fotónicas para modificar la radiación solar Mejorar el aprovechamiento de la radiación solar para maximizar la energía eléctrica desde fuentes renovables fotovoltaicas es un objetivo que se viene desarrollando desde las últimas décadas. Una estrategia es, como se ha puesto de manifiesto en las secciones anteriores, la búsqueda de diferentes Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 10 semiconductores con distintas características ópticas, optimización de sus espesores, etc. lo que ha permitido generar un abanico de diferentes tecnologías fotovoltaicas. Todas ellas comparten su interés por aumentar su eficiencia y reducir costes de fabricación [26,27]. Una estrategia diferente pero complementaria es la que se propone en esta Tesis Doctoral, consistente en modificar el espectro de la radiación solar a partir de la integración en el dispositivo fotovoltaico de estructuras fotónicas. Para el diseño óptimo de estas estructuras fotónicas y asegurar su correcto acople óptico con la célula solar, es fundamental el conocimiento espectral de la radiación solar. Además, la integración de estructuras fotónicas como una envolvente externa a la célula solar aporta una serie de ventajas tecnológicas y comerciales: (a) son compatibles con las diferentes tecnologías fotovoltaicas; (b) no requieren la modificación del proceso de fabricación de la célula solar; (c) permiten optimizar células solares de tecnologías robustas en el mercado como por ejemplo el c-Si minimizando riesgos en el proyecto comercial del sistema fotovoltaico; (d) son fáciles de ajustar a las condiciones climáticas donde se implemente el sistema fotovoltaico. Para conseguir los objetivos descritos, la ventaja de estas estructuras fotónicas es que producen la modificación del espectro a través de materiales que interactúan con la radiación solar antes de alcanzar la superficie de las células [28]. A continuación, se presentan algunos ejemplos de elementos modificadores de la radiación, cada uno de los cuales emplea principios físicos específicos con el fin de mejorar la eficiencia de los sistemas. 1.3.1. Espejos El uso de espejos integrados en los módulos fotovoltaicos permite la concentración de la radiación en la célula solar [29,30], lo que conlleva un aumento de la intensidad de la irradiancia y, por tanto, de la energía que es posible convertir en electricidad. El funcionamiento de los espejos radica en la reflexión especular, que permite reflejar la radiación directa hacia la célula solar, (Figura 8). Estos elementos se revisten de materiales reflectantes, como el aluminio o plata, que proporcionan una alta reflectividad en el rango del espectro visible e infrarrojo cercano [31]. Dado que la reflectividad de los espejos metálicos es alta (aprox. 98%) y constante en todo el espectro de longitudes de onda útil para la absorción en las células solares, la respuesta óptica que produce este elemento óptico es un desplazamiento en intensidad del espectro de radiación original (Figura 8b). Este desplazamiento es proporcional a la configuración geométrica del espejo respecto al módulo fotovoltaico, consiguiendo valores típicos entre 1.5x y 2.5x con espejos planos, y hasta 10x con espejos paraboloides [32]. Figura 8: Representación de un sistema FV de baja concentración (a) y el efecto que tiene en el espectro solar recibido por el módulo FV (b). Sin embargo, el uso de la concentración solar tiene como consecuencia adversa una mayor intensidad del espectro IR en el módulo fotovoltaico, lo que se traduce en una temperatura elevada 1. Introducción 11 en el dispositivo. Por esta razón, en estos sistemas es común la utilización de sistemas para disipar el calor y evitar así las pérdidas energéticas debidas al sobrecalentamiento [33,34]. Además, dado que sólo se consigue concentrar la radiación directa, es necesario utilizar un sistema de seguimiento que mantenga alineados a los espejos con el Sol. Se han publicado numerosos trabajos en los que se discute el diseño y análisis de sistemas LCPV con distintos elementos de concentración. Famoso et al. desarrollaron un prototipo con módulos c-Si y un sistema de concentración basado en conos truncados de plástico cubiertos con una película metálica para reflejar la radiación directamente sobre la base de las lentes donde se instalaron las células solares [35]. Su estudió concluyó que el Performance Ratio (PR) del sistema LCPV superaba al de los sistemas FV de ángulo fijo, particularmente en regiones de latitudes con mayores valores de irradiancia directa normal (DNI). Saini et al. analizaron el diseño de un concentrador parabólico compuesto integrado con un colector térmico FV incorporando varias tecnologías de células solares, como silicio monocristalino (c-Si), policristalino (p-Si), silicio amorfo (a-Si), teluro de cadmio (CdTe) y seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) [36]. El trabajo señaló que el concentrador propuesto producía una luz no uniforme sobre las células solares, lo que provocó puntos calientes en el módulo, especialmente en ángulos de incidencia elevados. Adicionalmente, Reis et al. modelaron el rendimiento de sistemas LCPV utilizando células solares de silicio y reflectores en V, que consisten en dos espejos para alcanzar un factor de concentración 2x [33]. 1.3.2. Materiales luminiscentes Una molécula luminiscente es capaz de absorber radiación en un cierto intervalo de longitudes de onda, y reemitirlas en forma de radiación con una energía diferente. Por tanto, el uso de materiales luminiscentes permite modificar espectralmente la radiación solar [37,38]. Dependiendo del tipo de molécula luminiscente empleada se puede conseguir que el espectro de absorción y emisión se modifique, y así buscar con la molécula o conjunto de moléculas adecuadas la sintonización de la radiación solar con la respuesta espectral de la célula solar. Incluso la combinación de diferentes moléculas luminiscentes permite ampliar el espectro de absorción o modificar el espectro de emisión para unas condiciones de diseño determinadas [39]. En estos materiales puede producirse una conversión descendente o ascendente. En la primera de ellas, se absorben fotones de alta energía y se reemiten en longitudes de onda de menor energía, lo que puede resultar beneficioso si se absorben fotones del rango UV y se emiten en el rango visible, no solo para ajustar el espectro a la respuesta espectral, sino también ayuda a disminuir las pérdidas por termalización. Sin embargo, enfrentan desafíos en su eficiencia de conversión. Por otro lado, en la conversión ascendente, las moléculas luminiscentes absorben fotones de menor energía y los emiten con longitudes de onda menores. Esto puede ser relevante en células con altos bandgaps , ya que de otra manera no sería posible absorber los fotones de menor energía [40], pero presentan una eficiencia cuántica limitada y requieren condiciones de irradiación altas para activarlas. La fabricación de estas estructuras fotónicas consiste en embeber las moléculas luminiscentes en una matriz polimérica, en cuyos extremos se puede acoplar las células solares. De este modo, la radiación solar incide en la superficie frontal de la matriz polimérica; ésta es absorbida por las moléculas luminiscentes y emitida en un espectro de radiación de menor energía. Los fotones emitidos son guiados por la matriz polimérica por reflexión total hasta las células solares situadas en los extremos de los dispositivos [41]. Como se muestra en la Figura 9, hay un ángulo crítico o de escape para el que, si el fotón emitido por la molécula luminiscente alcanza el vidrio con un ángulo menor o igual a él, atravesará el material y escapará del dispositivo [42]. Dicho ángulo crítico ( θc ) es calculable gracias a la ley de Snell de la siguiente manera: 𝜃𝜃𝑐𝑐=𝑠𝑠𝑠𝑠𝑛𝑛−1�𝑛𝑛2 𝑛𝑛1� [𝐸𝐸𝑐𝑐. 9] Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 12 donde 𝑛𝑛1 es el anfitrión dieléctrico y 𝑛𝑛2 el medio externo. La matriz polimérica y el vidrio tienen un índice de refracción similar (1,5) y el contraste con índice de refracción del aire (1,0) determina el ángulo crítico que explica el guiado de luz hasta el extremo donde se sitúa la célula solar. Además del efecto conversor del espectro solar, el uso de estos materiales luminiscentes tiene la ventaja de proporcionar un efecto de concentración de la radiación en la célula solar, dependiendo de la relación entre la superficie frontal y el espesor de la matriz polimérica donde se sitúa la célula solar. Y a diferencia del efecto de concentración producido con espejos en la sección anterior, en este caso no hay necesidad de añadir elementos mecánicos de seguimiento puesto que el material luminiscente es capaz de absorber tanto la radiación directa como la difusa. Figura 9: Esquema de un concentrador solar luminiscente y sus principales componentes. 1.3.3. Cristales fotónicos El último sistema fotónico para modificar el espectro de la radiación solar que se estudia en el contexto de esta Tesis Doctoral es el cristal fotónico. Este dispositivo se basa en una estructura periódica de materiales con alto contraste de índices de refracción, de forma que se crea un ancho de banda a los fotones que absorbe (pico de Bragg) [43,44]. Es decir, se comporta como un espejo con alta reflectividad en un intervalo estrecho de longitudes de onda, mientras que en el resto de longitudes de onda tiene un valor alto de transmitancia. Se podría decir que es un espejo selectivo en longitudes de onda, al contrario que los espejos convencionales que reflejan en todas las longitudes de onda. En la Figura 10a se muestra un esquema simplificado de un cristal fotónico y en la Figura 10b, un ejemplo del efecto que puede tener el dispositivo en el espectro de la radiación que lo atraviesa. Figura 10: Diagrama simplificado de un cristal fotónico (a) y su efecto en el espectro transmitido (b). 1. Introducción 13 En el diseño del cristal fotónico, se pueden ajustar las características del pico de Bragg manipulando el espesor y las propiedades ópticas de la estructura multicapa [45]. Las Ec. 10 y 11 muestran el cálculo de la reflectividad (R1DPC) y la energía del Pico de Bragg cumpliendo la condición λ=4, basada en principios ópticos [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 refracción de los dos materiales apilados. 1.4 Otras aplicaciones Hoy en día es una realidad la hibridación de sistemas fotovoltaicos con otros desarrollos tecnológicos como, por ejemplo, la agricultura [46]. Además, ambos sectores comparten la radiación solar como combustible de sus procesos y también en ella se debe realizar un análisis específico del efecto que tiene el espectro de la radiación en los procesos fotosintéticos. Por ello, para el desarrollo de tecnologías que integren cultivos con la generación fotovoltaica, como es el caso de los sistemas agrovoltaicos, o en invernaderos, resulta fundamental comprender el concepto de radiación fotosintéticamente activa (PAR) [47]. La radiación fotosintéticamente activa se define como el rango del espectro solar que las plantas utilizan de manera más eficiente en sus procesos fotosintéticos, y abarca longitudes de onda entre los 400 y los 700 nm, aunque de forma discontinua. Como se muestra en la Figura 11, la absorción de la radiación de las plantas ocurre predominantemente en longitudes de onda azul (430–450 nm) y roja (640–680 nm), mientras que las longitudes de onda del rango verde suelen reflejarse, lo que confiere a las plantas su característico color verde [48]. El análisis de la PAR resulta fundamental a la hora de estudiar la radiación solar aplicada tanto a la agricultura como a los sistemas que integran tecnologías FV en la producción agrícola. Figura 11: Radiación fotosintéticamente activa del betacaroteno y clorofila A y B sobreimpresionada sobre es espectro de la radiación solar en la superficie terrestre. Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 14 1.4.1. Agrovoltaica La agrovoltaica es una solución que integra la producción agrícola y la generación de energía fotovoltaica en el mismo terreno. Fue conceptualizada por Adolf Goetzberger y Armin Zastrow en 1981 en el Instituto Fraunhofer [49]. En la actualidad se han desarrollado proyectos piloto en varios países, en los que se han demostrado tanto beneficios económicos como medioambientales [50]. La Figura 12 representa este enfoque en el que se utilizan módulos fotovoltaicos instalados en estructuras elevadas para permitir el desarrollo de los cultivos debajo o entre las filas de los paneles, pudiendo llegar a ofrecer beneficios mutuos en términos productivos tanto de los cultivos como energéticos [51]. Los principales beneficios de estos sistemas híbridos están relacionados con la optimización del uso de la tierra, la mitigación del estrés hídrico, la reducción de la erosión del suelo y la generación de mayores ingresos. Por otro lado, para afianzar el desarrollo a gran escala de la agrovoltaica, es necesario realizar estudios espectrales en los cultivos, desarrollar configuraciones óptimas para ambas aplicaciones, comprender mejor la modificación del microclima y desarrollar modelos económicos que evalúen todos los costes y beneficios de los sistemas agrovoltaicos. Figura 12: Diferentes diseños de sistemas agrovoltaicos: a) los cultivos se colocan entre las filas de módulos FV para obtener la máxima irradiancia; b) los cultivos aprovechan las condiciones de sombra de los módulos fotovoltaicos para mejorar sus condiciones de crecimiento. Según lo expuesto anteriormente, las plantas absorben principalmente los rangos azul y rojo del espectro visible, mientras que los módulos fotovoltaicos tienen la posibilidad de aprovechar otros rangos del espectro sin afectar negativamente al crecimiento de las plantas [52]. Existen además estudios [47,53] que concluyen que el efecto de sombreado de los sistemas fotovoltaicos conlleva una mejora en el microclima alrededor de las plantas, reduciendo tanto la temperatura del suelo como la evaporación, hecho que resulta beneficioso en cultivos de zonas áridas o con altos niveles de radiación y minimizando las condiciones hídricas del cultivo [54]. 1.4.2. Invernaderos Los invernaderos son estructuras cerradas utilizadas para crear un microclima específico para los cultivos en los que se modulan variables ambientales como la temperatura, la humedad o la luz. Su uso representa uno de los mayores consumos energéticos en la agricultura y la tendencia actual lleva al uso de técnicas de control térmico pasivas, como la ventilación natural en lugar de la ventilación forzada [55]. Para lograr un equilibrio entre los costes asociados a la energía primaria y la producción agrícola, primero es necesario garantizar un perfil de temperatura estable y, en segundo lugar, asegurar una irradiación óptima para los procesos fotosintéticos. En cuanto al perfil de temperatura, es el parámetro más estudiado en la literatura, ya que mantener una distribución de temperatura constante dentro del rango óptimo es esencial para un buen crecimiento de los cultivos [56,57,58] . En los invernaderos, la irradiación entrante fuera del rango espectral de la PAR puede generar efectos no deseados que reduzcan su rendimiento: la radiación UV cercana afecta a la cobertura del invernadero, a los cultivos e incluso al comportamiento de los polinizadores, mientras que gran parte de la infrarroja cercana penetra en los invernaderos y provoca cargas térmicas [59]. En relación con 3. Metodología 21 Figura 16: a) estructura de la célula tándem con el cristal fotónico integrado como capa intermedia conductora; b) espectro solar modificado para sintonizar el bandgap de las células solares que forman el dispositivo tándem. 3.5. Objetivo 5: Cuantificar la energía transmitida por un sistema fotónico luminiscente y estimar la mejora que supone su aplicación. • A escala laboratorio se fabrican prototipos con diferentes moléculas luminiscentes: Lumogen Red 305, DCM y LDS, todos ellos con diferentes espectros de absorción y emisión. Para ello se sigue la misma secuencia experimental descrita en la metodología del objetivo 3. • Los prototipos son caracterizados a nivel óptico empleando un fluorímetro y una mesa óptica, tal y como se describen en la metodología del objetivo 3. • A escala piloto, para fabricar la bobina flexible, primero se realiza una granza con los materiales luminiscentes, a 140 ºC con el film plástico (LDPE) y añadiendo como aditivo para facilitar la mezcla p-Xileno (Sigma Aldrich). Posteriormente el p-Xileno se retira por destilación y se obtienen granzas con diferentes composiciones entre 0 y 5% de composición del luminiscente. Posteriormente las granzas son sometidas a un proceso de extrusión con un perfil de temperatura de 90 ºC, 150 ºC, 180 ºC y 190 ºC mientras la base es agitada a 300 rpm. Finalmente, el producto es soplado para obtener el film plástico flexible con espesor de 10 µm y anchura 250 mm. Se fabrican tres tipos de bobinas con concentraciones de 100, 200 y 300 ppm, respectivamente (Figura 17). • El cristal fotónico se diseña siguiendo el método descrito en el objetivo 4 y se fabrica por deposición de magnetrón sputtering DC. Para ello, primero se hace vacío hasta 5x10-7 mbar para evitar contaminaciones en la cámara de proceso; a continuación, se introduce una mezcla de Ar/O2 hasta subir a la presión de 2x10-3 mbar, activando el plasma con una fuente DC. Las capas se depositan secuencialmente a partir de unos blancos de TiO2 y SiO2:Al. • La caracterización de las capas delgadas que forman el cristal fotónico se realiza mediante un perfilómetro mecánico KLA Tencor model P6, y las propiedades ópticas con el mismo montaje descrito en la metodología del objetivo 3. Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 22 • Para la validación experimental y estudiar el impacto del producto sobre el cultivo, se instala un invernadero con dos elementos: uno que emplea el film plástico aditivado y un segundo de control. Figura 17: Proceso de fabricación seguido para los diseños de los films luminiscentes para el invernadero. La Tesis se ha realizado en un entorno multidisciplinar, con varias colaboraciones de centros externos a la Universidad de Sevilla (Idonial y Andaltech) además de otros departamentos dentro de ella como el de Ingeniería Aerospacial y Mecánica de Fluidos, lo que ha permitido la generación de conocimiento en diferentes áreas como química, física, ciencia de materiales e ingeniería, todo además combinando aspectos de modelado y datos experimentales. 23 3. Publicaciones La tesis presentada en este trabajo se ha desarrollado en forma de compendio de artículos, en los que se fundamenta la información expuesta. En esta sección se expondrá un resumen del trabajo llevado a cabo en cada uno de los cinco artículos. A continuación, se incluye una lista con los títulos y la información principal relativa a los artículos publicados: • M. Sánchez-Lanuza, I. Lillo-Bravo, S. Moreno-Tejera, J.L. Sancho Rodríguez, J.M. DelgadoSanchez, “Experimental CIGS technology performance under low concentration photovoltaic conditions”, Journal of Cleaner Production (2024) 446, pp. 141384, doi: 10.1016/j.jclepro.2024.141384. D1 (24/358 Environmental Sciences) IF 9.70 • M. Sánchez-Lanuza, I. Lillo-Bravo, G. Egea, J.M. Delgado-Sanchez, “Spectral irradiance, ground and crop dynamic reflectance: Key determinants in predicting photocurrent for agrovoltaic systems”, Energy Conversion and Managemen t (2024), 312, pp. 118572, doi: 10.1016/j.enconman.2024.118572. D1 (3/170, Mechanics), IF 9.90 • M. Sánchez-Lanuza, I. Lillo-Bravo, A. Menéndez-Velázquez, J.M. Delgado-Sanchez, “Diffuse radiation influence on the performance of luminescent solar concentrators”, Solar Energy Materials and Solar Cells, (2024), 276, pp. 113073, doi: 10.1016/j.solmat.2024.113073. Q1 (29/179, Applied Physics), IF 6.30 • M. Sánchez-Lanuza, I. Lillo-Bravo, J.A. López-Álvarez, J.M. Delgado-Sanchez, “Photonic Crystal Beam Splitter Electrode in Kesterite Tandem Solar Cells: A Numerical Approach”, Physica Status 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. Navas-Martos, I. LilloBravo, J.M. Delgado-Sánchez, “Advanced Photonic Thin Films for Solar Irradiation Tuneability Oriented to Greenhouse Applications”, Materials (2021), 14(9), pp. 2357, doi: 10.3390/ma14092357. Q1 (18/79, Metallurgy & Metallurgical Engineering), IF 3.7480 24 4. Resumen de los principales resultados La investigación llevada a cabo se ha centrado en profundizar en el conocimiento de aplicaciones fotovoltaicas a partir del tratamiento espectral de la radiación, que ofrece más oportunidades de aprovechamiento del recurso solar que en un análisis clásico con valores absolutos. Sólo con este tipo de tratamiento espectral es cuando se permite optimizar los dispositivos fotovoltaicos a partir de considerar estructuras fotónicas anexas o interpretar adecuadamente la interacción radiaciónmateria para predecir la generación eléctrica con mejor resolución. A partir de este estudio se han publicado cinco trabajos en revistas científicas indexadas en JCR, cuyos resultados se resumen a continuación en línea con los objetivos planteados anteriormente. El trabajo titulado “ Experimental CIGS technology performance under low concentration photovoltaic conditions” analiza el efecto que tiene sobre un módulo fotovoltaico la modificación del espectro solar en cuanto a su intensidad. Para ello, se ha diseñado un sistema fotovoltaico de concentración 2.2x a partir del uso de espejos planos metálicos en configuración V (Figura 13). En dicho estudio se observó que la potencia eléctrica generada por los módulos fotovoltaicos era superior en el caso de concentración, pero no de forma lineal con la radiación solar concentrada. La causa de dicha pérdida de eficiencia se explica en base al aumento de temperatura del módulo fotovoltaico. Comprender la causa raíz de esta pérdida energética requiere un conocimiento espectral de la radiación solar, siendo insuficiente un análisis energético con valores absolutos. El siguiente trabajo donde se han publicado resultados de esta Tesis Doctoral se titula “ Spectral irradiance, ground and crop dynamic reflectance: Key determinants in predicting photocurrent for agrovoltaic Systems” . En dicho estudio se continua la hipótesis anterior de la necesidad de un tratamiento espectral del recurso solar. Concretamente, se ha empleado como escenario un sistema agrovoltaico bifacial (Figura 14), donde se analiza la fotocorriente generada en el módulo fotovoltaico en función de las propiedades ópticas del suelo: cobertura tierra-planta, propiedades ópticas dinámicas de la planta durante su crecimiento, tipo de días de operación con diferentes componentes de radiación, etc. En este estudio se realiza una comparativa de la fotocorriente generada por el módulo fotovoltaico bifacial a partir de considerar datos absolutos y espectrales, comprobado que los segundos aportan un valor más próximo a la realidad. El conocimiento del tratamiento espectral de la radiación solar en sus distintas componentes directa y difusa proporciona un conocimiento más detallado de como modificar el recurso solar de acuerdo a la respuesta espectral de los dispositivos fotovoltaicos. En esta línea, se ha publicado el trabajo titulado “ Diffuse radiation influence on the performance of luminescent solar concentrators ” donde se aborda para este fin el uso de materiales luminiscentes. Este tipo de dispositivos son conocidos desde 1970, si bien no se había estudiado hasta ahora cuál era su eficiencia en la absorción de la radiación dependiendo de su carácter directo o difuso. Sabiendo que las moléculas luminiscentes tienen una estructura que permite simularlas como dipolos eléctricos, y que su distribución angular es isotrópica, se ha desarrollado un modelo que analice la interacción de la radiación con estas moléculas y estime cuales son las condiciones de operación más favorables (Figura 15). Dicho modelo ha sido además validado con datos experimentales, donde se comprueba que este tipo de estructura fotónica es más eficiente en la absorción de la radiación cuando operan en condiciones de radiación con componente difusa predominante. De nuevo se observa que tanto para el desarrollo del modelo teórico como para la validación experimental es crucial el tratamiento espectral de la radiación. En la línea de la modificación del espectro solar, se ha publicado un cuarto trabajo de investigación empleando otro tipo de estructuras fotónicas basadas en el concepto de cristales fotónicos unidimensionales: “ Photonic Crystal Beam Splitter Electrode in Kesterite Tandem Solar Cells: A Numerical Approach” . Existen numerosos trabajos en la bibliografía abordando teóricamente diseño 4. Resumen de los principales resultados 25 de células solares tándem, pero en la mayoría de ellas asumen como hipótesis de trabajo que la capa intermedia entre las células top and bottom de la estructura tándem es ideal, por la dificultad de su modelado. Así, en este trabajo se ha propuesto profundizar en el impacto eléctrico (conexión 2T, 3T y 4T) que tiene dicha capa intermedia, diseñándola con un cristal fotónico unidimensional para que además desdoble el espectro solar y beneficie ópticamente a cada una de las subcélulas en función de su respectiva respuesta espectral (Figura 16). De nuevo, es requisito para abordar este estudio el tratamiento espectral del recurso solar. Por último, la publicación titulada “ Advanced Photonic Thin Films for Solar Irradiation Tuneability Oriented to Greenhouse Application” que se presenta en el anexo de publicaciones de esta Tesis Doctoral combina el conocimiento de las dos estructuras fotónicas anteriores: materiales luminiscentes y cristales fotónicos unidimensionales. Los resultados de este trabajo explican cómo ambos sistemas son capaces de modificar el recurso solar en función de la aplicación energética de interés, y que es de nuevo imprescindible un conocimiento espectral del recurso solar para conseguir el acoplamiento óptico necesario entre las capas de materiales involucradas en el dispositivo. A continuación, se presenta un resumen de los resultados más significativos de cada uno de los estudios anteriores, en línea con los objetivos específicos de la Tesis Doctoral descritos en el Capítulo 2. 4.1 Objetivo 1: Cuantificar el balance de energía que se produce en un sistema fotovoltaico cuando aumenta la intensidad del espectro de la radiación solar Los resultados detallados de este objetivo se han publicado en el artículo “ Experimental CIGS technology performance under low concentration photovoltaic conditions ” que se adjunta como anexo. A continuación, se presentan los resultados más destacados del estudio. i. El objetivo de este trabajo es investigar el comportamiento de un módulo fotovoltaico cuando se modifica el espectro solar incidente en su intensidad de forma aproximadamente constante en todas las longitudes de onda. ii. La modificación en intensidad del recurso solar se realiza instalando en los módulos fotovoltaicos dos espejos metálicos en configuración V, lo cual produce una concentración geométrica de 2.2x (Figura 13). Se caracteriza la reflectancia de varios espejos metálicos de diferentes fabricantes (Figura 18), observando que sus propiedades ópticas son similares y con valores de reflectancia superiores al 95% y aproximadamente constantes en el espectro de longitudes de onda de interés para el módulo fotovoltaicos (450 a 1000 nm). Por mayor disponibilidad de los materiales requeridos se seleccionan los espejos metálicos de Rioglass para construir los prototipos. Figura 18: Reflectividad de dos espejos metálicos: uno de Sant Gobain (gris) y otro de Rioglass (rojo). Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 26 Desde el punto de vista geométrico, considerando los parámetros de los módulos FV y utilizando las Ec. 12 y 13, se determinaron el ángulo (𝜃𝜃) y la altura (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 tecnología fotovoltaica, en función del tipo de semiconductor empleado y los espesores de sus capas, tiene una respuesta térmica diferente a la radiación solar, lo cual tiene un impacto directo en el proceso de conversión de la radiación solar en potencia eléctrica [65]. Así, para ampliar el conocimiento de este estudio, se seleccionan dos tecnologías fotovoltaicas para los prototipos: silicio cristalino (c-Si) y lámina delgada CIGS. iv. Otro aspecto que influye en el balance energético y por tanto en la temperatura de equilibrio del dispositivo fotovoltaico es el tipo de encapsulado del módulo fotovoltaico [66]. Para generar datos que puedan permitir comprender este efecto, los prototipos ensayados disponen distintos tipos de encapsulamiento: el c-Si tiene un vidrio frontal y una capa polimérica (Tedlar) en su parte posterior; se usa un módulo fotovoltaico de lámina delgada CIGS con un encapsulamiento vidrio – vidrio, y un segundo módulo fotovoltaico también de lámina delgada con un encapsulamiento de vidrio – aluminio. v. Se realiza una simulación en el programa NX 6.0 de Siemens PLM primero para estimar la temperatura de operación del dispositivo en condiciones de concentración 2.2x (Figura 19), y posteriormente para diseñar unas aletas en la parte posterior del encapsulado de aluminio con el fin de servir de elemento pasivo de disipación térmica (Figura 20). La simulación estima un aumento del 171% de la temperatura del sistema vidrio-vidrio cuando se somete a una concentración 2.2x de la radiación solar, y de un 145% de aumento en el caso del sistema vidrio-aluminio. Es un resultado preliminar, por tanto, que el hecho de usar elementos metálicos con alta transmisividad térmica como material encapsulante (aluminio vs vidrio) revierte en una menor temperatura de operación y, por tanto, en menores pérdidas en la potencia eléctrica generada. Además, la simulación térmica también estima que la temperatura de operación del prototipo CIGS se reduce significativamente cuando la cara posterior del módulo fotovoltaico dispone de unas pequeñas aletas disipadoras, tanto con cómo sin concentración solar. Figura 19: Distribución de la temperatura modelada considerando dos tipos de lámina posterior en el prototipo: vidrio (a,c) y aluminio (b,d), ambos bajo factor de concentración 1× y 2,2×. vi. Durante la fase experimental, se evaluó la potencia eléctrica de los prototipos en función de la temperatura ambiente y el nivel de irradiación solar. El sistema constaba de un seguidor solar de dos ejes que garantizaba un factor de concentración de 2.2x. Los parámetros ambientales se monitorizaron de manera continua, registrando los valores de irradiancia directa normal, irradiancia global, temperatura ambiente y velocidad del viento. En los 4. Resumen de los principales resultados 27 valores de temperatura registrados en los prototipos, se observó que la diferencia de temperatura relativa entre las condiciones con y sin concentración concordaba claramente con el modelo de temperatura de Sandia [67], el cual tiene en cuenta factores como la temperatura ambiente, la velocidad del viento, la irradiancia y el tipo de lámina posterior utilizada. Este ajuste es fácilmente observable, aunque en el caso del prototipo CIGS con encapsulado vidrio-aluminio no ha sido posible hacer la comparación, ya que no se ha sometido a validación experimental el modelo. Figura 20: Gradiente de temperatura simulado con (a) y sin (b) factor de concentración aplicado (2,2×) cuando el prototipo se diseña con disipadores aleteados. En los prototipos probados resultó que la tecnología c-Si presentaba la mayor diferencia relativa, con un aumento medio del 32% en el nivel máximo de irradiancia. La célula CIGS con encapsulado vidrio-vidrio obtuvo valores cercanos, con un aumento medio del 27%, mientras que el prototipo CIGS con encapsulado vidrio-aluminio presentó una diferencia relativa media en el punto de máxima irradiancia del 17 % (Figura 21), lo que evidencia que la elección de los materiales de encapsulado desempeña un papel crucial. Figura 21: Diferencia relativa de temperatura de los módulos fotovoltaicos de cada prototipo funcionando a Cx = 1× y Cx = 2,2×: a) c-Si (azul); b) CIGS vidrio-vidrio (rojo); c) CIGS vidrio-aluminio (verde). Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 28 vii. También se caracterizaron las curvas IV de los prototipos en condiciones de operación reales y se compararon con los valores medidos por los fabricantes en condiciones estándar de laboratorio (AM 1.5G y 25 ºC). En estos resultados (Figura 22) se observa una correlación directa entre la corriente de cortocircuito (𝐼𝐼𝑠𝑠𝑐𝑐) y la irradiancia incidente, en todas las tecnologías fotovoltaicas ensayadas. Sin embargo, al examinar la tensión de circuito abierto (𝑉𝑉𝑜𝑜𝑐𝑐), se hace notable una clara divergencia entre los distintos prototipos ensayados. Debido al mayor coeficiente de pérdida por temperatura del c-Si, este presenta la reducción más pronunciada frente a la otra tecnología. Sin embargo, también hubo divergencias entre las células CIGS, ya que el prototipo con encapsulado vidrio-aluminio exhibió una menor reducción de la 𝑉𝑉𝑜𝑜𝑐𝑐 frente a la vidrio-vidrio debido a su mejor desempeño en la gestión térmica inducido por el tipo de encapsulado (vidrio – aluminio). Esto influye directamente en la potencia eléctrica generada por los tres prototipos, observándose en condiciones de baja concentración (2.2x) una mejora del 86% en la célula c-Si frente a las mejoras del 103 y 113% en las células CIGS vidrio-vidrio y vidrio-aluminio respectivamente, siendo la mejora teórica de la célula en condiciones STC estimada en 120%. Figura 22: Curva I-V en condiciones exteriores (2,2× y 1×) en comparación con STC, para los prototipos LCPV: a) c-Si; b) CIGS vidrio-vidrio; c) CIGS vidrio-aluminio. viii. Para evaluar el rendimiento del sistema LCPV, se empleó el modelo propuesto por Huld et al. [68], recogido en las Ec. 14 y 15, en el que se observa una sólida alineación entre las predicciones del modelo y los resultados experimentales. 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, representado por los puntos negros en la Figura 23 estima las pérdidas resultantes en comparación con las condiciones estándar de referencia, la cual se representa con puntos verdes. Al comparar los datos experimentales con los de referencia, debido a la reducción en la 𝑉𝑉𝑜𝑜𝑐𝑐 el prototipo c-Si presenta las pérdidas medias de potencia más elevadas (34%) en el nivel de irradiancia máximo. Dicho prototipo es seguido por el CIGS vidrio-vidrio (29%) y por el CIGS vidrio-aluminio (20%). 4. Resumen de los principales resultados 29 Figura 23: Potencia de salida en corriente continua monitorizada bajo condiciones reales de concentración considerando diferentes tecnologías FV: a) c-Si, b) CIGS vidrio-vidrio, y c) CIGS vidrio-aluminio. ix. Por último, para caracterizar el rendimiento global de los sistemas LCPV, también se calcularon los parámetros Array Yield (Yf) y Performance ratio (PR) según las Ec. 16 y 17, con los que se puede normalizar la producción de energía en relación con la capacidad del sistema y cuantificar las pérdidas de los sistemas, respectivamente [69]. 𝑌𝑌𝑓𝑓=𝐸𝐸𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑃𝑃0 [𝐸𝐸𝑐𝑐.16] 𝑃𝑃𝑅𝑅=𝐸𝐸𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑃𝑃0 𝐺𝐺𝐷𝐷𝑃𝑃𝑃𝑃 𝐺𝐺𝑆𝑆𝑇𝑇𝐷𝐷 [𝐸𝐸𝑐𝑐.17] Estos parámetros revelan que, al trabajar en condiciones de concentración, el 𝑌𝑌𝑓𝑓 aumenta significativamente en el prototipo CIGS vidrio-aluminio (74%) mientras que en el c-Si y el CIGS vidrio-vidrio sus mejoras son del 59% y el 62 % respectivamente, atribuibles a la gestión del calor (Figura 24). En cuanto al PR, presenta valores menores en condiciones de concentración, observándose las pérdidas más significativas en el prototipo con la célula cSi (11%) frente al CIGS con encapsulado vidrio-aluminio, que vuelve a presentar las menores pérdidas (3%). Figura 24: a) Array yield (a) y PR (b) de los tres prototipos considerados en condiciones de concentración 1x y 2,2x. Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 30 4.2 Objetivo 2: Cuantificar el impacto que supone un tratamiento espectral o absoluto de la radiación solar en la estimación energética de un sistema fotovoltaico. Los resultados detallados de este objetivo se han publicado en el artículo “ Spectral irradiance, ground and crop dynamic reflectance: Key determinants in predicting photocurrent for agrovoltaic systems ” que se adjunta como anexo. A continuación, se presentan los resultados más destacados del estudio. i. El estudio considera un sistema fotovoltaico bifacial hibridado con un cultivo (agrovoltaica), con el objeto de estimar la fotocorriente generada por ambas caras activas del módulo fotovoltaico bifacial, en función de las condiciones de operación del sistema (tipo de suelo, tipo de cultivo, tipo de radiación solar, etc). El análisis se hará empleando datos absolutos y datos espectrales para comparar los resultados en cada caso y el formulismo matemático basado en View Factors , teoría inicialmente desarrollada para simular problemas de transferencia de calor por radiación [70]. Siguiendo el modelo Appelbaum y la teoría del factor de visión, que se define como la fracción del flujo de calor radiativo que sale de la superficie A e incide en la superficie B, se calcula la irradiancia en la cara trasera (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] Para ello, es necesario calcular anteriormente los View Factors , como se muestra en la Ec. 20 y se ejemplifica en la Figura 25. 𝐹𝐹𝑠𝑠,𝑔𝑔=∑𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠𝑒𝑒𝑘𝑘 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑛𝑛𝑠𝑠𝑠𝑠−∑𝑢𝑢𝑛𝑛𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠𝑒𝑒𝑘𝑘 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑛𝑛𝑠𝑠𝑠𝑠 2 · 𝑠𝑠𝑐𝑐𝑢𝑢𝑐𝑐𝑐𝑐𝑒𝑒 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑐𝑐𝑠𝑠𝑛𝑛𝑠𝑠 =𝐴𝐴𝐷𝐷+𝐵𝐵𝐸𝐸−𝐴𝐴𝐸𝐸−𝐵𝐵𝐷𝐷 2 · 𝐴𝐴𝐵𝐵 [𝐸𝐸𝑐𝑐.20] Las coordenadas de los distintos puntos de la Figura 25 se incorporaron en un código Matlab con el que se desarrolló el sistema agrovoltaico completo y que permitió el cálculo de la irradiancia sobre la superficie posterior del módulo en función de la distancia al suelo o a los cultivos, los coeficientes de albedo, el ángulo incidente, la altura del seguidor, el número de módulos instalados y otros parámetros relevantes. Figura 25: Geometría del sistema agrovoltaico para calcular los coeficientes del factor de visión en dos superficies de longitudes infinitas. ii. Para el estudio se definen dos días tipo con situaciones adversas en lo que refiere a sus componentes de la radiación solar: día “soleado” con predominancia de su componente 4. Resumen de los principales resultados 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] Figura 34: Distribución de probabilidad de absorción en función de la elevación solar. iv. Para generalizar el modelo teórico se emplean diferentes moléculas luminiscentes, para lo cual es necesario conocer y caracterizar su espectro de absorción. En la Figura 35 se presenta el espectro de absorción experimental de cuatro de los tipos de moléculas luminiscentes más empleados en este tipo de aplicaciones. Se observa como el Lumogen yellow y el DCM tienen un espectro de absorción más dirigido a capturar la radiación UV, mientras que el Lumogen red y el PM650 presentan un espectro de absorción más centrado en el VIS. Figura 35: Espectro de absorción de cuatro colorantes comúnmente utilizados en la tecnología LSC, incrustados en PMMA. v. El modelo para estimar la probabilidad de captura de radiación, considerando diferentes moléculas luminiscentes y diferentes condiciones de radiación (predominancia de radiación directa o difusa) se basa en las Ec. 29, 30 y 31. En la Tabla 3 se presentan las probabilidades de absorción de la radiación, dependiendo la molécula luminiscente empleada y el tipo de componente de la radiación. El resultado es que cuanto más alineado esté el espectro de absorción de la molécula luminiscente con el espectro solar (Lumogen red), y más condición de difusa exista en el ambiente, mayor es la probabilidad de absorción. Γ𝐷𝐷𝑁𝑁𝐷𝐷(%)=∑[𝐼𝐼𝐷𝐷𝑁𝑁𝐷𝐷(𝜆𝜆,𝜃𝜃𝑡𝑡)·𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝜃𝜃𝑡𝑡]·�𝛼𝛼𝑑𝑑𝑑𝑑𝑟𝑟(𝜆𝜆)� 𝑡𝑡,𝜃𝜃∑𝐼𝐼𝐷𝐷𝑁𝑁𝐷𝐷(𝜆𝜆,𝜃𝜃) 𝜃𝜃×100 [𝐸𝐸𝑐𝑐.29] Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 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: Absorción relativa del colorante a la irradiancia solar entrante, en función de los componentes de la irradiancia solar, para un día de cielo soleado. Colorante 𝚪𝚪𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫(%) 𝚪𝚪𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫𝑫(%) 𝚪𝚪𝑮𝑮𝑫𝑫𝑫𝑫(%) Lumogen Yellow 22 % 24 % 22 % Lumogen Red 23 % 28 % 23 % DCM 20 % 23 % 21 % PM 650 21 % 23 % 22 % vi. El modelo se valida a partir de unos datos experimentales que se registran fabricando prototipos que emplean Lumogen red como molécula luminiscente. Se monitoriza la fotocorriente generada por el dispositivo en diferentes tipos de condiciones de radiación y se comparan los resultados con unos prototipos de control que tienen la misma geometría, pero sin material luminiscente (Figura 36). Figura 36: Corriente de cortocircuito normalizada del prototipo LSC en relación con una muestra de referencia en un día soleado. En ella se observa que, en un día soleado, la intensidad monitorizada en el prototipo luminiscente es un 20% superior a la de los de referencia, aumentando significativamente al amanecer y al atardecer, momentos en los que la fracción difusa también gana peso. En relación a lo anterior, en días con calima y nublados, donde la fracción difusa es aún mayor, el aumento de la fotocorriente se intensifica. En estos escenarios en los que la componente DHI tiene un mayor peso y su naturaleza isótropa en la dirección de la luz subraya que la absorción de fotones por los dipolos que constituyen los colorantes aumenta significativamente debido a la alineación con su también distribución isotrópica dentro del 4. Resumen de los principales resultados 39 material anfitrión. Esto convierte a la orientación relativa de los materiales luminiscentes frente a la posición del sol en un parámetro clave en el análisis llevado a cabo. vii. Aunque ya se había reportado que una de las ventajas de los concentradores solares luminiscentes era su capacidad para concentrar la radiación solar en condiciones de radiación difusa, en contra de los concentradores geométricos convencionales, este ha sido el primer artículo que ha desarrollado un formulismo teórico para explicar el porqué de esta ventaja. 4.4 Objetivo 4: Diseñar un cristal fotónico unidimensional e integrarlo en una célula solar con estructura tándem para estimar la mejora en la eficiencia. Los resultados detallados de este objetivo se han publicado en el artículo “ Photonic Crystal Beam Splitter Electrode in Kesterite Tandem Solar Cells: A Numerical Approach ” que se adjunta como anexo. A continuación, se presentan los resultados más destacados del estudio. i. Para llevar a cabo este trabajo, primero fue necesario diseñar la estructura de las dos configuraciones de células tándem. En ambos casos, la subcélula superior ( top ) está formada por CZTS, cuyo bandap es de 1,45 eV, y la subcélula inferior ( bottom ) por CZTSSe, con un bandgap de 1,096 eV. De esta manera, el rango del espectro de menor longitud de onda será absorbido por la capa superior, mientras que la irradiancia de menor energía la absorberá la capa inferior. Este proceso de simulación para obtener los parámetros característicos de la curva IV de la célula se realizó en el software SCAPS [79]. Dicho programa permite resolver numéricamente la ecuación de Poisson (Ec. 32) y las ecuaciones de continuidad (Ec. 33 y 34) para los portadores de carga a partir del método de Newton-Raphson. En dicho entorno de simulación se introduce la arquitectura de capas de cada célula, los espesores y sus propiedades óptica y electrónicas ( bandgap , coeficiente de absorción, densidad de portadores, defectos, etc.) (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 refiere a la densidad de corriente de electrones/huecos, 𝑅𝑅𝑜𝑜,𝑠𝑠(𝑥𝑥) representa la tasa de recombinación de electrones/huecos, 𝐺𝐺 representa la tasa de generación, 𝜀𝜀 es la permitividad, 𝐸𝐸 es la carga de electrones, 𝜕𝜕 es el potencial electrostático, 𝜌𝜌(𝑥𝑥) es la densidad de carga, y 𝐷𝐷𝐷𝐷 +(𝑥𝑥) y 𝐷𝐷𝑃𝑃−(𝑥𝑥) representan la densidad de concentración de donantes y aceptores ionizados junto con la capa de espesor. Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 40 Tabla 4: Conjunto de parámetros para la simulación de las estructuras de las células solares. Parámetro TCO ZnO CdS CZTS CZTSSe Espesor (nm) 450 50 50 variable variable Banda prohibida (eV) 3.3 3.3 2.4 1.45 1.09 Afinidad electrónica (eV) 4.6 4.6 4.5 4.3 4.1 Permitividad dieléctrica 7.8 7.8 8 10 13.6 Masa efectiva del electrón 0.275 0.275 0.28 0.18 Masa efectiva del hueco 0.59 0.59 0.70 0.71 Densidad efectiva de estados en la banda de conducción (cm -3 ) 3.6×1018 3.6×1018 1.8×1018 2.2×1018 2.2×1018 Densidad efectiva de estados en la banda de valencia (cm -3 ) 1.1×1019 1.1×1019 2.2×1019 1.8×1019 1.8×1019 Movilidad de electrones (cm2/Vs) 150 150 160 100 100 Movilidad de huecos (cm2/Vs) 25 25 50 44 44 Concentración donadores (cm-3) 5×1020 2×1017 2×1017 0 0 Concentración aceptores (cm-3) 0 0 0 5×1016 2×1016 Tabla 5: Características de la configuración de defectos utilizada en SCAPS. Propiedades de defectos en el volumen Densidad de defectos (cm-2) 1.3×1014 Sección eficaz de captura de electrones (cm-2) 1×10-13 Sección eficaz de captura de huecos (cm-2) 4×10-13 Distribución energética Única BC para donantes y BV para aceptores Propiedades de defectos en la interfaz de tipo-n y tipo-p Densidad de defectos (cm-2) 1×1012 Sección eficaz de captura de electrones (cm-2) 1×10-12 Sección eficaz de captura de huecos (cm-2) 4×10-15 Tipo y distribución energética Neutral. Uniforme Defectos puntuales en el volumen del absorbedor Defecto Estado de carga Tipo de defecto Nivel de energía por encima de VNM CuZn (0 / ‒) Aceptor simple 0.10 ZnSn (0 / ‒) Aceptor doble 0.10 (‒ /2 ‒) 0.24 CuSn (0 / ‒) Aceptor multinivel 0.15 (‒ /2 ‒) 0.40 (3‒ / 2‒) 0.55 ZnCu (0 / +) Aceptor simple 1.34 SnZn (0 / +) Donador doble 0.87 (+ / 2+) 0.60 4. Resumen de los principales resultados 41 ii. La validación del modelo creado se hace a partir de los datos experimentales publicados por Shin et al. [63]y Wang et al [64] para los casos de CZTS y CZTSSe respectivamente. En la Figura 37 se presentan los datos experimentales publicados por estos autores, considerados récords de eficiencia en la tecnología fotovoltaica de kesterita, comparados con la predicción teórica del modelo generado (línea discontinua). Figura 37: Comparación de las características de la curva I-V entre los resultados experimentales (puntos) y de simulación (línea discontinua): a) CZTS vs Shin et al. y b) CZTSSe vs Wang et al. iii. Las células tándem requieren de una capa intermedia que facilite el movimiento de los portadores de carga generados en cada subcélula hasta los electrodos por efecto túnel. La modelización electrónica de esa capa es difícil y habitualmente en los trabajos publicados se considera ideal para simplificarla. En este caso, hemos considerado que dicha capa no actúa como capa intermedia por efecto túnel, sino que directamente es el electrodo. Para ello, la capa debe ofrecer al mismo tiempo propiedades eléctricas de materiales conductores y propiedades ópticas adecuadas para facilitar la transmisión de la radiación. Es por ello, que se basa en óxidos conductores transparentes. Además, la capa intermedia se diseña construyendo una estructura periódica de óxidos conductores transparentes. En función de los índices de refracción y espesores seleccionados se consigue crear un bandgap óptico a los fotones incidentes (Ec. 35 y 36), de forma que la capa actúa como un reflector selectivo en longitudes de onda, con la finalidad de dividir el espectro de la radiación incidente. 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 energía del pico de Bragg. Al examinar estas ecuaciones, se hace evidente que la reflectividad aumenta a medida que aumenta el número de capas apiladas (𝐷𝐷), y la anchura del pico de Bragg está directamente influenciada por el contraste en el índice de refracción (Δ𝑛𝑛). A continuación, se detallan los dos cristales fotónicos diseñados: • Configuración 3T: Patrón 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 con capas de ITO (1) y SiO2 (2). • Configuración 4T: Patrón 1 2 1 2 1 2 1 con capas de ZnO (1) y SiO2 (2). Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 42 Los cristales fotónicos de este trabajo se diseñaron para que su pico de Bragg estuviese alineado con el pico de absorción de la top, cuya longitud de onda es cercana a 500nm. En la Figura 38 se muestra de arriba izquierda hacia abajo derecha, el espectro de la radiación solar y la respuesta espectral de cada subcélula seleccionada para este estudio, como la respuesta espectral es modificada por el efecto del cristal fotónico unidimensional, la respuesta espectral global de la célula tándem, y la absorción relativa entre ambas subcélulas. Figura 38: a) Absorción de subcélulas individuales, CZTS top (azul) y CZTSSe bottom (rojo), con la reflectividad 1DPC en línea discontinua. b) Absorción de cada subcelda modificada por la respuesta óptica 1DPC. c) Absorción total de la célula solar tándem con y sin 1DPC. d) Absorción relativa entre ambas células solares en tándem. iv. Una vez el modelo de la célula tándem ha sido construido y validado, se procede a modificar parámetros para encontrar las condiciones óptimas de operación, como por ejemplo el espesor de las capas semiconductoras tipo -p en cada subcélula (Figura 39) o la influencia del dopado de dichas capas (Figura 40). De los resultados se interpreta que conforme el espesor de ambas capas por separado aumenta, la eficiencia de la célula lo hace en la misma forma. Sin embargo, al actuar en modo tándem, si el espesor de la top-cell es suficiente grande para maximizar su eficiencia individual, penaliza el rendimiento de la bottom-cell al no permitir la transmisión de radiación solar suficiente. Es necesario por tanto encontrar un equilibrio entre los parámetros de espesor y transmitancia (Figura 41) Figura 39: EQE en función del espesor de las subcélulas: a) absorbente CZTS y b) absorbente CZTSSe. 4. Resumen de los principales resultados 43 Figura 40: Influencia del espesor de la capa absorbente top y de la concentración de dopaje en la fotocorriente generada. Figura 41: Densidad de corriente en función del espesor de la capa absorbente tanto superior como CZTSSe. v. Una vez determinados los parámetros morfológicos óptimos para maximizar simultáneamente las propiedades eléctricas y ópticas de las subcélulas, se realiza una simulación eléctrica del dispositivo tándem en función del tipo de configuración eléctrica de las subcélulas (2T, 3T y 4T) (Figura 42). Figura 42: Representación esquemática de la configuración del dispositivo: a) célula solar en tándem 2T; b) célula solar en tándem de 4T utilizando un 1DPC dieléctrico; c) célula solar en tándem 3T usando un 1DPC tipo-n vi. En la Figura 43 se presentan los datos simulados para las configuraciones 3T y 4T. En el primer caso el dispositivo actúa como dos células con conexión en paralelo, mientras que el Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 44 segundo caso, el dispositivo representaría una asociación de células en serie. Así, es fácil interpretar que en la primera configuración se maximice la fotocorriente mientras que en la segunda configuración es la tensión el parámetro maximizado. En la Tabla 6 se presenta un resumen de los parámetros optoelectrónicos característicos de cada subcélula y del dispositivo tándem. Figura 43: Curva J-V de las subceldas superiores e inferiores de unión y configuraciones en tándem 3T/4T. Tabla 6: Comparación de parámetros optoelectrónicos numéricos con la célula solar de doble unión basada en kesterita que utiliza una configuración eléctrica de 3T o 4T. De esta manera, se obtiene un rendimiento en la célula 3T del 22,97%, mientras que en la configuración 4T dicho valor disminuye hasta el 21,82%, aunque en ambos casos se supera de manera holgada a las células basadas en kesterita de unión simple. vii. Finalmente, la configuración 2T se compara con los datos publicados previamente por otros autores, donde además estos autores hacen la suposición de que la capa intermedia que hace efecto túnel de los portadores, es ideal (Tabla 7). Se observa como de estos resultados, 3T tándem 4T tándem Celda superior Espesor CZTS (nm) 300 Jsc (mA·cm-2) 24.97 Voc (mV) 813 FF (%) 69.1 h (%) 14.03 % Celda inferior Espesor CZTSSe (nm) 2000 Jsc (mA·cm-2) 32.41 Voc (mV) 572 FF (%) 67.4 h (%) 12.49% Tandem Espesor 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 principales resultados 45 el hecho de introducir un cristal fotónico formado por materiales de óxidos conductores transparentes, mejora la eficiencia de la célula tándem respecto a anteriores investigaciones. Tabla 7: Comparación de trabajos similares en los datos de la literatura y nuestro trabajo. Estructura VOC (mV) JSC (mA·cm-2) FF (%) h (%) Refs. 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/Perovskita 1250 15.80 81.5 19.80 [87] 3T CZTS/CZTSSe 572 57.37 69.2 22.71 Nuestro trabajo 4T CZTS/CZTSSe 1385 24.97 66.7 23.07 i. Paralelamente, también se comprobó que la incorporación de NiO como capa semiconductora tipo-p resultaba ventajosa para el sistema, ya que su función de trabajo minimiza la barrera Schottky para la mayoría de los portadores en el contacto posterior, facilitando un contacto óhmico entre el electrodo y la capa absorbente. Esto explica que los valores de la 𝑉𝑉𝑜𝑜𝑐𝑐 c en la subcélula top sean mayores que los reportados en la literatura. 4.5 Objetivo 5: Cuantificar la energía transmitida por un sistema fotónico luminiscente y estimar la mejora que supone su aplicación. Los resultados detallados de este objetivo se han publicado en el artículo “ Advanced Photonic Thin Films for Solar Irradiation Tuneability Oriented to Greenhouse Applications ” que se adjunta como anexo. A continuación, se presentan los resultados más destacados del estudio. i. En este trabajo se ha realizado una combinación de dos estructuras fotónicas previamente descritas con detalle: el uso simultaneo de materiales luminiscentes y de cristales fotónicos, con el fin de modificar el espectro solar para mejor aprovechamiento energético en una determinada aplicación. En este caso, se ha considerado como escenario de aplicación el diseño de un invernadero, de modo que la radiación transmitida por la cubierta del mismo se ha optimizado buscando el mejor acople óptico con la respuesta espectral del cultivo desde un aspecto fisiológico (fotosíntesis) y minimizar su estrés térmico. ii. Atendiendo al espectro de la fotosíntesis se han seleccionado tres moléculas luminiscentes (DCM, LDS y Lumogen red). La Figura 44 muestra los espectros de absorción y emisión de la película luminiscente preparada con diferentes moléculas luminiscentes, tanto individuales como combinaciones entre ellas buscando un aumento del espectro de absorción y emisión por Transferencia de Föster. En estos análisis, con las muestras a escala de laboratorio fabricadas sobre una base polimérica de PMMA, se observó que el DCM y el LR305 presentaban un máximo en la emisión cerca de los 600nm y el LDS alrededor de los 700nm. Además, la absorción de estos colorantes se situaba en la región verde del espectro, hecho que resulta beneficioso si se tiene en cuenta la PAR del cultivo. Asimismo, se observó que la absorción a lo largo del espectro incrementaba drásticamente al aumentar la concentración Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas 46 de colorante. Las mezclas se realizaron para mejorar el rango del espectro de absorción, haciendo mezclas en una misma solución de DCM con LDS y de DCM con LR305. Figura 44: Espectros de absorción y emisión obtenidos para diferentes colorantes: (a) DCM, (b) LR305, (c) LDS, (d) DCM + LDS, y (e) DCM + LR305. Los picos de emisiones se alinearon con los requisitos de PAR y la combinación de DCM + LDS ofreció la ventaja de espectros de absorción más amplios iii. A partir de los resultados obtenidos a escala de laboratorio, se seleccionan dos configuraciones para el escalado a tamaño piloto: Lumogen red combinado con DCM, y Lumogen red sólo. Estas combinaciones de moléculas luminiscentes son extruidas (ver capítulo de metodología) para conseguir una bobina de plástico aditivada flexible que sirva como cobertura del invernadero. En la Figura 45 se presenta la transmitancia relativa del producto final, comprobándose como los materiales luminiscentes seleccionados son capaces de modificar el espectro solar absorbiendo en las longitudes de onda UV y emitiendo en el VIS que es donde necesita aporte energético el cultivo para su fotosíntesis. Bibliografía 53 [32] D. Baharoon, H. Rahman, W. Omar y S. Fadhl, «Historical development of concentrating solar power technologies to generate clean electricity efficiently – a review,» Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 41, pp. pp. 996-1027, 2015. [33] F. Reis, M. Brito, V. Corregidor, J. Wemans y G. Sorasio, «Modeling the performance of low concentration photovoltaic systems,» Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 94, nº 7, pp. pp. 1222-1226, 2010. [34] A. Shams, «Influence of photovoltaic cell technologies and elevated temperatura on photovoltaic system performance,» Engineering Journal, vol. 14, nº 7, p. pp. 101984, 2022. [35] F. Famoso, R. 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Tesis doctoral Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería – ETSI Universidad de Sevilla Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas Anexo I – Publicaciones Miguel Barragán Sánchez-Lanuza Dirigido por: Dr. José María Delgado Sánchez Dr. Isidoro Lillo Bravo Sevilla, 22 de noviembre, 2024 Journal of Cleaner Production 446 (2024) 141384 Available online 20 February 2024 0959-6526/© 2024 The Authors. Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/bync-nd/4.0/). Experimental CIGS technology performance under low concentration photovoltaic conditions Miguel Barrag´ an S´ anchez-Lanuza a , b , Isidoro Lillo-Bravo b , Sara Moreno-Tejera b , J.L. Sancho Rodríguez c , Jose-Maria Delgado-Sanchez a , * a Dpt. Applied Physics I, University of Seville, Avda de Los Descubrimientos S/n, 41092, Seville, Spain b Dpt. Energy Engineering, University of Seville, Ctra. Utrera Km 1, 41013, Seville, Spain c Dpt. Technical Advisoring, Quintas Energy S.L., Avda. República Argentina 25, 41011, Seville, Spain ARTICLE INFO Handling editor: Jin-Kuk Kim Keywords: LCPV CIGS Thin-film Solar concentration Performance ratio ABSTRACT This research study assesses the influence of the concentration factor on two different PV technologies: c-Si and CIGS, to analyze the feasibility of utilizing CIGS thin-film technology in Low Concentration Photovoltaic conditions. Additionally, the importance of the encapsulation design is explored to determine the optimum thermal management strategy. The initial phase involves an analysis of the thermal performance of two types of commercial photovoltaic module and explores the enhancement of temperature management in CIGS photovoltaics modules by substituting the rear glass backsheet with an aluminum sheet to reduce the operating temperature of the prototype. Subsequently, various prototypes are fabricated, incorporating CIGS and silicon technologies, and different encapsulation designs: tedlar, glass and aluminum backsheets. The analysis reveals that comparing performance under 2.2×and 1×concentration conditions, CIGS technology exhibits the higher performance at 2.2×, making it a more promising choice for LCPV systems. While CIGS technology boasts an intrinsic advantage because of its open circuit voltage temperature coefficient, its performance enhancement under LCPV conditions is further amplified through the optimization of the backsheet to improve the thermal management. 1. Introduction Concentrated Photovoltaic (CPV) systems were conceptualized as an alternative to fixed stand photovoltaic (PV). These systems utilize optical elements to concentrate sunlight onto small, high-efficiency solar cells, resulting in higher energy yields compared to traditional flat-plate photovoltaic technologies (Shanks et al., 2016; Baharoon et al., 2015). Despite the potential advantages offered by High Concentration Photovoltaic (HCPV), several challenges hinder the development of new large-scale projects using this technology. Firstly, the high-quality optic components with high acceptance angle precision, typically Fresnel lens, impose a significant cost burden. Additionally, HCPV necessitate high-precision tracking mechanism to ensure optimal alignment with the sun, which adds complexity and further maintenance cost to these installations. Finally, although III-V solar cells demonstrate higher efficiency compared to conventional silicon cells, their production cost currently presents an obstacle in terms of the overall profitability of large-scale HCPV projects. On the other hand, Low Concentration Photovoltaic (LCPV) systems (with concentration ratio below 10 suns) offer an economically viable alternative with consistently higher efficiencies compared to flat PV projects (Reis et al., 2010a; Parupudi et al., 2020). The reduced concentration level in LCPV minimize the cost of specialized optic components, allowing the use of simpler elements like flat mirrors or truncated parabolas. Furthermore, LCPV systems do not require high tracking precision contributing to overall cost reduction. Another advantage of LCPV design projects is their compatibility with a majority of solar cells technologies (Zahedi, 2011). Effective thermal management is of paramount importance for the optimal performance and lifetime of photovoltaic (PV) systems and its components, especially in the context of low concentration photovoltaic (LCPV) systems. Thermodynamic principles (Shockley and Queisser) limit the efficiency of solar cells, leading to the conversion of some solar irradiance energy into heat. Currently, the electric conversion performance of a conventional silicon PV module in the market is around 13–22%. The excess solar radiation that is not converted into electricity contributes to an increase in the solar cell temperature, resulting in a decrease in electricity generation efficiency. If this heat is not properly managed, it can significantly impact the performance of the PV system * Corresponding author. E-mail address: [email protected] (J.-M. Delgado-Sanchez). Contents lists available at ScienceDirect Journal of Cleaner Production journal homepage: www.elsevier.com/locate/jclepro https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.141384 Received 5 January 2024; Received in revised form 15 February 2024; Accepted 19 February 2024 Journal of Cleaner Production 446 (2024) 141384 2 or even attempt its lifespan (Wang et al., 2020). The decline in performance due to rising PV module temperatures primarily stems from the reduction in the open-circuit voltage (Voc), which exhibits a negative temperature coefficient. The PV module temperature affects the characteristics equation of the solar cell Eq. (1) in two ways (Luque and Hegedus, 2010): directly, through the exponential term involving temperature (T), and indirectly, via its impact on the dark photocurrent (J0) which represents the diode leakage current density in the absence of light. While higher temperature reduces the magnitude of the exponent, the value of J0 increases exponentially with T. Consequently, these combined effects lead to a linear reduction in Voc Eq. (2) (Luque and Hegedus, 2010) as temperature increase (Shams, 2022). J=Jsc −J0(eV/aVT−1)[Eq. 1] Voc =kBT qLn(Jsc J0 +1)[Eq. 2] where J is the current density, Jsc is the short-circuit current, T the temperature, a the ideality factor, q the electrical charge, kB the Boltzmann constant, V the voltage across the output terminals of the PV module, and VT the thermal voltage. Furthermore, PV module manufacturers typically offer product guarantees based on the International Electrotechnical Commission (IEC) Standard (Yolcan and Kose, 2023). This means that if the component operates at PV module temperature higher than 85 ◦C, the guarantee may become invalidated, thereby posing a significant risk to the owner of the PV plant (Nyarko et al., 2019). Moreover, effective management of the incident flux on the solar cells is crucial to ensure uniform distribution. Non-uniform illumination can lead the formation of hotspots (Wang and Xuan, 2020), which in turn can cause irreversible damage to the solar cells, resulting in reduced power output of the panel over its lifetime. Numerous reports in the literature discuss the design and analysis of LCPV systems (Yadav et al., 2013; Kolamroudi et al., 2022; Mansoor et al., 2020). For instance, Famoso et al. (2015) developed an LCPV prototype utilizing c-Si solar cells, with a concentrating system comprising plastic truncated cones covered by a metal film reflecting the radiation directly on the basis of the lenses where the solar cells were installed. Their study concluded that the performance ratio of the LPCV system surpassed that of fixed-angle PV systems, particularly in regions at latitudes with higher values of direct normal irradiance (DNI) solar radiation. Saini et al. (2018) analyzed a design featuring of a compound parabolic concentrator integrated with a photovoltaic thermal collector, incorporating various solar cell technologies, such as monocrystalline (c-Si), polycrystalline (mc-Si) and amorphous silicon (a-Si), cadmium telluride (CdTe), and copper-indium-gallium selenide (CIGS). They pointed out that the compound parabolic concentrator produced a non-uniform light on the solar cells, leading to hot spots on the PV module, especially at high incident angles. Additionally, Reis et al. (2010b) modeled the performance of LCPV systems using silicon solar cells and V-trough reflectors consisting of two mirrors to achieve 2× concentration factor. The majority of the previous cited references focus on the silicon solar cells. However, thin-film technologies are achieving efficiencies comparable to silicon solar cells and offer additional advantages, such as flexible and low weight substrates that positively impact tracker design. Another design advantage is that they are manufactured using the monolithic integration process (Wennerberg et al., 2000). This means that in case of non-uniform illumination, the output power reduction is lower compared to silicon PV modules. In conventional silicon modules, the solar cells are connected in series, indicated by the yellow dotted line (Fig. 1), so the output power is dictated by the cell with the lowest current. Therefore, if certain solar cells experience lower illumination like Fig. 1a, the module performance is limited by the generation of these cells. On the other hand, as depicted in Fig. 1b, all cells span across the full-length module, ensuring that the current generation is equally affected for all solar cells (Oufettoul et al., 2023). Wennerberg et al. (2000) developed an LCPV prototype using a compound parabolic concentrator and CIGS solar cells. Indoor measurements at up to 4×concentration factor demonstrated that CIGS technology is less sensitive to non-uniform defects compared to silicon solar cells. Similarly, Ward et al. (2002) explored the potential of using CIGS solar cells under LCPV conditions, achieving a performance of 21.5% at 4×concentration factor in a device of 0.1 cm 2 . They emphasized the advantage of CIGS technology in competing against silicon solar cells due to the versatility of substrates used, such as flexible stainless steel with better management of thermal phenomena. However, this result was obtained through indoor facilities, and further validation is still pending through pilot projects in real operating conditions. Since that experiment, no major experiments have been reported using CIGS technology as selected device in the LCPV system. More recently, Cherif and Sammouda (2022) simulated one tandem perovskite-CIGS solar cell operating under LCPV conditions, but this work has not yet been validated experimentally. Continuous research and further experimental validation in this direction hold the potential to stablish CIGS-based LCPV systems as competitive and complementary alternative to traditional silicon-based Nomenclature a Ideality factor a-Si Amorphous silicon CIGS Copper–Indium–Gallium-Selenide CdTe Cadmium telluride CPV Concentrated Photovoltaic c-Si Monocrystalline silicon Cx Concentration factor DNI Direct normal irradiance E out Energy production G POA Solar irradiation in plane G STC Solar irradiation in Standard Test Conditions H Finned heatsink height HCPV High Concentration Photovoltaic IEC International Electrotechnical Commission Standard J Current density J sc Short-circuit current density J 0 Diode leakage current density k B Boltzmann constant LCPV Low Concentration Photovoltaic mc-Si Polycrystalline silicon P 0 Nominal power of the system PR Performance ratio PV Photovoltaic q Electrical charge STC Standard Test Conditions T Temperature T a Ambient temperature T m Photovoltaic module temperature V Voltage V T Thermal voltage V oc Open-circuit voltage WS Wind speed Y f Array field δ Power temperature coefficient M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Journal of Cleaner Production 446 (2024) 141384 3 technologies in the solar energy landscape. This research aims to design and evaluate three LCPV prototypes under real outdoor operating conditions to investigate the performance dependence on the PV technology and the type of encapsulation. The first prototype utilizes silicon solar cells, while the remaining two employ CIGS technology, one with monolithic integration and the other with independent solar cells connected in series, similar to the silicon prototype. Each type of prototype considers different backsheets in the encapsulation to evaluate its influence on the output power generated. By comparing the performance of these prototypes, the study looks to identify the most efficiency design for managing thermal losses and assessing the impact of non-illumination impact on the electricity generation for each case. To ensure compliance with the manufacturer guarantee, a control system has been implemented in the tracker to avoid that the temperature of the PV module remains below 85 ◦C. The data collected from these LCPV prototypes will provide valuable insights into optimizing their performance, advancing our understanding of CIGS-based solar cells, and contributing to the broader goal of enhancing solar energy technologies. 2. Methods description 2.1. Performance characterization The research entails a comparative analysis of two different solar cell technologies, their specific encapsulation design, and aims to assess their disparities by taking into account various factors, such as PV module size, tilt and azimuth angle, received irradiation, and prevailing weather conditions over multiple days. By employing quality normalized indicators, a comprehensive and unbiased evaluation of the solar cell technologies can be conducted, facilitating a deeper understanding of their performance characteristics under different environmental conditions. The Array Yield (Yf)is characterized as the ratio between the energy production (Eout)and the nominal power of the system (P0)(Woyter et al., 2014). This particular indicator holds the benefit of standardizing the energy production relative to the system capacity size, thus enabling direct comparisons among prototypes with varying peak capabilities. Yf=Eout P0 [Eq. 3] The Performance ratio (PR)allows the quantification of system losses arising from different factors such as spectral mismatch, PV module temperature variation, and other system malfunction. While various methodologies exist to evaluate the PR, this analysis compares the conventional procedure (Khalid et al., 2016) described in Eq. (4) with the weather-corrected approach originally proposed by NREL (Dierauf et al., 2013), described in Eq. (5), which has also been endorsed by the IEC in the last years and take in consideration the PV module temperature effect. PR = Eout P0 GPOA GSTC [Eq. 4] PR∗=Eout P0⋅GPOA GSTC ⋅[1−δ 100 (Tcell,avg −Tcell,i)][Eq. 5] Tcell =Tm+GPOA GSTC ⋅ΔTcnd [Eq. 6] Tm=GPOA⋅e(a+b⋅WS)+Ta[Eq. 7] where GPOA represents the solar irradiation in plane, GSTC is the solar irradiation in Standard Test Conditions (STC), Eout is the energy out, δ is the power temperature coefficient of the solar cell, WS is the wind speed, Ta and Tm represents the ambient and PV module temperature, a and b are empirical constants related to the temperature increase due to reflected sunlight, and finally ΔTcnd is a coefficient defined by the type of encapsulation of the PV module (Dierauf et al., 2013). 2.2. Prototype design Under LCPV conditions, three design types are juxtaposed: the conventional c-Si PV module, a glass-glass conventional CIGS thin-film PV module, and a novel alternative CIGS thin-film PV module incorporating glass and aluminum encapsulation aimed at mitigating thermal losses. This section undertaken a comprehensive analysis of the distinct components integral to the LCPV prototypes. Balancing cost and optical performance, it has been selected flat mirrors as reflectors to concentrate solar energy onto the LCPV prototypes for this research case, using a V-trough configuration inclined by an angle (θ)as illustrate in Fig. 2. The key considerations for selecting the optimal optic system are: (1) material reflection should closely match the spectral response of the solar cell to maximize energy capture; (2) reflectivity must be as higher as possible to enhance light concentration; (3) the reflector material and its support structure should be cost-effective to ensure feasibility of the LCPV system; (4) the manufacturer must guarantee reflectivity throughout the entire lifetime of the Fig. 1. Schematic drawing of a conventional silicon PV module (a) and CIGS thin film module (b) under non-uniform illumination conditions. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the Web version of this article.) M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Journal of Cleaner Production 446 (2024) 141384 4 LCPV system to maintain optimal performance; (5) the reflector’s mechanical construction should be straightforward and robust enough to withstand various climatic atmospheric events (strong wind loads, vibrations, thermal expansion, etc.) The objective of the LCPV design in this study is to achieve a concentration factor (Cx)of 2.2×. By considering the PV module parameters (Table 1) and utilizing Eq. (8) and Eq. (9), the angle (θ)and height (L4) of the mirror required for each prototype were determined (Oufettoul et 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 the selection of an appropriate mirror material for the LCPV prototype, metals that exhibit free electron-like behavior and adhere to the Drude model are considerable suitable (Lee et al., 2023). Among these options, silver and aluminum are prominent candidates, with typical solar hemispherical integrated reflectivity values of 94% and 91%, respectively, covering the spectral range from 300 to 2500 nm. However, it is important to note that the spectral response of silicon and CIGS solar cells are limited to the range from 400 to 1100 nm (Fern´ andez-Solas et al., 2021). Consequently, energy reflected beyond 1100 nm does not contribute to the photoelectric conversion process but rather results in thermal losses that must be managed properly to avoid performance losses in the PV system. Unfortunately, no metals are available that combine low reflectance in the NIR-IR range with high reflectance in the UV-VIS range, which aligns with the specific spectral response of the solar cells. Additionally, a crucial consideration is the potential degradation of the reflector material. In comparison, the degradation of silver occurs at a faster rate than that of aluminum (Grosjean et al., 2021). Balancing these optical properties, chemical stability, and cost factors, aluminum glass mirrors have been selected for this research case, boasting a total reflectivity of 93%. The PV technology chosen for these prototypes is thin-film CIGS. The first set of prototypes utilizes conventional c-Si PV modules manufactured by Jinko, featuring an encapsulation structure comprising a glasstedlar combination. The second set employs CIGS PV modules provided by Würth Solar, characterized by a glass-glass encapsulation. Lastly, the final set of prototypes incorporates CIGS solar cells supplied by Global Solar, which undergo lamination with a glass-aluminum. Further technical details regarding the commercial PV modules are disclosed in Table 2. 2.3. Thermal model CIGS glass – aluminum To further enhance thermal management within our prototypes operating under LCPV conditions, we have undertaken a comprehensive modeling approach using NX 6.0 S PLM software. This modeling enables us to anticipate and evaluate the thermal performance discrepancies expected between different prototype design, and to identify and incorporate the most effective thermal dissipator elements on the rear surface of the device. For this modeling phase, a finite element analysis (Fig. 3) approach was employed utilizing thin shell elements (2D) for flat surfaces, such as the front glass and the intermediate layers of the CIGS thin-film solar cell, and solid elements (3D tetrahedra) for the heat dissipator component. The element size chosen for the thin shell elements was approximately 0.5 mm, while for the solid elements, it was approximately 2 mm. This meticulous selection of element sizes resulted in the generation of a fine mesh, allowing for the precise identification and analysis of potential temperature gradients within the prototype. A grid independency test was carried out by progressively increasing the number of elements until the maximum temperature difference between two consecutive sets of grids was less than 0.1%. This analysis ensure that the developed model is independent of grid size when predicting the solar cell temperature. Referring to Fig. 3, while maintaining a balance between computational efficiency and prediction accuracy, it is observed that for a number of elements greater than 240,000 the temperature difference is less than 0.1 %. At this stage, the solution was deemed grid independent and converged. Due to the thinness of the layer comprising the CIGS solar cells, with a thickness measuring less than 2 μ m, it is assumed that there exists perfect thermal contact between the glass and the solar cell, as well as Fig. 2. a) Schematic drawing for design mirror geometrical parameters; b) Photography of one prototype during its manufacturing. Table 1 Geometric specifications for each V-through reflector ensuring a concentration factor of 2.2x. Prototype PV module Mirror Width L 1 (mm) Length L 0 (mm) Height L 4 (mm) Length L 0 (mm) c-Si solar cells in series 800 1650 1760 1650 CIGS monolithic integration 600 1200 1320 1200 CIGS solar cells in series 210 500 462 500 Table 2 Commercial PV Module datasheet. 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 power (W) 255 80 13 Temp. Coeff. of V (V/◦C) −0.118 −0.299 −0.299 M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Journal of Cleaner Production 446 (2024) 141384 5 between the glass and the aluminum backsheet. In modeling the convection process, natural convection to ambient conditions has been considered, with a convection coefficient of 3.4 W m −2 ⋅K, representing the worst-case scenario in which wind speed is null. This hypothesis also extends to the external glass surface, as well as both the external and internal surfaces of the heat dissipator (Fig. 4). Notably, the internal temperature within the heat dissipator (T0)remains undefined and is contingent upon the temperature distribution across the prototype. Concerning radiation mechanisms, three distinct boundary conditions have been taken into account: heat exchange between the glass and the front face of the heat dissipator with the sky, following the utilization of the Swinbank Eq. (10) (Yang et al., 2020): Tsky =fn⋅Tamb +0.0552 ⋅ (1−fn)⋅T1.5 amb [Eq. 10] where fn represents the cloudiness factor, taking values within the range of 1 (completely overcast day) to 0 (perfect clear sky). Our findings indicate that under clear sky conditions (fn=0)and during the peak of summer when ambient temperature can reach 42 ◦C, the sky temperature (Tsky)was observed to be 15.3 ◦C. It is worth noting that the other surfaces of the heat dissipator interact with the ambient environment through radiation mechanisms. Furthermore, we have made the assumption that radiation exchange within the heat dissipator itself can be neglected, based on the hypothesis that the temperature within the element remains sufficiently uniform. Properties of the materials considered for the modeling are described in Table 3. Fig. 5 presents the initial outcomes derived from the thermal modeling. These results demonstrate a direct correlation between the concentration factor and the increase in solar cell temperature. Notably, the aluminum backsheet exhibits superior heat dissipation capabilities compared to the rear glass, resulting in lower solar cell temperatures when integrated into the prototype design. To point out the high temperature gradient observed in the glass-glass prototype that even might induce the glass cracking. Furthermore, it is noteworthy that under LCPV conditions the estimated solar cell temperatures align more closely with the maximum recommended operating temperature of 85 ◦C as stipulated in the IEC Standards. However, it is essential to emphasize that this threshold is exceed when the prototype incorporates glass as backsheet material. These findings underscore the necessity of introducing additional design considerations and parameters in the prototype development phase to ensure their reliability and compliance with the manufacturer’s warranty conditions, thereby mitigating the risk of potential operational failures. A significant additional design consideration for the prototypes employing aluminum backsheets is the assessment of the impact of incorporating finned heatsinks on the solar cell temperature. To address this, a second thermal modeling analysis was conducted, focusing on determining the optimal height of the finned heatsinks. The summarized results of this simulation are presented in Table 4. The findings of this second thermal modeling revealed a notable trend. The inclusion of finned heatsinks within the design leads to a substantial reduction in solar cell temperatures. Specially, in the case of the glass-glass design, the solar cell temperature stands at 125 ◦C, whereas incorporating a glass-aluminum sheet in the rear side lowers it to 89 ◦C. However, the most significant reduction is achieved when both the glass-aluminum backsheet and finned heatsinks are employed together, resulting in a remarkable decrease to 47 ◦C. Furthermore, it is essential to note that this integration of finned heatsinks not only substantially lowers the overall temperature but also plays a crucial role in minimizing the temperature gradient across the solar cell, as evidenced in Fig. 6. These results underscore the critical importance of considering finned heatsinks as an integral component in the design phase. Based on these findings, CIGS prototypes manufactured in this research study considered the following backsheets: Type I, which consists of 4 mm-thick glass, and Type II comprising 3 mm-thick aluminum with a finned heatsink that has a height of 10 mm and is spaced 50 mm apart. The finned heatsink used is cost effective solution and does not require the use of forced refrigeration system. 2.4. Characterization equipments Reflection and transmission coefficients required for the thermal model have been obtained using a UV-VIS spectrophotometer (Agilent, Cary 4000), while emissivity has been obtained in a TIR 100–2 (Inglass) emissometer as the reflectivity of radiation emitted at 100 ◦C, and derived from the sheet resistivity measured with an inductive sheet resistivity meter (Nagy SRM-12). The electrical outdoor characterization of the LCPV prototypes is conducted employing an IV tracer (PVE model PVPM 1000 C 40 calibrate with a reference solar cell which ensures an accuracy of ±2 W). The temperature of the prototypes is monitored through some PT100 Fig. 3. Variation of temperature as function of the number of grid elements. Fig. 4. Prototype structure employed in the finite element thermal modeling to design the heat dissipator. Table 3 Thermal and optical properties of the materials forming LCPV prototype. Material Thermal conductivity (W⋅m −2 ⋅K) Emissivity Absorbance (%) Transmittance (%) Glass 1 0.84 1.8 89.9 CIGS solar cell 27 0.31 83.6 0 Aluminum 209 0.84 14.2 0 M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Energy Conversion and Management 312 (2024) 118572 0196-8904/© 2024 The Author(s). Published by Elsevier Ltd. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/bync-nd/4.0/). Research Paper Spectral irradiance, ground and crop dynamic reflectance: Key determinants in predicting photocurrent for agrovoltaic systems M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza a , b , I. Lillo-Bravo b , G. Egea c , J.M. Delgado-Sanchez a , * a Dpt. Applied Physics I, University of Seville, Ctra. Utrera km 1, 41013 Seville, Spain b Dpt. Energy Engineering, University of Seville, Avda. de los Descubrimientos s/n, 41092 Seville, Spain c Dpt. of Agroforestry Engineering, University of Seville, Ctra. Utrera km 1, 41013 Seville, Spain ARTICLE INFO Keywords: Bifacial Agrovoltaic Spectral data Absolute data Optical model ABSTRACT This research delves into the nuanced dynamics influencing photocurrent generated in bifacial photovoltaic modules within the framework of agrovoltaic applications. Our findings underscore the necessity of using spectral data over absolute values regards to the wavelength dependence for precise energy yield predictions. Particularly, it is demonstrated that the ground reflectance plays a pivotal role. The type of soil (compact or tilled) and crop growth cycle contribute to temporal variations, significantly affecting energy production. In order to validate the proposed methodology for estimating photocurrent generated by APV systems based on spectral data, we conducted tests in two different irradiance conditions, deliberately chosen for their contrast: clear sky and hazy sky conditions. Experimental measurements were conducted for global, direct, and diffuse irradiance spectral components in both atmospheric scenarios. Additionally, we performed comprehensive spectral reflectance measurements for various soil types and crops throughout an entire growth cycle to depict the temporal variations in these values. It is observed an overestimation in the ratio between front and rear photocurrent generated by the bifacial PV module when the model relies on absolute values of solar irradiance and ground reflectance, compared to utilizing spectral input data. Furthermore, the analysis of absolute values fails to reveal a significant dependence on atmospheric conditions. In summary, this research discussed the implications of spectral data, geometry and atmospheric conditions, for bifacial PV modules in agrovoltaic applications. 1. Introduction Bifacial photovoltaic (PV) modules, in contrast to conventional monofacial PV modules, have the capability to absorb solar radiation from both the front and back sides of the PV module [1]. This unique feature allows them to capture not only global radiation but also the diffused and reflected radiation from the Earth’s surface. The earliest research on bifacial PV modules dates back to 1960 [2], primarily focusing on crystalline silicon technology. The first commercial product was developed in 1979 specially for the Solar Power Satellite program [3]. Since then, bifacial PV modules have garnered considerable interest in the realm of commercial large-scale PV plants due to their potential to increase energy output while minimizing space requirements compared to conventional PV systems. By 2020, the bifacial technology had captured 17 % of the module market share, a number that has continued to climb, reaching 30 % in 2022 [4,5]. Numerous research studies have examined the influential factors affect the operational efficiency of bifacial PV modules, including solar radiation components (global, direct and diffuse), tilt angle, tracker height, and albedo coefficient. Despite the significance of these factors, a predominant trend among PV system designers involves treating these parameters as absolute values, disregarding spectral information. This practice often stems from the limitations inherent in widely used PV design software such as PVsyst or SAM [6–8]. Notably, Mouhib et al. [4] outlined specific albedo coefficient for various ground types, revealing values of 0.334 for light soil, 0.414 for white sand, 0.140 for green grass, and 0.391 for a concrete slab. Their analysis concluded that the selection of white sand as the ground material leads to an optimal energy yield scenario for bifacial PV modules. Furthermore, Asgharzadeh et al. [9] assessed array mismatch production with a ground albedo of 21 %, while Ghenai et al. [10] unveiled a linear relationship between energy yield in bifacial PV modules and the albedo coefficient. In a related study, Jang et al. [11] conducted comprehensive testing on a bifacial PV * Corresponding author. E-mail address: [email protected] (J.M. Delgado-Sanchez). Contents lists available at ScienceDirect Energy Conversion and Management journal homepage: www.elsevier.com/locate/enconman https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118572 Received 3 April 2024; Received in revised form 7 May 2024; Accepted 17 May 2024 Energy Conversion and Management 312 (2024) 118572 2 system, evaluating various operation conditions including the choice of reflecting material, vertical and tilted orientation, and temperature mismatch. However, their findings lacked spectral information pertaining to irradiance or the material properties of the reflecting surfaces. Similarly, Baghel et al. [12] conducted a thorough performance evaluation of a bifacial PV system, optimizing the tilt angle and albedo coefficient using simulation and experimental data collected in India. Also, Sun et al. [13] developed a concise anisotropic model for bifacial PV modules, considering different incident angles and ground reflection conditions, but neither of these studies accounted for any spectral values in the analysis. Nonetheless, it is imperative to consider the influence of the spectral dependence of solar irradiance and ground surface reflectivity in order to accurately assess the performance of bifacial PV modules, particularly when comparing various boundary conditions [14]. The spectral impact on bifacial PV modules is of heightened significance compared to conventional crystalline silicon PV modules due to the independent interactions of different solar radiation components (global, direct, and diffuse) with the surrounding environment and the PV system, with these interactions being inherently spectrally dependent (Fig. 1). Despite the significance of this factor, only a limited number of studies have utilized spectrally resolved data to investigate the performance of bifacial PV modules. Tonita et al. [15] investigated the correction of spectral albedo mismatch on bifacial PV modules and their energy output prediction. Additionally, Riedel-Lyngskaer et al. [16] analyzed experimental data of bifacial PV systems obtained with different spectroradiometers and pyranometers, finding spectral impacts ranging from 0.98 to 1.20. Furthermore, Monokroussos et al. [17] validated an optical model designed to define the spectral irradiance on the rear side of bifacial PV modules under standard test conditions. One of the most promising applications for bifacial PV modules lies in agrovoltaic (APV) systems. However, in this particular design, heightened precision is imperative for photocurrent generation, and later for the energy yield model. This necessity arises from the intricate interplay of spectral reflections within the adjacent components, such as the vegetation and soils, and it is crucial to consider that both components modify their optical properties over time. So, considering both optical properties as absolute and constant oversize the energy generation estimated in the PV system. The APV concept was originally developed by Goetzberger and Zastrow [18], elucidating that elevating PV modules to a sufficient height ensures the uniform distribution of irradiance on the ground throughout the day, thereby facilitating efficient plant growth. However, new agricultural techniques have undergone significant development in recent years, leading to the classification of APV systems into three main types. The first involves alternating rows of crops and PV strings in an open field. In contrast, the other two configurations entail installing PV modules above the crops, either as the rooftop covering for greenhouse or by mounting the PV modules in an open-air setting [19]. So, the primary advantage of APV systems lies in the potential augmentation of dual land use, thereby mitigating the environmental impact of expansive PV system within society [20]. Dupraz et al. suggested that land use efficiency could be enhanced to 70 % through the implementation of APV systems. This indicates that at least 1.7 times more land would be required to achieve the benefits from individual solar energy generation and conventional agricultural activities [21]. Nonetheless, the increased installation expenses associated with PV modules, inverters, and trackers on agricultural land might lead to higher crop prices, underscoring the significance of mitigating yield losses in APV systems [22]. The fundamental hypothesis underlying this system posits that certain vegetables can withstand partial shading, thereby resulting in a dual benefit of controlling water consumption through reduced soil evaporation and optimizing plant transpiration [23–25]. The identification of crops compatible with PV module shading is pivotal for optimizing the performance of any APV system. Interactions between radiation and plant physiology, alongside other limiting factors for crop Nomenclature R Absolute reflectivity APV Agrovoltaic fDNI Angular losses factors of the direct irradiance fDHI Angular losses factors of the diffuse irradiance fr Angular losses factors of the reflected irradiance Gb Beam irradiance on a horizontal surface Rc(λ)Crop reflectivity kd(λ)Diffuse fraction correlation DNI(λ)Direct Normal Irradiance DHI(λ)Diffuse Horizontal Irradiance Pout Electrical output power of PV module EQE(λ)External Quantum Efficiency FF Fill factor GHI(λ)Global Horizontal Irradiance Rg(λ)Ground reflectivity GHIR(λ)Ground-reflected irradiance Gfront(λ)Irradiance on the front side of the PV module Grear(λ)Irradiance on the rear side of the PV module Voc Open-circuit voltage PV Photovoltaic β PV module tilt angle ϕb Ratio of the beam irradiance on the tilted surface to that on a horizontal surface ξ Relative ratio between front/rear short-circuit photocurrent in the bifacial PV module ΔJ Relative difference between absolute and spectral photocurrent Jsc Short-circuit photocurrent Jfront sc Short-circuit photocurrent in the front side of the bifacial PV module Jrear sc Short-circuit photocurrent in the rear side of the bifacial PV module R(λ)Spectral reflectivity Gd,tilt Total tilted diffuse irradiance Fi,j View factor coefficients Fig. 1. Bifacial PV system installed on a non-uniform ground covered by crops and soil. M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Energy Conversion and Management 312 (2024) 118572 3 production, are central considerations. Certain vegetables exhibit tolerance to partial shading and can be strategically planted beneath PV modules (Fig. 2a). Conversely, other plant species are recommended to be positioned in the gaps between PV modules in each array (Fig. 2b). These options have a critical influence in the optical model for the photocurrent estimation of the bifacial PV modules installed on the APV system. The selection criteria for these placements revolve around ensuring that the presence of PV modules does not adversely impact their photosynthetically active radiation (PAR) [26–28]. For an in-depth exploration of the environmental factors influencing crop dependence, a comprehensive review is available in [29]. Among the various PV technologies available in the market, bifacial PV modules stand out as one of the most advantageous options for APV applications, either large-scale systems or greenhouses [30,31]. Nevertheless, the accurate prediction of photocurrent in bifacial PV modules installed in APV systems incorporating these modules encounters inherent complexities. Specifically, the diffuse irradiance reaching from the rear surface of the PV module is contingent upon the ground condition (whether it be soil or vegetation) [32]. The non-uniformity of solar radiation on the rear surface of the bifacial PV modules stands as one of the most critical limiting factors. This non-uniformity is heavily contingent upon module elevation, particularly pronounced under conditions of non-uniform irradiance, which are prevalent in APV systems [33]. Furthermore, crop growth stage exerts a notable influence on the type of surface reflection, encompassing Lambertian reflection, specular reflection, directional diffuse reflection, or diffuse retroreflection. An additional intricacy that is often overlooked in photocurrent predictions of this nature pertains to the incident angle dependence and the shadowing evolution in the bare soil or crop zone, affecting the reflected diffuse irradiance on the rear side of the bifacial PV module. This issue can be solved using the concept of view factors, typically not integrated into conventional predictions [34]. They rely on the basic principle of conservation of radiation, aiming to estimate the fraction of irradiance reflected from neighboring surfaces or the ground to the rear side of a bifacial PV module through geometric considerations. It is essential to consider the view factor in APV systems, as it profoundly influences the spatial distribution of shading and the result homogeneity of the reflected irradiance, thereby impacting the overall system performance. As such, a comprehensive understanding of the dynamic interplay between ground conditions, crop growth phases, and the view factor is indispensable for refining photocurrent estimation models in bifacial APV systems. However, in our experience, there are no previously published articles analyzing the dynamic effect of crop growth and its impact on the reflectivity to evaluate the performance of bifacial PV modules. It has been previously pointed out the relevance of albedo characterization to predict the performance of APV systems. Moreover, albedo depends on the spectral and angular distributions of the solar irradiance, which are linked to the environmental conditions and the relative position of the sun to the PV module. However, majority of the energy prediction models employed absolute values of the radiation [35–38], and thus, incorporating uncertainty to their results. The primary objective of this research study is to introduce a spectral correction regards to the wavelength dependence into the photocurrent generation prediction models applicable to bifacial PV modules integrated into APV systems. Conventionally, these models have relied upon absolute values of irradiance and albedo, often neglecting the temporal evolution of crops and the optical disparities between bare soil and crop zones. The outcomes of this research, coupled with the proposed methodology, stand to enhance the precision of performance predictions for PV systems incorporating bifacial PV modules. This improvement is crucial for advancing the accuracy of business models essential for widespread adoption of this PV technology. In pursuit of this objective, our methodology incorporates spectral measurements of irradiance, encompassing Global Horizontal Irradiance (GHI), Direct Normal Irradiance (DNI), and Diffuse Horizontal Irradiance (DHI). Moreover, the methodology proposed integrates the spectral reflectivity of both soil and vegetation, with these values derived from experimental data monitored over a period of time to test the influence of the crop growth. This information presents an additional novel perspective by examining the dynamic optical properties resulting from the natural evolution of crops over time and elucidates how these parameters impact the photocurrent on the rear side of bifacial PV modules. Two experimentally distinct sky conditions, namely a clear and a hazy sky condition characterized by elevated diffuse irradiance, are considered to conduct a sensitivity test of the proposed methodology. A key element of the methodology involves the incorporation of the view factor procedure as function of the sun height to consider the effect of inter-row distance, tracker height, shadows and crop surface. By leveraging this approach, we compare the photocurrent predictions derived from spectral values under various boundary conditions. These results are subsequently juxtaposed against predictions expected when relying on absolute values, as in common in the majority of commercial software applications. Through this comparative analysis, we aim to underscore the efficacy of our proposed spectral correction in enhancing the accuracy of photocurrent predictions for bifacial PV modules in diverse environmental conditions. The overarching goal is to contribute valuable insights that will foster advancements in the adoption and optimization of bifacial PV technology within the broader context of renewable energy systems. While previous studies have examined aspects such as view factor theory and spectral irradiance data separately, our research fills a significant gap by integrating these parameters into a novel unified model to predict the photocurrent of APV systems. The proposed model is a theoretical exploration based in experimental measurements, including solar irradiance (absolute and spectral data), and optical reflectance of soil and crops. Importantly, we incorporate dynamic spectral properties of crops throughout their natural growth cycle, a feature not addressed in prior literature. In this study, we predict the photocurrent of bifacial PV modules by synthesizing various information sources previously reported, including the view factor model for crucial PV plant design considerations (such as inter-row distance, shadows, and tracker height), spectral and absolute irradiance data, spectral reflectivity of crops and ground, and the dynamic evolution of crop optical properties. 2. Materials and methods The methodology steps to predict the bifacial photocurrent gain in Fig. 2. Different APV design: a) vegetables exploits the shading conditions under PV modules to improve their growth conditions; b) crops are placed between arrays to get maximum irradiance. M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Energy Conversion and Management 312 (2024) 118572 4 APV systems are succinctly outlined in Fig. 3. The initial stage of the process involves the optical characterization of the ground to ascertain the spectral reflectivity R(λ). It is defined as the ratio of the upward hemispheric ground-reflected irradiance GHIR(λ), to the sky Global Horizontal Irradiance GHI(λ), for each wavelength (λ), which can be represented as follows [39]: R(λ) = GHIR(λ) GHI(λ)(1) Traditionally, it is also defined as an absolute reflectivity that is nonwavelength dependent, calculated as the quotient of the integer result [39]: R=∫λf λiGHIR(λ)dλ ∫λf λiGHI(λ)dλ(2) However, in this research case, Eq. (1) will be employed to account for the spectral influence of the ground and the dynamic effects of the crop growth cycle on bifacial PV performance. Considering absolute and constant reflectivity values for the ground and crop induces significant deviations in the photocurrent prediction for APV systems. Spectral changes in the crop area and bare soil were measured throughout a growing season under varying precipitation and irradiance regimes, resulting in different soil conditions and moisture content. The equipment used for this measurement is a dual detector spectrometer (Unispec-DC, PP System, Amesbury, MA, USA) that measures solar irradiance and target reflectance simultaneously. The spectrometer measures irradiance in 256 contiguous bands for both upwelling and downwelling radiation covering a nominal spectral range from approx. 310 nm to 1100 nm. It achieves a Raileigh resolution of less than 10 nm and utilizes a diode array with a bin size of 3.3 nm. Its absolute accuracy is less than 0.3 nm, ensuring reliable measurements. Synchronization accuracy is approximately 20 μ s, and scan time is typically under 1 s, excluding integration time, which can be adjusted from 3 to 3200 ms to accommodate different measurement requirements. The down-facing detector is a fiber optic fitted with a field of view (FOV) restrictor of 20◦, and the upward looking sensor head is fitted with a cosine diffuser. Fiber optic inputs are equipped with standard SMA 905 connectors for easy compatibility. Throughout an entire crop cultivation cycle, spectral reflectance measurements were taken using the Unispec-DC spectrometer, which allowed to characterize and analyze the reflectance spectrum dynamics of the crop at various growth stages. The same instrumentation and methodology were used to determine the effect of tillage and varying moisture conditions on the bare soil spectral reflectance. The crop reflectance data corresponds to that of a cereal crop (rice) grown under aerobic conditions, so it can be a good representative of other cereal specifies frequently exploited in APV systems. The second phase consists of the characterization of the total and spectral irradiance. The total DHI, DNI and GHI irradiance has been measured using first class calibrated Kipp and Zonen radiometers. The CMP21 model is utilized for measuring the GHI component, while the CMP10 and CHP1 models are employed for measuring the DHI and DNI, respectively. All equipment is calibrated according to ISO 9060:1990 standards, with a spectral range of 285 to 2800 nm, sensitivity ranging from 7 to 14 μ V/W/m2, and spectral selectivity of less than 3 %. Instantaneous spectral irradiance has been measured through a factory calibrated EKO MS-711N spectroradiometer. The equipment was configured with collimating tubes to narrow the field of view of the spectroradiometers aperture to 5◦. Exposure time ranged from 10 ms to 5 s, depending on the intensity of the irradiance conditions. One of the spectroradiometers was integrated into a tracker (with an accuracy of <0.01◦) to automatically follow the sun (DNI), while measurements of GHI and DHI were taken horizontally and coupled to a rotation shadow band unit (RSB-01). As the RSB rotates, four measurements are acquired: in the first position, the shadow band rests outside of the instrument field of view; in the second position, the shadow band stops at −5 circ from the sun disk; in the third position, the RSB covers the solar disk to perform the measurement; and in the fourth position, the shadow band stops +5 circ after the sun disk. Record spectral data every minute in steps of 0.5 nm, covering a bandwidth from 300 to 1100 nm, with a bandpass nominally <7 nm (defined as the full width at half maximum (FWHM)), and a wavelength accuracy of +/−0.2 nm [40]. Additionally, this equipment was used in conjunction with a data logger (Campbell Scientific CR1000) to record the required parameters. The devices are installed at the University of Seville (Spain: 37.41 N, 6.01 W). The measurements were taken at the mentioned location; however, the methodology is applicable to any location where spectral irradiance data are available. The third phase is crucial for determining the irradiance on the rear side of the bifacial PV module. The irradiance on the front side of the bifacial PV module (Gfront)can be calculated by [41]: Gfront =GbRb+Gd,tilt +Rˆ A⋅GHI(1−cosβ 2)(3) where Gb represents the beam irradiance on a horizontal surface; Rb is the ratio of the beam irradiance on the tilted surface to that on a horizontal surface; Gd,tilt is the total tilted diffuse irradiance, and the most extended procedure to evaluate this parameter is the model of P´ erez [42]; R is the reflectivity coefficient; and β is the PV module tilt angle. For this research case it is considered that the PV module is mounted on one axis-tracker, which is the most representative situation for largescale PV systems, so β match with the sun height. The irradiance on the rear side of the bifacial PV module (Grear)is calculated following the Appelbaum model [34] and the view factor theory, assuming that the row of PV modules in any array is infinitely long due to its length being significantly greater than the distance between adjacent arrays. In any energy transfer process, the view factor is defined as the portion of the radiative heat flux leaving surface A that strikes surface B. That is, the view factor measures how effectively one surface can see another surface, solely from a geometric perspective. View factors play a crucial role in transferring irradiances from horizontal planes to tilted planes and in considering potential losses associated with shadows or different surface material properties. It is also Fig. 3. Procedure to evaluate the bifacial photocurrent gain in APV systems. Phases are identified on the left, and detailed input for each phase are described on the right. M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Energy Conversion and Management 312 (2024) 118572 5 assumed a Lambertian diffuse reflection anisotropic distribution instead of a specular pattern. Grear =GHIˆ A⋅[Rg(Frear u,g+Frear s,g)+Rc(Frear u,c+Frear s,c)]+DHI(1+cosβ 2)(4) where GHI and DHI denote the global and diffuse horizontal irradiance spectra, respectively; Rg and Rc represent the ground and crop reflectivity coefficients, respectively. The term Fj i accounts for various view factor coefficients, where the subscripts u,s,g,c denote “unshadow”, “shadow”, “ground” and “crop”, respectively. The calculation of these view factors employs Hottel’s crossed-string rule [34] as depicted in Fig. 4. As an illustrative example, Eq. (3) outlines the procedure for calculating the view factor of the shadow effect on the bare soil surface [43]: Fs,g=∑crossed strings −∑uncrossed strings 2ˆ A⋅source string =AD +BE −AE −BD 2ˆ A⋅AB (5) Additionally, the angular losses factors of the direct (fDNI), diffuse (fDHI) and reflected (fr)irradiance can be obtained through the following equations [13]: fDNI = exp(−cos(β ar))−exp(−1 ar) 1−exp(−1 ar)(6) fDHI =exp[−1 ar(c1(sinβ+ π −β−sinβ 1+cosβ)+c2(sinβ+ π −β−sinβ 1+cosβ)2)] (7) fr=exp[−1 ar(c1(sinβ+β−sinβ 1−cosβ)+c2(sinβ+β−sinβ 1−cosβ)2)] (8) where ar is the specific angular loss coefficient for each PV technology (typically 0.17 for crystalline solar cells), and the values of other parameters can be found in the reference [44]. The coordinates of the various points in Fig. 4 are incorporated into a Matlab code to develop a comprehensive APV simulator. This simulator enables the calculation of the irradiance on the rear surface of the bifacial PV module as a function of factors such as the distance to the bare soil or crop ground, albedo coefficients of bare soil or crops, incident angle, tracker height, the number of PV modules installed in the tracker, and other relevant parameters. The final stage of the modeling process involves incorporating the irradiance output from phase 3 into the bifacial PV module to assess the ratio between the current density generated on the rear side and the front side. This ratio, as per the described procedure, is directly influenced by the reflection factors previously discussed. Various bifacial PV modules are currently available in the market, each exhibiting distinctive characteristics. These include the PERT topology known for its lower susceptibility to light-induced degradation, PERL topology with boron locally diffused in the contact regions on the rear side, PERC widely utilized in large-scale PV systems, IBC type without a metal grid contact on the front side, and HIT, distinguished by its n-type. For this research study, a PERC bifacial PV module from JA Solar, extensively employed in contemporary large-scale PV systems, is selected. The technical specifications are comprehensively outlined in Table 1. To assess the sensitivity of the bifacial PV module to ground-reflected irradiance, this research employs external quantum efficiency (EQE) data to evaluate the performance of the device. The EQE quantifies the efficiency of converting incident photons to electrons within the solar cell, making it a wavelength-dependent function. The examination of the EQE plot enables the interpretation of spectral regions contributing Fig. 4. APV system geometry to calculate view factor coefficients in two surfaces of infinite lengths, upon the surface is shadow/unshadow and bare soil/crop. Table 1 Bifacial PV module datasheet. Dimensions [cm 2 ] 21,900 No. of cells 156 (6x26) Maximum Power (P max ) [W] 450 Open Circuit Voltage (V oc ) [V] 53.58 Maximum Power Voltage (V mp ) [V] 45.28 Short Circuit Current (I sc ) [A] 10.46 Maximum Power Current (I mp ) [A] 9.94 Module efficiency ( η ) [%] 20.4 M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Energy Conversion and Management 312 (2024) 118572 6 to photocurrent generation. Furthermore, EQE facilitates the computation of short-current density (J sc ) for the device [45]: Jsc =∫λ2 λ1 EQE(λ)ˆ A⋅G(λ)dλ(9) where G(λ)represents the incident irradiance on the PV module. A detailed analysis of the EQE offers insights into optical losses concerning a reference condition. Consequently, for accurate photocurrent prediction in APV systems, where irradiance is influenced by the spectral performance of various components, this calculation is paramount to obtain precise results in terms of photovoltaic energy generation. 3. Results and discussion In this section, our approach is centered on elucidating the key components essential for constructing the energy model, as delineated in the preceding sections. Each of these components will undergo a comprehensive analysis to unveil the individual nuances and contributions. Subsequently, a meticulous compilation of these analyzed components will be undertaken to generate a comprehensive report on the final photocurrent generated by the APV system. A critical aspect of this analysis involves a dedicated exploration into the sensitivity of each component. 3.1. Ground optical characteristics The temporal evolution of the disparity in diurnal crop spectral reflectivity is illustrated in Fig. 5, showcasing examples over dry and wet soil conditions. The composition of the soil, the percentage of surface covered by the crop, and the type of crop, has a high influence on the albedo. Assuming a uniform azimuthal orientation distribution and a random spatial arrangement of leaf elements [46], the inclination distribution function undergoes modifications throughout the crop growth cycle, influencing the interception of irradiance. Consequently, the percentage of soil impacting ground reflectance diminishes over time. Additionally, the spectral reflectivity of most green leaves exhibits similarity, explicable through the selective absorption of irradiance by leaf pigments and water. Notably, leaf pigments such as carotenoids and chlorophyll exhibit pronounced absorption in the visible region, with a peak absorption range around 400–650 nm. Beyond this spectral range, neither leaf pigments nor water significantly interact with irradiance, resulting in elevated reflectivity. Generally, a crop’s spectral reflectivity is primarily dictated by the probability of photon interaction with either the crop or the soil surface. Nevertheless, physiological processes within crops introduce variations in leaf optical properties, thereby offering an avenue to assess crop health diagnosis through optical characterization [47,48]. As depicted in Fig. 5, leaf spectral reflectivity experiences an augmentation in the Near-Infrared (NIR) range due to the influence that canopy architecture, vegetation density, and other factors related to leaf structure and canopy arrangement plays on NIR reflectivity. Statistical comparisons were executed through one-way ANOVA test at 95 % confidence level (p <0.05). The maximum reflectivity values are observed to be 47 % at 779 nm for the early growth stage and achieving a maximum value of 57 % for the same wavelength. Moreover, it is also observed how the change of bare soil by crops reduces the spectral reflectivity of the ground from 25 % to 10 % in the range of 550 to 700 nm. This observation clearly has a significant influence on the spectral irradiance incoming on the rear side of the bifacial PV module, reducing its energy generated. The crop reflectivity data corresponds to that of a cereal crop (rice) grown under aerobic conditions, so it can be a good representative of other cereal specifies frequently exploited in APV systems. The significance of comprehending reflectivity for accurate photocurrent predictions in bifacial PV modules is observed in Fig. 5. This optical parameter is inherently influenced by the morphological characteristics of the considered surface, imparting either an isotropic or anisotropic albedo environment. Notably, existing literature and widely adopted PV design software often assume the ground to behave as a Lambertian reflector, characterized by uniform reflection in all directions. However, under these conditions, the spectral reflectivity of the ground remains invariant throughout the day, leading to an overestimation of predicted photocurrent. For instance, the spectral reflectivity of compact soil exhibits increased specularity when the soil is compacted compared to its tilled state before crop plantation, consequently favoring a more diffuse reflectivity pattern. Additionally, when the soil is irrigated, the reflectivity is also reduced due to the water absorption. In light of these considerations, various optical models are available in the literature [49] (Table 2), and their incorporation into the modelling process is imperative to assess the sensitivity of predicted photocurrent to ground morphology conditions. This approach acknowledges the dynamic nature of ground reflectivity and aims to refine accurate photocurrent predictions by accounting for realistic surface characteristics. Table 3 summarizes the results of the absolute reflectivity obtained for each spectrum showed in Fig. 5, as per Eq. (2). These values will also Fig. 5. Spectral reflectivity measured as function of wavelength (a) and dynamic crop growth (b), both compared to different types of soil: tilled dry (red dash line), tilled wet (blue dash line) and dry compact (black dot line). (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.) M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Energy Conversion and Management 312 (2024) 118572 7 be considered in the model to highlight differences in photocurrent prediction when absolute or spectral values are utilized as raw data. 3.2. Solar irradiance characteristics The energetic impact of the spectral irradiance is of particular importance to determine the photocurrent estimation of any PV system, but fundamental for APV systems based on bifacial PV modules. However, spectral irradiance database is not readily available at any location with sufficient temporal and spatial resolution [50], so typically researchers use irradiance absolute values, but its uncertainty is propagated directly to the photocurrent prediction. We have selected two days visually identified as “clear sky” and “hazy sky” by experienced experts. The selected clear and hazy sky days correspond to the days 22nd July and 28th June 2023, respectively. Both days were monitored at high resolution, getting data at each nanometer with a 1-min frequency. Both set of datasets are used to investigate the sensitivity of the methodology proposed for evaluate the photocurrent generated by the APV system. The daily radiation profiles of the absolute GHI, DNI and DHI components are shown in Fig. 6. Fig. 7 shows the different components of the spectral irradiance measured under two different conditions: clear and hazy sky. Fig. 7 illustrates that when solar radiation reaches the Earth’s surface, it not only impacts irradiance but also influences spectral components. The solar irradiance spectrum exhibits variability throughout the day, a phenomenon evident in all components: GHI, DNI, and DHI. The DHI component is conventionally understood to be uniformly distributed across the sky under clear sky, with the highest values expected during midday (Fig. 7c), corresponding to the typical orientation of PV modules in one-axis tracker. However, Fig. 7f demonstrates how the DHI spectral distribution undergoes modification on a typical day characterized by hazy sky conditions, where an increase in atmospheric mass results in broader spectrum with heightened intensity. The diffuse fraction correlation (kd)is subsequently computed to assess the impact of the spectral diffuse irradiance component on the selected days for this analysis (Fig. 8) [51]. kd(λ) = DHI(λ) GHI(λ)(10) While the selected clear sky conditions yield diffuse fraction coefficient (kd)values closer to 0, the day with hazy sky conditions presents higher values, particularly during sunset and noon hour. Moreover, on the hazy sky day, kd exhibits notable inhomogeneity in terms of wavelength dependence, underscoring the significance of incorporating spectral irradiance data for accurate energy yield predictions. In the subsequent section, this information is juxtaposed with the spectral sensitivity of the PV module. Table 4 compiles the absolute values of solar irradiance components measured on the same days using a conventional pyranometer instead of one spectroradiometer. Although these absolute values align effectively with the integration of spectral irradiance datasets, the predicted photocurrent diverges in both cases due to the wavelength dependent nature of the quantum efficiency of the solar cell. Taking into account the spectral solar irradiance and the spectral reflectivity of the ground and acknowledging the dependence of this parameter on the extent of crop coverage over the soil, the distribution of irradiance incident on the rear side of the bifacial PV module can be Table 2 Optical models for the ground reflectivity. Isotropic models Liu-Jordan Rdif =1+cosβ 2 Korokanis Rdif =1 3(2+cosβ) Badescu Rdif =1 4(3+cos(2β)) Anisotropic models Willmot Rdif =BNrb S0+Cβ(1−BN S0) Gueymard Rdif =(1−Ng)Rd0+NgRd1 Ma-Iqbal Rdif =ktrb+ (1−kt)(1+cosβ 2) Table 3 Absolute reflectivity R calculated from spectrum showed in Fig. 5. Bare soil Compact Tilled dry Tilled wet 27 % 14 % 13 % Crop growth 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 absolute GHI, DNI and DHI values monitored for two different days: clear sky (a) and hazy day (b). M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Energy Conversion and Management 312 (2024) 118572 8 simulated (Fig. 9). This calculation is performed with the experimental data recorded with the tracker positioned at 45◦, corresponding to 11 h GMT on July 22nd. The calculated irradiance exhibits a nonuniformity of 27 % for the lower PV module and 8 % for the highest PV module installed in the tracker in a 2 V configuration. It is shown that the distribution is not uniform with the lower side of the PV module receiving higher irradiance, which is explained by the isotropic distribution of DHI component and the consideration of shadowing effects through the corresponding view factors. Furthermore, it is observed that solar irradiance intensity increases when the ground is fully covered by crops, and no bare soil is considered. This phenomenon occurs because, despite the spectral reflectivity of bare soil displaying more uniform values than crops, the latter exhibit higher reflectance in the range of 600 to 1100 nm. These results are aligned with previous research reported by Monokroussos et al. [52] who performed a similar approach but considering only grave ground albedo conditions without any influence from the crop for APV applications. This inhomogeneities are negligible if the modeling is carried out using absolute solar irradiance and ground reflectivity values. 3.3. PV module spectral influence Based on the semiconductor materials chosen for the manufacturing of the solar cell, and their respective band gaps, significant variations in the sensitivity of diverse PV technologies to spectral solar irradiance can be discerned. Fig. 10 [53] shows the spectral response of various PV technologies available at large scale in the commercial market, all of which have purportedly been engineered with bifacial properties Fig. 7. Spectral solar irradiance measured for two different days, sunny conditions a) GHI, b) DNI, c) DHI; and haze conditions d) GHI, e) DNI, f) DHI. M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Energy Conversion and Management 312 (2024) 118572 9 [54–56]. A comparison between Fig. 10 and Fig. 5 distinctly reveals that a-Si and CdTe technologies exhibit low photocurrent generation in any bifacial APV system. This is attributed to the mismatch in spectral sensitivity concerning wavelength with the reflected irradiance. Nonetheless, when the prediction of photocurrent is calculated according to Eq. [11], utilizing absolute values of ground reflectivity ( ρ ), absolute irradiance (Grear), and the IV typical optoelectronic parameters (Jsc,Voc, FF)derived from each PV technology, there exists no criterium to dismiss a-Si and CdTe PV technologies for bifacial APV applications. The inclusion of spectral data in the model is imperative to ensure the accurate photocurrent predictions [57]. Pout =Jsc ˆ A⋅Voc ˆ A⋅FF Grear (11) Additionally, Riedel-Lyngskaer et al. [16] reported the spectral response of different bifacial PV samples based on c-Si (IBC, PERT and PERC), noting negligible distinctions among them and between front and rear sides of the PV module. To assess the feasibility of bifacial PV modules in one-axis tracking for APV applications, we have adapted the methodology outlined by Mouhib et al. [4] to determine the generated front and rear photocurrents, along the photocurrent ratio (ξ)[Eqs. (12)–(14)]: Jfront sc =∫SRfront(λ)ˆ A⋅Gfront(λ)dλ ∫Gfront(λ)dλ(12) Jrear sc =∫SRrear(λ)ˆ A⋅Grear(λ)dλ ∫Grear(λ)dλ(13) ξ=Jrear sc Jfront sc (14) Fig. 8. Diffuse fraction coefficient (k d)calculated for a) clear sky, and b) hazy sky. Table 4 Absolute daily irradiance measured for both selected days: a) clear sky, and b) hazy sky conditions. Clear 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. Solar irradiance relative distribution simulated on the rear surface of the bifacial PV, as a function of the crop cover fraction versus soil Fig. 10. Normalized spectral response for commercial large-scale PV technologies [34]. M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Energy Conversion and Management 312 (2024) 118572 10 The integral limits encompass the wavelength range corresponding to the spectral response of the solar cell and the irradiance measurement range. Under this definition, if the bifacial PV module receives equivalent energy on both faces, the photocurrent ratio (ξ)attains a value of 1. This metric proves valuable for quantifying the photocurrent enhancement on the rear side of the PV device, contingent upon the geometrical characteristics of the APV system and the optical properties of the ground. Another pertinent advantage of the photocurrent ratio (ξ)lies in assessing variations in the spectral conditions of solar irradiance. In cases where the absolute energy incident on both sides of the bifacial PV module remains the same but experiences spectral modifications due to ground reflectance, the photocurrent ratio (ξ)deviates from 1. These nuances cannot be captured using conventional Eq. (11) and absolute values to predict the photocurrent. Fig. 11 and Table 5 illustrate the photocurrent generated by the rear side of the bifacial PV module under various sky conditions as function of the ground reflectance. The aim is to emphasize the significance of incorporating spectral raw data in photocurrent predictions. It is observed that, under clear sky conditions where the direct normal irradiance (DNI) is predominant (Fig. 7b), the maximum photocurrent occurs when the tracker is nearly horizontal, corresponding to midday. In contrast, under hazy sky conditions where the diffuse horizontal irradiance (DHI) is dominant (Fig. 7e), the maximum photocurrent is achieved when the tracker is in quasi-vertical position to maximize the Lambert coefficient, which is dependent on the cosine of the tracker inclination. Furthermore, ground conditions exert a substantial influence on the rear side photocurrent. As ground increases the crop/bare soil ratio, the reflectance rises in those wavelengths matching well with the solar cell spectral response, thereby enhancing the photocurrent generated on the rear side of the bifacial PV module. This observation underscores the advantages of hybrid conventional PV systems with agricultural applications, leveraging crop reflectivity in the bifacial PV module. Analysis of Fig. 11, specifically parts c) and d), leads to the conclusion that the influence of ground optical properties becomes more pronounced when the tracker angle increases, owing to the view factor in such configuration. While, under clear sky conditions, the difference between front and rear photocurrent remains relatively constant throughout the day, it is notable that under hazy sky conditions, the Fig. 11. Photocurrent generated in the rear side of the bifacial PV module as function of the shaded, bare soil and crop surface using spectral irradiance data for a clear sky (a) and hazy sky conditions (b). Rear and front photocurrent ratio (ξ)generated in clear sky (c) and hazy sky (d) conditions. Table 5 Comparison of estimated front and rear side bifacial PV module photocurrent ratio (ξ)under different sky conditions and ground reflectance when using spectral or absolute raw data as input. Crop/bare soil ratio (%) Clear sky conditions Hazy sky conditions ξ spectral data ξ absolute data ξ spectral data ξ absolute data 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 M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Solar Energy Materials and Solar Cells 276 (2024) 113073 4 outdoor to monitor the short-circuit current relative to a reference sample evolution under different environmental conditions (solar irradiance and ambient temperature). The reference sample consists of one identical prototype to LSC ones but without any dye embedded in glass-glass. It just considers four solar cells at the edges of the glass substrate, keeping the same geometry of the LSC prototypes. Fig. 6 illustrates the normalized short-circuit current of the LSC compared to the reference sample (glass-glass lamination with the same specifications as the LSC prototype but without any embedded dye) under three solar adverse irradiance conditions: (a) clear and sunny sky; (b) hazy sky; and (c) partially cloudy sky. To correlate the normalized short-circuit current with the solar irradiance component, it is presented alongside the diffuse fraction coefficient (kd), which is calculated as [28]: kd=DHI GHI ×100 [Eq. 2] The kdis interpreted such that on sunny days with a predominant DNI component, it tends towards zero, whereas under atmospheric conditions characterized by a dominant DHI component, it tends towards 100 %. Thus, in Fig. 6a–c, we can compare the relationship between changes in the normalized short-circuit current of the prototype and the incident radiation conditions. In Fig. 6a, it is observed that under sunny sky conditions, the shortcircuit current monitored in the LSC prototype is approximately 20 % higher than the reference sample, with significant enhancements during the sunrise and sunset (around 35 %). The explanation for these peaks lies in two factors. First, during these periods, the irradiance spectra undergo a slight spectral change to a more pronounced response in the UV wavelengths, as Debije et al. [10] pointed out, thereby favoring the matching with the dye absorption spectrum. However, if this were the sole explanation for this phenomenon, it would fail to account for the enhanced performance observed experimentally under hazy or partially cloudy skies. To provide a more comprehensive understanding, it is necessary to consider the influence of the Lambertian DHI distribution, and the isotropic distribution of the dipoles. Second, it is also noted that during these times, the kdincreases significantly, indicating a more pronounced DHI component in the solar spectrum. With the dominance of the DHI component, the photoresponse of the LSC is heightened due to the increased probability of absorption by the dipoles. The aforementioned conclusion is further corroborated upon examining Fig. 6b and c, depicting hazy and partially cloudy conditions, respectively, with higher average values for kd. In these scenarios, where solar irradiance exhibits a higher DHI component alongside an isotropic nature in the direction of incident light vectors, the ratio of short circuit current in the LSC prototypes normalized to the reference sample displays a notable increase compared to sunny days. This observation underscores the notion that under diffuse conditions, the probability of photon absorption by the dipoles constituting the dyes is significantly augmented. This phenomenon occurs because the diffuse component aligns harmoniously with the isotropic orientation distribution of the dipoles within the LSC prototype dye. A relevant parameter for comprehending solar irradiance influence within the LSC prototype pertains to the relative orientation of the dyes with respect to the solar position throughout the day. Photon interactions with the dye are heightened when the electric field vector aligns parallelly with the absorption transition dipole moment of the dye. The orientations of these transition moments are dictated by the electronic structure of the dye. A lot of organic molecules employed in the LSC design, such as perylene or pyranine, exhibit some degree of linearity, showcasing their dominant transition dipole moment along one axis of the molecular structure (Fig. 7). The LSCs designed with liquid crystals are grounded in this principle, striving to align the dyes in a specific direction to optimize solar irradiance capture. However, the emitted photon by the dye possesses an electric field vector parallel to the transition dipole moment, resulting in the optimized dye orientation for absorption being the least favorable configuration for emission and light guidance to the solar cell at the LSC’s periphery [29]. Similarly, optimizing the emission orientation yields suboptimal results. Thus, achieving a balance in the design between absorption and emission entails the isotropic orientation of transition dipole moments [30]. The operational principle of a LSC, while disregarding internal losses such as Stoke shifts and re-absorption, relies on three primary lightmatter interaction processes [5]: (1) absorption of solar irradiance, (2) re-emission, and (3) light guidance via total internal reflection. Given that an LSC remains fixed in position (for example horizontal) while the sun’s position changes throughout the day, the probability of absorption (Pabs(θ)) by any dipole created in the dyes as a function of the sun’s position can be calculated, by applying Lambert’s law, as follows: Fig. 4. Spectral irradiance experimentally measured during a) clear sunny sky, b) hazy sky, and c) partially cloudy sky day. Experimental data were taken on March 26th, 2023 (clear sunny sky); on April 9th, 2023 (hazy sky); on March 6th, 2023 (partially cloudy). M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Solar Energy Materials and Solar Cells 276 (2024) 113073 5 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] Where I0represents the solar irradiance intensity. As it was previously mentioned, the majority of organic dyes are π -conjugated molecules, with the transition dipole moments for absorption and emission contained in the conjugation plane [31]. Eq (3) demonstrates that the angular distribution of absorbed photons is not isotropic (Fig. 7). Pabs depends on the angle (θ)of the transition dipole absorption with respect to the polarization of the incident light. In the particular case of solar irradiance consisting purely of DNI component, the maximum Pabs is 25 % when both vectors are perpendicular. When the emitted photon reaches the boundary between the dielectric host (n1)and the external medium (n2), total internal reflection occurs, as a consequence of the Snell Law, if the angle θbetween the wave vector and the surface normal exceeds the critical angle θc. θc=sin−1(n2 n1)[Eq. 4] Therefore, the probability of emitting a photon that is guided within the LSC to reach the solar cell at the edge is determined 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 the most common design scenario, where the dielectric host material is glass-based or a polymer such as PMMA (n1=1.5;n2=1), the theoretical probability of emitting photons that are useful from a PV perspective is approximately 75 %, although the experimental reported values in the literature are consistently lower. These percentages were experimentally validated in the laboratory using an integrating sphere to compare the LSC emission through both the faces and the edges, obtaining a trapping efficiency of 66 %, as previously reported for these devices [29]. This slight discrepancy between theoretical and experimental values suggests some degree of scattering. However, this scattering remains consistent across different angles of incident radiation. This research compares relative measurements between the LSC prototype and the reference sample. The performance measured under different radiation conditions uses the same set of samples. Therefore, the scattering effect in the light guide is assumed to be negligible and does not affect the results presented in the following sections when comparing direct and diffuse radiation conditions. Given that each dye molecule can be effectively represented as a single electrical dipole and presuming an isotropic spatial distribution of these dipoles (excluding cases involving liquid crystals [28]), the likelihood of encountering a dipole with a particular orientation remains uniform across all spatial directions. This assumption stems from the fundamental premise that the distribution of dipoles within the medium exhibits no preferential alignment or directional bias. Consequently, irrespective of the direction under consideration, the probability of encountering a dipole with a specific orientation remains consistent throughout the medium. Aligning this spatial distribution of absorption dipoles with both components of the solar irradiance spectrum, it can be hypothesized that, as DHI is randomly oriented, there always exists an absorption dipole oriented normally to the polarization vector of the incoming light. However, the fact that the dipole distribution is isotropic renders it less efficient in capturing photons from the DNI component, since such capture is defined by Lambert’s Law and the relative angle between the incident vector of solar radiation and the normal to the dipole plane. Thus, the effective direct radiation on the dipole would be I=I0cos θ, where for a given position of the sun there will always be a set of dyes with optimum orientation to the sun elevation position (0.6 % probability) absorbing I0, and the remaining dyes (99.4 %) will capture less effective direct radiation depending on their relative orientation (Fig. 8), but always satisfying I<I0. To assess the influence of direct and diffuse radiation on the performance of LSC, the adverse atmospheric conditions, described in Fig. 4, are incorporated into the dye absorption spectrum. Considering the varying orientations of the dyes and their impact on the effective direct component, the experimental DNI is adjusted based on the cosine of the relative angle between each dye and the sun position, while the DHI is treated isotropically, following Lambert’s distribution. In order to assess the sensitivity of the theoretical model, four different dyes Fig. 5. Absolute irradiance experimentally measured during three adverse sky conditions: a) sunny, b) hazy, and c) partially cloudy. Experimental data were taken on March 26th, 2023 (clear sunny sky); on April 9th, 2023 (hazy sky); on March 6th, 2023 (partially cloudy). M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Solar Energy Materials and Solar Cells 276 (2024) 113073 6 (Lumogen Red, Lumogen Yellow, DCM, and PM650) are examined. Their absorption spectra have been experimentally characterized [8] (see Fig. 9). The utilization of diverse dyes facilitates the analysis of matching their specific spectral responses to the solar irradiance spectrum. In Fig. 10, it is demonstrated that the irradiance absorption capacity of all dyes is notably higher for the DHI component compared to the DNI component. This phenomenon arises from the isotropic distribution of dyes within the host material of the LSC device. The total absorption process considers the convolution of the aforementioned mechanism for each dipole orientation with respect to the instantaneous sun elevation position. This implies that, from the perspective of DNI, there is also at least one set of dipoles oriented optimally with respect to the incoming light vector. However, from the perspective of DHI, as the incoming light vector follows a Lambertian distribution, all dipoles are perpendicular to it, thereby enhancing the absorption probability. Consequently, during hazy sky days when the DHI component predominates, the photon absorption process by the dye is more efficient compared to sunny sky days where the DNI component predominates. Despite each dye possessing an intrinsic spectral response, as illustrated in Fig. 9, the performance of the dyes with respect to both DNI and DHI remains consistent across all selections. Consequently, all dyes exhibit an increased absorption capacity during hazy sky conditions in contrast to sunny sky conditions. By combining experimental solar radiation data with the measured absorption spectra of various dyes, we calculated the LSC relative absorbed irradiance under different environmental conditions. This approach allows us to assess how each dye performs in diverse settings, taking into account variations in the solar radiation components. The Fig. 6. Normalized short circuit current of LSC prototype relative to a reference sample under three adverse solar irradiance conditions: a) sunny and clear sky; b) hazy sky; and c) partially cloudy sky. Fig. 7. The absorption probability distribution as a function of solar elevation. Despite the dye’s isotropic distribution in the host material, the absorption probability of incoming irradiance is anisotropic, depending on the relative weight of DNI and DHI components. Fig. 8. Illustration of the absorption capacity of solar irradiance by the dyes, as a function of their relative orientation to the position of the sun, considering both DNI and DHI components. M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Solar Energy Materials and Solar Cells 276 (2024) 113073 7 results, which highlight the differences in absorbed irradiance among the dyes, are presented in Fig. 10, and they are consistent with the theoretical probability of radiation capture, as determined by Eq. (3) and plotted in Fig. 7. According to the theoretical analysis, the maximum probability of capturing radiation, particularly for a dipole with the optimum relative orientation to the incoming light vector and a radiation component consisting solely of DNI, was approximately 25 %. Therefore, the heightened photoresponse of the LSC device under diffuse conditions reinforces the theoretical premise put forth earlier, emphasizing the advantageous photon absorption properties of dyes in such environmental settings compared to clear-sky conditions. Tables 2 and 3 summarize the absolute values of the absorbed radiation ratio for each component, DNI, DHI, and GHI, respectively, derived from the integration of the spectral absorption values of each dye, according to Eq. (6) to 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. Absorption spectrum of four typical dyes commonly used in LSC technology, embedded in a PMMA host material. Fig. 10. Dye absorbed irradiance relative to solar incident irradiance, for two adverse climatic conditions: sunny sky (red) and hazy sky (blue), calculated for four dyes with different spectral responses: a) PM650, b) DCM; c) Lumogen Red; and d) Lumogen Yellow. Table 2 Relative dye absorption to incoming solar irradiance, as a function of the solar irradiance components, for 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 Relative dye absorption to incoming solar irradiance, as a function of the solar irradiance components, for a hazy sky day. Similar results obtained for partially 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 % M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Solar Energy Materials and Solar Cells 276 (2024) 113073 8 Where IDNI(λ,θi)and IDHI(λ,θi)represent the incident solar irradiance detailed in the direct and diffuse components, λis the wavelength, θiis the relative angle of each dye dipole to the sun elevation for each instant, and α dye(λ)is the spectral absorption of the dye. The calculation is reiterated, taking into account the two adverse scenarios: sunny and hazy skies days. Partially cloudy conditions represent an intermediate state between them. This comprehensive analysis provides insight into the comparative absorption performance of the dyes under various sky conditions. The theoretical estimation (Eq. (3)) aligns with the observed trends in Tables 2 and 3, where the irradiance absorption capacity for the DNI component is lower compared to the DHI component. This conclusion is further reinforced by comparing Table 2 (sunny sky) with Table 3 (hazy sky), which results in higher values in the latter. Therefore, the findings presented substantiate the theoretical predictions regarding the probability of radiation capture in LSC devices. The preceding results reveal slight variations in the ratios of absorbed radiation relative to incident radiation for the DNI and DHI components among different dyes, even under similar weather conditions. This discrepancy can be elucidated by examining two aspects: (1) the spectral matching between the incident radiation spectrum for each time point and component and the specific absorption spectrum of each dye, as illustrated in Fig. 9. The nuanced differences in absorption ratios underscore the intricate interplay between the spectral characteristics of incident radiation and the spectral absorption properties of individual dyes within LSC devices. (2) the order parameter of the selected dye. The order parameter (s)is usually defined as [32]: s=A‖−A⊥ A‖+2A⊥ [Eq. 9] where A‖and A⊥are the absorbance values of the sample, when incident light was polarized parallel and perpendicular to the alignment direction of the host LCs, respectively. A completely random molecule has an order parameter of s=0, whereas perfect alignment of the dye with its absorption axis fully parallel to the incident light yields s=1 (Fig. 11). Previous studies [33–35] have reported that Lumogen Red and Lumogen Yellow absorption is slightly deviated from the plane, with an order parameter close to s=0.2 (this means that the parallel and perpendicular ratio is 7:3). In contrast, the dyes DCM, and PM650 demonstrate preferential absorption aligned with their molecule axis (s=0.7)(this means that the parallel and perpendicular ratio is 9:1). In outdoor LSC applications, solar irradiation reaches the dipole at oblique incident angles. Assuming that the dye molecules are isotropically distributed within the host material, the effective absorption coefficient ( α )is calculated, deriving from Eq. (9), as [36]: 1 α 2=cos2θ α 2 ‖ +sen2θ α 2 ⊥ [Eq. 10] where θrepresents the relative angle of the dipole orientation to the sun elevation, while α ‖and α ⊥denoted the parallel and perpendicular absorption coefficients, respectively. Correlating this characteristic with the results presented in Fig. 10, it is evident that Lumogen Red and Yellow are less sensitive to the cosine effect (Lambert’s Law) in the Direct Irradiation component of the solar irradiance spectrum compared to DCM or PM650. This result contrasts with the observations made in LSCs with aligned dyes, such as those based on liquid crystals or polymer stretching techniques. It suggests that dyes with dipole orientations slightly differing from the plane (such as Lumogen Red) might have a competitive advantage over purely linear dyes (such as DCM) for outdoor applications. This would add to the already reported advantages of Lumogen Red, such as broad absorption range, high quantum yield, photostability, and others reported by various authors [37]. It is widely acknowledged that one of the notable advantages of LSC devices lies in their applicability for photovoltaic energy generation in urban settings and integrated within building architecture [38–42]. In this research study, the optical behavior of these devices under varying components of solar irradiance has been elucidated, with the overarching goal of deriving meaningful conclusions. Our findings indicate that the performance of LSC devices is notably augmented when diffuse radiation predominates. This phenomenon is particularly evident in urban environments, where incident light may undergo scattering from surrounding surfaces, thereby disrupting the inherent directional nature of solar irradiance, even in locations where the DNI component prevails. In essence, LSC devices demonstrate a remarkable adaptability to diverse ambient conditions. Furthermore, our suggestions are that their performance is particularly enhanced during the sunrise period, and on hazy or partially cloudy days. This enhancement can be attributed to multiple factors, including the modification of the spectrum of solar irradiance observed under diffuse conditions, which aligns more favorably with the absorption spectra of the dye, but especially, the isotropic distribution of the light, which increases the likelihood of photon absorption by the dipoles within the optical window of the LSC device. Fig. 11. Schematic displaying dyes selected for this study with adverse order parameter and predominant absorption directions: a) Lumogen Red with s=0.2, and b) DCM with s=0.7. M. Barrag´ an S´ anchez-Lanuza et al. Solar Energy Materials and Solar Cells 276 (2024) 113073 9 4. Conclusions In conclusion, this study has provided a theoretical justification for the operational efficacy of LSC devices under both direct and diffuse solar irradiance conditions. Specifically, we have demonstrated that, for a LSC with isotropic orientation of luminescent dyes, diffuse radiation conditions are more favorable due to the Lambertian distribution of this radiation component, which increases the probability of photon absorption by the dipoles within the optical window when they exhibit an isotropic distribution. This conclusion holds true irrespective of the selected dyes. Furthermore, outdoor monitoring of LSC prototypes under diverse environmental conditions, including sunny, hazy, and partially cloudy days, has yielded valuable insights. We observed a notable increase in short circuit current (35 %) when the diffuse fraction coefficient increased, indicating a prevalence of diffuse radiation in solar irradiance, compared to clear and sunny skies (25 %). This empirical finding underscores the performance enhancing effect of diffuse radiation on LSC devices. Moreover, spectral measurements of DNI, DHI, and GHI have revealed an intensity boost in the UV spectrum region when the DHI component predominates, matching more closely with the absorption spectrum of the dye. This spectral alignment, observed during sunset, and during hazy or partially cloudy days, contributes to the observed increase in LSC performance. As a future research direction, our goal is to conduct similar outdoor measurement campaigns under varied climatic conditions and employing a wider range of dyes. Expanding the scope of experimental investigations will not only enhance our understanding of LSC behavior but also contribute to the optimization of these devices for practical applications in diverse environmental settings. CRediT authorship contribution statement Miguel Barrag´ an S´ anchez-Lanuza: Writing –original draft, Formal analysis, Data curation. Isidoro Lillo-Bravo: Writing –original draft, Supervision, Methodology, Conceptualization. Amador Men´ endezVel´ azquez: Writing –original draft, Resources, Investigation. JoseMaria Delgado-Sanchez: Writing –original draft, Supervision, Resources, Methodology, Investigation, Formal analysis, Conceptualization. Declaration of competing interest The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper. Data availability Data will be made available on request. Acknowledgment We would like to extend our sincere appreciation to Prof. Miguel Larra˜ neta for his support on managing the meteorological station facilities. References [1] W.H. Weber, J. Lambe, Luminescent greenhouse collector for solar radiation, Appl. Opt. 15 (1976) 2299–2300. [2] A. Goetzberger, W. Greube, Solar energy conversion with fluorescent collectors, Appl. Phys. Mater. Sci. Process 14 (1977) 123–139. [3] J. Batchelder, A. Zewai, T. 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[1–5] The efficiency of this photovoltaic (PV) technology is significantly influenced by its layer structure, typically composed of a back contact electrode, p-type absorber, n-type buffer layer, and one front transparent contact electrode. Optimizing the layer structure is crucial to increase their efficiency. While the Shockley–Queisser limit (≈32.23%) sets an upper bound for solar cells efficiencies, Siebentritt [6] compared it with kesterite solar cells to identify the most relevant intrinsic losses mechanisms. Although kesterite solar cells currently achieve efficiencies of 13.6%, [7] which are lower than the 23.25% [8] achieved by the chalcopyritebased solar cells, the latter is the most similar thin-film PV technology available today. Obviously, kesterite record efficiency is still far away from the conventional silicon technology extended used in PV modules. Therefore, despite the fact that kesterite solar cells are often presented as one of the main future options for cost-effective solar cells, it is imperative to improve the efficiency of current developments. Previous studies have indicated that the efficiency of kesterite solar cells is directly related to the composition of the absorber layer: Moholkar et al. [9] demonstrated that the efficiency of CZTS absorbers increases from 1.35% to 4.13% as the Cu/(ZnþSn) ratio increases from 0.8 to 1.1. Chandel et al. [10] reported that the bandgap of CZTS films can be tuned in the range of 1.45–1.58 eV by adjusting the molar concentration of Zn and Sn. Ayala et al. [11] examined the structural optical features of Cu 2 ZnGeS 4 kesterite and found an optical bandgap energy close to 1.8 eV, which is expected to yield a maximum efficiency of 8.5%. The incorporation of Ge increases the bandgap, while the incorporation of Se reduces it for CZTS. However, it is not only the composition if the absorber layer that poses a limitation; the heterojunction nature of kesterite solar cells also reveals additional challenges: the buffer layer and the absorber layer cannot achieve an optimal p–n junction interface due to the formation of a high concentration of Cu Zn at the interface, which pins the Fermi level in the middle of the bandgap. [12] Moreover, band-tail states within the CZTS absorber layer contribute to low V oc (open-circuit voltage), [13] and the recombination mechanism of the CZTSSe is highly influenced M. B. Sánchez-Lanuza, J.-M. Delgado-Sanchez Department of Applied Physics I University of Seville Avenida de los Descubrimientos s/n, Seville 41092, Spain E-mail: [email protected] M. B. Sánchez-Lanuza, I. Lillo-Bravo, J. A. Lopez-Alvarez Department of Energy Engineering University of Seville Carretera Utrera km 1, Seville 41013, Spain The ORCID identification number(s) for the author(s) of this article can be found under https://doi.org/10.1002/pssa.202300734. © 2024 The Authors. physica status solidi (a) applications and materials science published by Wiley-VCH GmbH. This is an open access article under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercialNoDerivs License, which permits use and distribution in any medium, provided the original work is properly cited, the use is non-commercial and no modifications or adaptations are made. DOI: 10.1002/pssa.202300734 The majority of numerical research on kesterite tandem solar cells has predominantly focused on a two-terminal (2T) configuration that utilizes an ideal tunnel junction. Herein, the performance of kesterite tandem solar cells by introducing a photonic crystal structure (1DPC) as intermediate layer in both three-terminal (3T) and four-terminal (4T) configurations is investigated. The photonic crystal (1DPC) is designed by stacking ITO and SiO 2 layers with the terminal layer consisting of NiO. Optical properties of the 1DPC are modeled. This innovative approach offers several advantages. 1) The 1DPC selectively reflects lower wavelengths, effectively enhancing the short-circuit current density ( J sc ) of the top subcell, while the solar irradiance spectrum at higher-wavelength optimum for the subcell is not affected. 2) The 1DPC serves as an intermediate electrode, needed for the 3T or 4T configuration. 3) Replacing the conventional Mo back contact with a NiO layer significantly boosts the open-circuit voltage ( V oc ) of the top subcell. The findings demonstrate that these configurations exhibit higher performance compared to previously reported results. Furthermore, the utilization of 3T and 4T configurations, incorporating the 1DPC as an electrical beam splitter, provides an effective and accurate design compared to the 2T configuration using ideal tunnel junctions. RESEARCH ARTICLE www.pss-a.com Phys. Status Solidi A 2024, 2300734 2300734 (1 of 11) © 2024 The Authors. physica status solidi (a) applications and materials science published by Wiley-VCH GmbH by interface recombination due to a cliff-type band alignment at the buffer–absorber interface. In order to minimize internal losses in carrier transport mechanism and improve solar cell efficiencies, strategies involving graded CZTS absorber layers have been also explored. [14,15] The design of tandem devices (Figure 1) holds particular interest for thin-film technologies, [16] because it allows for overcoming practical efficiency limitations by combining different optoelectronic parameters obtained with different bandgaps and spectrum absorption ranges. Several tandem structures based on CZTS/CZSTSSe, as well as combinations with other technologies such as perovskites and silicon, have been proposed. [17–19] In 2T tandem cells (Figure 1a), the two subcells are connected in series by an interconnection without any intermediate electrode, with the advantage of having only two terminals, simplifying its integration into the PV module. However, this design requires the incorporation of a tunnel junction layer, which adds complexity to the manufacturing process to achieve the desired specifications: a thin and heavily doped thin film, with high optical transmission, lattice matching, and higher bandgap than the bottom cell to avoid parasitic absorption of the solar radiation. Such specifications often require deposition techniques like epitaxial growth, which are not readily available in the conventional thin-film manufacturing processes. [20] Alternatively, in 4T tandem solar cells (Figure 1b), the subcells are fabricated independently and finally joined together by mechanical stacking, which requires an optically transparent insulating layer. This configuration provides optical coupling without electrical coupling, eliminating the need for current matching. However, a significant disadvantage of this configuration is the requirement for more than one transparent electrode, resulting in increased parasitic absorption. Additionally, more cable and maximum power point trackers become necessary, leading to a negative cost impact. [21] This research study investigates and compares the performance of both 3T and 4T tandem configurations (Figure 1b and c, respectively), originally proposed by Nagashima et al. [22] with the widely adopted 2T design. The 3T configuration allows for the individual operation of top and bottom subcells in a monolithic device, predicting that the photogenerated current density is similar as 2T design. Furthermore, each subcell can be operated independently at their maximum power point tracker as the 4T design. [23] A key innovation in the proposed 3T and 4T tandem solar cells is the utilization of a 1D photonic crystal (1DPC) as a replacement for the intermediate electrode. This 1DPC is composed of transparent conductive oxides (TCOs) materials stacked, providing not only electrical functionality as an electrode but also introducing the novel capability of beam splitting to enhance the performance of the tandem solar cell. Moreover, the 1DPC has a layer of NiO on top, acting as a p-type TCO material, forming an ohmic contact with the absorber layer instead of forming a Schottky barrier with detrimental consequences in the solar cell performance. Significantly, unlike previous literature, our proposal approach avoids the requirement of tunnel junctions, which are typically simulated with ideal characteristics to circumvent their inherent challenges. Instead, our research offers a more practical and reliable alternative, which we believe facilitates experimental investigations with improved accuracy and reproducibility. 2. Experimental Section 2.1. Device Structure Based on Figure 2, the simulated structure of the solar cell comprised a CZTS/CZTSSe tandem junction. The top and bottom subcells consisted of CZTS (with a bandgap of 1.45 eV) and CZTSSe (with a bandgap of 1.096 eV), respectively. The design of both architectures was based on the experimental results reported by Shin et al. [24] and Wang et al. [25] These architectures served as the baseline cell for our study, but several modifications were implemented to explore strategies for increasing the efficiency of the tandem solar cell. The layers of the cell were arranged as follows: AZO/i-ZnO/CdS/CZTS for the top subcell and i-ZnO/CdS/CZTSe/Mo for the bottom subcell. In the top subcell, an aluminum-doped ZnO (AZO) layer served as the transparent front electrode, while molybdenum (Mo) acted as the back contact in the bottom subcell. The n-type buffer layer consisted of a cadmium sulfide (CdS) thin film. Table 1 provides further details on the parameters used for each material. [26–31] Figure 1. Schematic representation of device configuration: a) 2T tandem solar cell; b) 4T tandem solar cell using a dielectric 1DPC; c) 3T tandem solar cell using a n-type 1DPC. www.advancedsciencenews.com www.pss-a.com Phys. Status Solidi A 2024, 2300734 2300734 (2 of 11) © 2024 The Authors. physica status solidi (a) applications and materials science published by Wiley-VCH GmbH 18626319, 0, Downloaded from https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssa.202300734 by Universidad De Sevilla, Wiley Online Library on [19/02/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License 2.2. Beam Splitter The incoming solar spectrum can be split between the two absorbers selected for the tandem solar cells, for example, by means of a 1DPC, which is placed between the two subcells (Figure 2). Spectrum splitting eliminates the problem of lattice matching in tandem solar cells; at the same time, as it separates electrical connections minimizing the problem of the current matching. [32] Solar irradiance energy with low wavelength is mostly absorbed in the top subcell; meanwhile, higher wavelengths are absorbed in the bottom subcell. Although there are optical losses in the materials, a portion of the low-wavelength energy is not absorbed, but it is reflected from the selective 1DPC surface and is directed back to the top subcell passing through it by a second time increasing the optical absorption probability. This reflection does not affect the energy transmitted at high-wavelength range suitable for the bottom subcell. Also, unlike solar spectrum splitters made from more conventional but nonconducting transparent optical materials such as silica or titania, these materials can be replaced by TCO, adding an extra functionality serving as intermediate electrodes in the 3T tandem solar cell. Therefore, the transmitted spectrum ðGλÞto the bottom subcell is given by Gλ¼G0,λ· exp Xαi,λdi  ·Rλ.1DPC (1) where G0,λis the incident solar spectrum, αi,λis the absorption coefficient of each material of the top solar cell, diis the thickness of each layer forming the top solar cell, and Rλ,1DPC is the reflectivity of the 1DPC intermediate electrode acting as beam splitter. The 1DPC is specifically designed to consist of alternating layers of two transparent materials, enabling the refraction, reflection, and transmission of solar irradiance at each interface of the multilayer. By carefully selecting the thicknesses and refractive indexes of these materials ðn1,n2Þ, constructive interference among the reflected light occurs at a particular wavelength. This phenomenon defines the position of the Bragg peak, which is the reflectance corresponding to the first order of the multilayer. Bragg peak characteristics can be easily adjusted by proper manipulation of the thickness and optical properties of the multilayer structure, achieving forbidden gaps as a minimum in the transmittance spectra. The maximization of reflectance is achieved by ensuring that the periodic thickness of the multilayer satisfies the λ = 4condition (Equation (2)) based on optical principles. Additionally, the width of the Bragg peak is influenced by the index contrast between the materials used in the design of the 1DPC, while still conforming to the λ = 4condition (Equation (3)). [33] R1DPC ¼14n1 n2  N ¼141Δn n2  N (2) ΔE1DPC ¼4E1DPC π n2n1 n2þn1 ¼4E1DPC π Δn 2n1þΔn(3) where E 1DPC is the energy of the Bragg peak. Upon examining these equations, it becomes evident that the reflectivity is enhanced as the number of layers stacked increases (N), and the width of the Bragg peak is directly influenced by the contrast in refractive index ðΔnÞ. Figure 2. Schematic cross section of the 3T tandem solar proposed and the 1DPC beam splitter as intermediate electrode. Table 1. Parameter set for the simulation of the solar cell structures. Parameter TCO ZnO CdS CZTS CZTSSe Thickness [nm] 450 50 50 Variable Variable Bandgap [eV] 3.3 3.3 2.4 1.45 1.09 Electron affinity [eV] 4.6 4.6 4.5 4.3 4.1 Dielectric permittivity 7.8 7.8 8 10 13.6 Electron effective mass 0.275 0.275 0.28 0.18 – Hole effective mass 0.59 0.59 0.70 0.71 – Conduction band effective density of states [cm 3 ] 3.6 10 18 3.6 10 18 1.8 10 18 2.2 10 18 2.2 10 18 Valence band effective density of states [cm 3 ] 1.1 10 19 1.1 10 19 2.2 10 19 1.8 10 19 1.8 10 19 Electron mobility [cm 2 Vs 1 ] 150 150 160 100 100 Hole mobility [cm 2 Vs 1 ] 2525504444 Donor concentration [cm 3 ]510 20 210 17 210 17 00 Acceptor concentration [cm 3 ] 000510 16 210 16 www.advancedsciencenews.com www.pss-a.com Phys. Status Solidi A 2024, 2300734 2300734 (3 of 11) © 2024 The Authors. physica status solidi (a) applications and materials science published by Wiley-VCH GmbH 18626319, 0, Downloaded from https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssa.202300734 by Universidad De Sevilla, Wiley Online Library on [19/02/2024]. See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License increases with the work function of the material selected as back contact in the solar cell. This outcome explains why V oc values obtained in the present study for the top subcell (as presented in Table 5) are higher than those reported in the previous literature. 4. Conclusion This article presents a numerical investigation using SCAPS software to investigate tandem kesterite solar cells in 3T/4T configuration, incorporating a novel 1DPC multilayer as an intermediate electrode. The 1DPC, composed of stacked ITO and SiO 2 layers with a NiO layer on top, offers a promising and reliable configuration for a beam splitter, effectively boosting the open-circuit voltage of the top subcell. The research study began with the calibration of the modeling parameters to accurately reproduce the performance of both CZTS and CZTSSe absorber layers as achieved experimentally. Subsequently, the thicknesses of the top and bottom subcells were optimized, taking into account the modified irradiance spectrum due to the optical properties of 1DPC. The 1DPC reflects lower wavelengths to improve the J sc in the top subcell, while considering the absorption spectra of the 1DPC and CZTS to calculate the J sc in the bottom subcell. Once the optimal thicknesses were determined, the performance of the tandem solar cell was evaluated in both 3T and 4T configurations, achieving efficiencies of 22.71% and 23.07%, respectively. These results were compared with previous reports in the literature, mainly focusing on the 2T configuration assuming an ideal tunnel junction layer. Furthermore, this research highlights that replacing the conventional Mo electrode with NiO as the back contact for the top subcell significantly boosted the V oc , thereby enhancing the overall performance of the device. This improvement can be attributed to the analysis of the and energy levels in the heterostructure of the solar cell, demonstrating that NiO promotes Ohmic contacts instead of Schottky barriers, effectively reducing carrier recombination. Overall, the present proposal overcomes the challenges associated with using tunnel junction layers in tandem solar cells, offering a better understanding and improving accuracy for these devices when experimentally tested. Our results will enable a comprehensive understanding of the implications and advantages associated with utilizing 1DPC as an interconnection component within 3T or 4T multiterminal tandem solar cell configurations. It is recommended that forthcoming research endeavors focus on assessing the challenges encountered during the experimental realization of 3T and 4T tandem solar cells, using a single 1DPC as an intermediate electrode. These experimental results should be systematically examined and compared against the outcomes of fabricating similar 2T tandem solar cells equipped with a tunnel junction. Conflict of Interest The authors declare no conflict of interest. Data Availability Statement The data that support the findings of this study are available from the corresponding author upon reasonable request. Keywords kesterite, thin-film solar cells, tandem solar cells, SCAPS, 1DPC photonic crystal Received: September 18, 2023 Revised: February 3, 2024 Published online: [1] D. 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See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License [24] B. Shin, O. Gunawan, Y. Zhu, N. A. Bojarczuk, S. J. Chey, S. Guha, Prog. Photovoltaics 2013,21, 72. [25] W. Wang, M. T. Winkler, O. Gunawan, T. Gokmen, T. K. Todorov, Y. Zhu, D. B. Mitzi, Adv. Energy Mater. 2014,4, 1301465. [26] D. Mora-Herrera, M. Pal, J. Santos-Cruz, Sol. Energy 2021,220, 316. [27] A. Haddout, M. Fahoume, A. Qachaou, A. Raiudou, M. Lharch, N. Elharfaoui, Solar Energy 2019,189, 491. [28] S. Padhy, R. Mannu, U. P. Singh, Sol. Energy 2021,216, 601. [29] H. Bencherif, Sol. Energy 2022,238, 114. [30] U. Saha, K. M. Alam, RSC Adv. 2017,7, 4806. [31] A. E. Benzetta, M. Abderrezek, M. E. Djeghlal, Optik 2021,242,167320. [32] A. Dorodnyy, V. Shklover, L. Braginsky, C. Hafner, J. Leuthold, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 2015,136, 120. [33] P. Lova, G. Manfredi, D. Comoretto, Adv. 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See the Terms and Conditions (https://onlinelibrary.wiley.com/terms-and-conditions) on Wiley Online Library for rules of use; OA articles are governed by the applicable Creative Commons License materials Article Advanced Photonic Thin Films for Solar Irradiation Tuneability Oriented to Greenhouse Applications M. Barragán Sánchez-Lanuza 1,* , Amador Menéndez-Velázquez 2, Antonio Peñas-Sanjuan 3, Francisco J. Navas-Martos 3, Isidoro Lillo-Bravo 1and JoséMaría Delgado-Sánchez 4   Citation: Sánchez-Lanuza, M.B.; Menéndez-Velázquez, A.; Peñas-Sanjuan, A.; Navas-Martos, F.J.; Lillo-Bravo, I.; Delgado-Sánchez, J.M. Advanced Photonic Thin Films for Solar Irradiation Tuneability Oriented to Greenhouse Applications. Materials 2021,14, 2357. https://doi.org/ 10.3390/ma14092357 Academic Editor: Hélène Serier-Brault Received: 16 March 2021 Accepted: 27 April 2021 Published: 1 May 2021 Publisher’s Note: MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. Copyright: © 2021 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (https:// creativecommons.org/licenses/by/ 4.0/). 1Department of Energy Engineering (ETSI), University of Seville, 41092 Seville, Spain; isidor[email protected] 2Photoactive Materials Research Unit, IDONIAL Technology Center, 33417 Avilés, Spain; amador[email protected] 3ANDALTEC Technological Center, 23600 Martos, Spain; [email protected] (A.P.-S.); francisco-javier[email protected] (F.J.N.-M.) 4Department of Applied Physics (ETSIA), University of Seville, 41013 Seville, Spain; [email protected] *Correspondence: [email protected] Abstract: The world population is growing by 1 billion people every 10 years. There will come a time when there will be more people to feed but less land to grow food. Greenhouses can be the solution to this problem because they provide the highest production yield per m 2 and also use less water, provide food safety, and offer high quality. Photosynthetic active radiation (PAR) favors vegetable growth with a specific blue and red light ratio. Thus, increasing the amount of red light improves chlorophyll absorption and photosynthetic efficiency. In this article, we present a hybrid system that combines luminescent materials and photonic crystals for better management of the light reaching the greenhouse. The luminescent dyes considered herein are combined ensuring a Förster resonance energy transfer (FRET) nonradiative mechanism to enhance the absorption range. The designed photonic crystal maximizes reflections in the Near-Infrared (NIR) range, and therefore, thermal losses are minimized. Thus, by converting harmful or ineffective radiation for plant growth to the PAR region, we aim to demonstrate growth-condition enhancement for the different vegetables that have been used as a model. Keywords: greenhouse; luminescent; FRET; dye; photonic crystal 1. Introduction The manufacturing of any product requires energy to transform raw materials into useful goods. The use of renewable energy sources and sustainable conversion processes, aligned with environmental protection, are key parameters for the development of society. Industrial companies have to integrate energy-efficient performance in production management [ 1 ]. The human population is expected to exceed 9 billion by 2050, and thus the demand for water, food, and energy will be continuously increasing. Over two-thirds of human water use is dedicated to agriculture. In Asia, the share is four-fifths. Agriculture is also responsible for 13% of greenhouse gas emissions [ 2 ]. Therefore, suitable adaptive measures in agriculture are needed to improve its efficiency concerning climate change, water scarcity, and food security. In the last decades, the idea of using closed greenhouses was assumed in order to save water and energy. Thus, greenhouse agriculture has been considered as an intensive production structure creating aligned boundary conditions of climate control and increasing efficiency of resources [ 3 ]. However, greenhouses are one of the most energy-consuming sectors in the agricultural industry. The current tendency is to implement passive control techniques such as natural ventilation instead of forced ventilation, which requires the use of fans [4]. Materials 2021,14, 2357. https://doi.org/10.3390/ma14092357 https://www.mdpi.com/journal/materials Materials 2021,14, 2357 2 of 15 The cost balance of a greenhouse depends on many parameters, but the most important ones are primary energy cost and total production yield [ 3 ]. To achieve a successful balance between them, the typical conditions required for a greenhouse are first to guarantee a stable temperature profile, and second to ensure optimum irradiation for energy conversion in the plants, the process known as photosynthesis. The temperature profile is the most studied parameter in the literature. A greenhouse gets very hot during the day and remains warm enough at night compared with the environmental conditions. To keep temperature distribution constant at the optimum range is essential for optimal crop growth [ 5 – 9 ]. Transitory or constant high temperatures cause a range of morpho-anatomical, physiological, and biochemical changes in plants. They affect plant growth and development and might engender drastic reduction in their economic yield [ 10 ]. This result has as consequence in active and passive thermal management techniques [11,12]. The second parameter, external irradiation, is critical because it influences the photosynthesis crop process, and also the temperature distribution inside the greenhouse. Photon energy of the irradiation spectrum is absorbed by chlorophyll molecules in chloroplasts, where the solar energy is converted into chemical energy. Hemming et al. [ 13 ] reported that photosynthetically active radiation (PAR) is typically in the range of 400 to 700 nm, and the shape of PAR is almost universal: small variations are due to development phase, place of growth, water supply, etc. This is due to the fact that all plants contain the same photochemical system based on the same pigments that govern the leaf spectral absorption. There are two types of chlorophyll pigments, known as A and B; the first one is responsible for blue (430 nm) and red (662 nm) light absorption, while chlorophyll type B uses a similar range with absorption peaks at 453 and 642 nm approx. Other secondary pigments, like beta-carotene, exhibit small absorption peaks in the range of 400 to 500 nm [ 14 ]. However, green and far-red irradiation is not absorbed. Incoming irradiation out of this spectral range only generates undesired effects that reduce the greenhouse performance: near ultraviolet (NUV) radiation affects film degradation, plant damage, and pollinator behavior, and near-infrared (NIR) radiation is a direct source of heat. Much of NIR radiation penetrates into greenhouses and causes heat loads [15]. There are some previous research studies analyzing the effect of using photoselective plastic films to modify the light spectrum that enters the greenhouse, so the photosynthesis of the plants can be affected. Fletcher et al. [ 16 ] demonstrated that marketable yield per plant was 51% greater using films with different red/far-red transmission ratios. Wilson and Rajapakse [ 17 ] tested plant response to photoselective plastic films with varying spectral transmission properties. Van Haeringen et al. [ 18 ] studied phthalocyanine derivatives that were prepared and incorporated into polymer films in order to be used as spectral filters for the modification of plant growth. In sum, two phenomena have to be considered to improve greenhouse performance: (1) avoid transmission of NIR inside of the greenhouse in order to minimize overheating during the day and cooling during the night; and (2) convert green light into red light to enhance the chemical energy transformed by chlorophylls. Both objectives can be achieved with the combination of photonic crystals and luminescent materials, as thin-film coatings or dye-doped polymers on the greenhouse structure (either glass or polymerbased material). Photonic crystals (PCs) are periodic dielectric structures that are designed to form the energy band structure for photons, and either allow or forbid the propagation of electromagnetic waves of certain frequency ranges, making them ideal for light-harvesting applications [ 19 ]. Photonic crystals are structured materials also present in nature: for example, in ants, they reflect light and therefore reduce the ants’ temperature. The easiest way to design a PC is to create a structure of materials with a well-defined periodic patterning in the dielectric function so that, depending on the number of layers, their thicknesses Materials 2021,14, 2357 3 of 15 and refractive indexes, transparency, and reflectivity can be tuned. Therefore, PCs can act as spectral selective mirrors for certain wavelengths by selecting the materials properly. Thus, the appropriate combination of the PC concept for greenhouse energy-management purposes might be suitable to remove heat radiation (infrared radiation) from the walls, and then to minimize internal temperatures during the day. Moreover, this wavelength does not affect the crop-development mechanism: 1000 nm is the critical wavelength; up to this value radiation is transmitted, and it is reflected onward. Additionally, photoluminescent materials absorb light at a certain wavelength, and the light is re-emitted at another wavelength with lower energy. This means that they are able to tune the incoming solar spectrum; for example, by transforming the green spectral range to the red part of the spectrum. There is an available wide portfolio of organic luminescent molecules, so downshifting the described process is easy to adjust to different applications, such as sensors [ 20 ], energy [ 21 ], lasers [ 22 ], and greenhouses. The operation of this luminescent layer is based on the following principle: one or more dyes are embedded in a host matrix, a highly transparent medium with a high refractive index. Photons that enter the host material are absorbed by the luminescent dyes and re-emitted in random directions. It is noted that dye selection and its concentration could be optimized in order to match the spectral sensitivity for the photosynthesis of the plants. So, luminescent materials can be directly applied on greenhouses to improve the useful energy requested for crop development (PAR), or even Luminescent Solar Concentratos (LSC) can be integrated into agricultural structures to benefit the photosynthesis processes at the same time that electricity is produced, either for self-energy consumption or for selling energy to the electrical market. The scope is to seize the opportunity that PAR is not influenced by green solar spectrum, so thanks to this family of materials, this energy can be easily transformed into the red part of the spectrum for a better crop exploitation. During the 1990s, Novoplansky et al. [ 23 ] analyzed the effect of incorporating organic luminescent molecules in greenhouse polymer covers. They observed how solar irradiation was tuned to optimize the PAR effect on greenhouse crops to improve the vegetable lifetime cycle. It was reported that the luminescent molecules provided, as their main benefit, the reduction of the green light, which in turn reduced stress on the crop, resulting in lower leaf temperatures, greater disease resistance, and high crop yields. Gonzalez et al. [ 24 ] investigated the efficiency of new fluorescent polymer films, especially those including additives which work as green to red light converters. Hemming et al. [ 25 ] investigated the effect of new developed fluorescent greenhouse films on the growth of Fragaria × ananassa “Elsanta”. In order to optimize light quality and quantity growth, several photoselective greenhouse-covering materials were developed, with most of them based on red dyes (with photoluminescence between 610 and 690 nm) in different concentrations. Corrado et al. [ 26 ] investigated the hybridization of photovoltaic energy generated by a luminescent solar concentrator and the greenhouse impact. Solar irradiation was absorbed by the luminescent dyes embedded in a polymethyl methacrylate (PMMA) rigid sheet, and part of the re-emitted light was guided to solar cells, while the rest was transmitted to the plants inside of the greenhouse. The intention was to analyze the double benefit of the luminescent films: to adapt the light to the optimum PAR, and to generate electricity for the self-consumption of the installation. Simakin et al. [ 27 ] and Wang et al. [ 28 ] explored alternative materials to ensure the same goal. Simakin improved the light transmitted by the polymer when it was doped with rare earth compounds, while Wang used, for the same objective, quantum dots based on Cd (1−x) Zn x Se, but they concluded that their film had a low quantum yield, so another chemical compound approach was needed. The majority of these experiments considered the commercial luminescent material from BASF, called Lumogen 305 Red. However, the main disadvantages observed in this type of organic dye were: (1) narrow absorption spectrum; (2) high reabsorption due Materials 2021,14, 2357 4 of 15 to the overlapping of the absorption and emission peaks (Stokes losses); and (3) limited tuneability to provide this service for a wider range of PAR specifications. An interesting alternative strategy is to consider a mix of dyes embedded in the host material, ensuring they transfer the energy between them in a nonradiative mechanism. This is called Förster resonance energy transfer (FRET) [ 29 , 30 ]. It has been proved with good results in other scientific areas, such as biology [ 31 ], physics [ 32 ], and materials science [ 33 ]. So, thanks to this phenomenon, the proper selection of the dyes resulted in a thin-film optical window with color tuneability, better luminescence properties, and a wide absorption spectrum. The aim of this research study is to provide a new novel design based on the combination of photonic crystals and multiple luminescent dyes transferring energy between them with a FRET nonradiative mechanism. Thanks to this original approach, the flexible film will ensure: (1) reflection of the light in the infrared spectrum, responsible for increasing the internal temperature of the greenhouse; (2) wide absorption spectra range for those wavelengths that are not critical for photosynthesis; (3) light photoemitted in the proper energy compared to PAR; (4) minimization of Stokes losses; and (5) a high degree of tuneability of the system, upon the dyes selected, to modify the absorption and emission peaks, upon the desired PAR and the boundary conditions for each specific location. 2. Materials and Methods Luminescent films were manufactured with a combination of three dyes to cover the green absorption spectrum range from 450 to 600 nm c.a., and to improve photoemission around 650 nm c.a., according to PAR crops. The selected dyes were Lumogen Red (LR305), 4-(Dicyanomethylene)-2-methyl-6-(4-dimethylaminostyryl)-4H-pyran (DCM) and 2-[4-[4- (dimethylamino)phenyl]-1,3-butadienyl]-1,3,3-trimethyl-3H-indolium perchlorate (LDS), which were all used as received; the first one from BASF and the others from Exciton. The host material selected was a low-density polyethylene (LDPE) from LyondelBasell, as it is currently the most commonly used material for the manufacturing of conventional greenhouse films. This research study comprised two stages: laboratory and pilot scale (Figure 1). The samples processed during the lab-scale stage were prepared using a spin-coating (Laurell, WS-650Mz-8NPP). Luminescent solutions were prepared from a mixture of the asreceived powered dyes, polymethyl methacrylate (PMMA) host material, and chloroform (Sigma Aldrich). A total of 300 mg of PMMA and 4 mL of chloroform were stirred during 48 h to ensure a homogeneous solution. Then, the dyes were added to the PMMA solution, resulting a 1% w/w mixture, the optimal concentration to avoid quenching. Finally, the solvent was evaporated on a hot plate at 50 ◦C. Compounding at pilot scale was carried out at 140 ◦ C by gradually adding LDPE and the luminescent dye to a solution of p-Xilen (Sigma Aldrich). The solution remained for 2 h under stirring conditions to ensure the optimal mixing of the LDPE and dye molecules. After this time, p-Xileno was removed from the mixture by means of a distillation procedure to obtain a homogeneous solid. Different dye concentrations were tested from 0 to 5% w/w. One masterbatch of luminescent dye and LDPE was prepared from the previous solid and raw LDPE by employing a corotating twin-screw extrusion line with a pelletizing system (SIEPLA model SHJ-20). All resulting samples were processed in a mill machine with stainless steel blades (J Purchades model 250) in order to ensure homogeneity with an average particle size of 3 µ m. The extrusion process was carried out by using a specific thermal profile of 90 ◦ C/150 ◦ C/180 ◦ C/190 ◦ C. During the entire process, the screws were rotating at 300 rpm. Finally, three different regrinds for each luminescent combination were fabricated: 100, 200, and 300 ppm. To end the procedure, luminescent film was obtained (Figure 1) from a blown film extrusion machine (Sincerity Plastic Machinery, model SJ50-700) with 250 mm width and 10 µ m thickness, by using a thermal profile of 150 ◦C/180 ◦C/195 ◦C. Materials 2021,14, 2357 5 of 15 Materials 2021, 14, x 4 of 16 the overlapping of the absorption and emission peaks (Stokes losses); and (3) limited tuneability to provide this service for a wider range of PAR specifications. An interesting alternative strategy is to consider a mix of dyes embedded in the host material, ensuring they transfer the energy between them in a nonradiative mechanism. This is called Förster resonance energy transfer (FRET) [29,30]. It has been proved with good results in other scientific areas, such as biology [31], physics [32], and materials science [33]. So, thanks to this phenomenon, the proper selection of the dyes resulted in a thin-film optical window with color tuneability, better luminescence properties, and a wide absorption spectrum. The aim of this research study is to provide a new novel design based on the combination of photonic crystals and multiple luminescent dyes transferring energy between them with a FRET nonradiative mechanism. Thanks to this original approach, the flexible film will ensure: (1) reflection of the light in the infrared spectrum, responsible for increasing the internal temperature of the greenhouse; (2) wide absorption spectra range for those wavelengths that are not critical for photosynthesis; (3) light photoemitted in the proper energy compared to PAR; (4) minimization of Stokes losses; and (5) a high degree of tuneability of the system, upon the dyes selected, to modify the absorption and emission peaks, upon the desired PAR and the boundary conditions for each specific location. 2. Materials and Methods Luminescent films were manufactured with a combination of three dyes to cover the green absorption spectrum range from 450 to 600 nm c.a., and to improve photoemission around 650 nm c.a., according to PAR crops. The selected dyes were Lumogen Red (LR305), 4-(Dicyanomethylene)-2-methyl-6-(4-dimethylaminostyryl)-4H-pyran (DCM) and 2-[4-[4-(dimethylamino)phenyl]-1,3-butadienyl]-1,3,3-trimethyl-3H-indolium perchlorate (LDS), which were all used as received; the first one from BASF and the others from Exciton. The host material selected was a low-density polyethylene (LDPE) from LyondelBasell, as it is currently the most commonly used material for the manufacturing of conventional greenhouse films. This research study comprised two stages: laboratory and pilot scale (Figure 1). The samples processed during the lab-scale stage were prepared using a spin-coating (Laurell, WS-650Mz-8NPP). Luminescent solutions were prepared from a mixture of the as-received powered dyes, polymethyl methacrylate (PMMA) host material, and chloroform (Sigma Aldrich). A total of 300 mg of PMMA and 4 mL of chloroform were stirred during 48 h to ensure a homogeneous solution. Then, the dyes were added to the PMMA solution, resulting a 1% w/w mixture, the optimal concentration to avoid quenching. Finally, the solvent was evaporated on a hot plate at 50 °C. Figure 1. Manufacturing process: ( a ) chemical solutions with different dye concentrations; ( b ) extrusion machine with the luminescent material embedded in the LDPE matrix; ( c ) blowing machine; and ( d ) polymer substrate coil based on LDPE doped with luminescent dye. One-dimensional photonic crystal (1DPC) structures were designed to reflect the maximum energy at the near-infrared spectral range. For that purpose, periodic dielectric structure was defined as 13 layers alternating SiO 2 (1) and TiO 2 (2), resulting in the sequence 1212121212121(Figure2). Refractive index and thickness for SiO 2 were n 1 = 1.3 and d1= 229 nm, respectively. and the values selected for TiO2were n2= 2.3 and d2= 130 nm. Materials 2021, 14, x 5 of 16 Figure 1. Manufacturing process: (a) chemical solutions with different dye concentrations; (b) extrusion machine with the luminescent material embedded in the LDPE matrix; (c) blowing machine; and (d) polymer substrate coil based on LDPE doped with luminescent dye. Compounding at pilot scale was carried out at 140 °C by gradually adding LDPE and the luminescent dye to a solution of p-Xilen (Sigma Aldrich). The solution remained for 2 h under stirring conditions to ensure the optimal mixing of the LDPE and dye molecules. After this time, p-Xileno was removed from the mixture by means of a distillation procedure to obtain a homogeneous solid. Different dye concentrations were tested from 0 to 5% w/w. One masterbatch of luminescent dye and LDPE was prepared from the previous solid and raw LDPE by employing a corotating twin-screw extrusion line with a pelletizing system (SIEPLA model SHJ-20). All resulting samples were processed in a mill machine with stainless steel blades (J Purchades model 250) in order to ensure homogeneity with an average particle size of 3 μm. The extrusion process was carried out by using a specific thermal profile of 90 °C/150 °C/180 °C/190 °C. During the entire process, the screws were rotating at 300 rpm. Finally, three different regrinds for each luminescent combination were fabricated: 100, 200, and 300 ppm. To end the procedure, luminescent film was obtained (Figure 1) from a blown film extrusion machine (Sincerity Plastic Machinery, model SJ50-700) with 250 mm width and 10 μm thickness, by using a thermal profile of 150 °C/180 °C/195 °C. One-dimensional photonic crystal (1DPC) structures were designed to reflect the maximum energy at the near-infrared spectral range. For that purpose, periodic dielectric structure was defined as 13 layers alternating SiO2 (1) and TiO2 (2), resulting in the sequence 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 (Figure 2). Refractive index and thickness for SiO2 were n1 = 1.3 and d1 = 229 nm, respectively. and the values selected for TiO2 were n2 = 2.3 and d2 = 130 nm. Figure 2. 1DPC manufacturing process: magnetron sputtering deposition (PVD) of single SiO2 and TiO2 layers, and their characterization; modeling to find the optimum parameters (thicknesses, sequence, and number of layers stacked); and finally, multilayer magnetron sputtering deposition. Dielectric layers were deposited by DC magnetron sputtering (44 Solar) using ceramic targets (99.999%) with a dimension of 500 × 100 mm2. Low-density polyethylene film was used as a substrate, with a dimension of 300 × 300 mm2. To avoid any contamination from the substrate, it was cleaned using a glow discharge in the load-lock chamber. The process chamber was evacuated below 5 × 10−7 mbar prior to any deposition, and all depositions were carried out in an Ar/O2 mixture under constant pressure of 2 × 10−3 mbar. The O2 flow rate was selected in order to operate beyond the transition region of the cathode voltage versus oxygen flow curve, where the deposition fully works in the oxide mode. The process was performed at plasma temperature. Thickness was measured using a mechanical profilometer (KLA Tencor model P-6,). Optical properties were characterized using a UV-VIS spectrometer setup including a Xelamp (Newport model 71228), monochromator (Oriel Cornerstone 260), integer sphere Single Layers PVD deposition SiO 2 TiO 2 Single Layers Characterization Substrate Substrate SiO 2 Substrate 5 x TiO 2 /SiO 2 Multilayer PVD deposition Multilayer Characterization Optimum thickness 1DPC Modelling Number of layers Refractive index Figure 2. 1DPC manufacturing process: magnetron sputtering deposition (PVD) of single SiO 2 and TiO 2 layers, and their characterization; modeling to find the optimum parameters (thicknesses, sequence, and number of layers stacked); and finally, multilayer magnetron sputtering deposition. Dielectric layers were deposited by DC magnetron sputtering (44 Solar) using ceramic targets (99.999%) with a dimension of 500 × 100 mm 2 . Low-density polyethylene film was used as a substrate, with a dimension of 300 × 300 mm 2 . To avoid any contamination from the substrate, it was cleaned using a glow discharge in the load-lock chamber. The process chamber was evacuated below 5 × 10 −7 mbar prior to any deposition, and all depositions were carried out in an Ar/O 2 mixture under constant pressure of 2 × 10 −3 mbar. The O 2 flow rate was selected in order to operate beyond the transition region of the cathode voltage versus oxygen flow curve, where the deposition fully works in the oxide mode. The process was performed at plasma temperature. Thickness was measured using a mechanical profilometer (KLA Tencor model P-6,). Optical properties were characterized using a UV-VIS spectrometer setup including a Xelamp (Newport model 71228), monochromator (Oriel Cornerstone 260), integer sphere (Labsphere 3P-GPS-030-SF), and UV-VIS detector (Newport 71610). The signal was recorded using a dual lock-in amplifier (Stanford Research SRS-830). Materials 2021,14, 2357 6 of 15 3. Results and Discussion The modification of light for plant growth was based on the principle that not all energies are equal, with red wavelengths having been proven as the most photosynthetically efficient energies. By converting a fraction of the incoming blue light and green light to red light, this film installed in the greenhouse increased the photosynthetic efficiency of light reaching the canopy, allowing growers to favor root development and flowering. These principles were demonstrated in this research study. 3.1. Luminescent Characterization Figure 3shows the absorption and photoemission spectra for the prepared luminescent films, at different concentration levels. The dyes were dissolved in CHCl 3 at laboratory scale in order to identify whether their photoemission peaks were aligned with the PAR spectrum requested. It was observed that all dyes had a maximum luminescent emission in the range of approximately 600 nm (DCM and LR305 (Figure 3a,b) and 700 nm (LDS, Figure 3d)). Moreover, the absorption of these dyes was located in the green range of the solar spectrum, which is the best condition according to the PAR crop’s response. To improve the absorption spectra range, DCM was mixed with LDS or LR305 in the same solution, ensuring FRET conditions (Figure 3c): the acceptor dye (DCM) was excited and emitted energy was transferred to the donor dye (LDS or LR305) in a nonradiative mechanism. Emission from DCM + LDS and DCM + LR305 was obtained by exciting the system with a monochromatic source at 468 nm, corresponding to the acceptor dye absorption spectra. Under this condition, the emission obtained corresponded to the LDS dye without being directly excited, demonstrating the efficiency of the FRET process. Materials 2021, 14, x 6 of 16 (Labsphere 3P-GPS-030-SF), and UV-VIS detector (Newport 71610). The signal was recorded using a dual lock-in amplifier (Stanford Research SRS-830). 3. Results and Discussion The modification of light for plant growth was based on the principle that not all energies are equal, with red wavelengths having been proven as the most photosynthetically efficient energies. By converting a fraction of the incoming blue light and green light to red light, this film installed in the greenhouse increased the photosynthetic efficiency of light reaching the canopy, allowing growers to favor root development and flowering. These principles were demonstrated in this research study. 3.1. Luminescent Characterization Figure 3 shows the absorption and photoemission spectra for the prepared luminescent films, at different concentration levels. The dyes were dissolved in CHCl3 at laboratory scale in order to identify whether their photoemission peaks were aligned with the PAR spectrum requested. It was observed that all dyes had a maximum luminescent emission in the range of approximately 600 nm (DCM and LR305 (Figure 3a,b) and 700 nm (LDS, Figure 3d)). Moreover, the absorption of these dyes was located in the green range of the solar spectrum, which is the best condition according to the PAR crop’s response. To improve the absorption spectra range, DCM was mixed with LDS or LR305 in the same solution, ensuring FRET conditions (Figure 3c): the acceptor dye (DCM) was excited and emitted energy was transferred to the donor dye (LDS or LR305) in a nonradiative mechanism. Emission from DCM + LDS and DCM + LR305 was obtained by exciting the system with a monochromatic source at 468 nm, corresponding to the acceptor dye absorption spectra. Under this condition, the emission obtained corresponded to the LDS dye without being directly excited, demonstrating the efficiency of the FRET process. a) 350 400 450 500 550 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Absorption (a.u.) Wavelength (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.) Wavelength (nm) DCM Figure 3. Cont. Materials 2021,14, 2357 7 of 15 Materials 2021, 14, x 7 of 16 b) 400 500 600 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Absorption (a.u.) Wavelength (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.) Wavelength (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 Absorption (a.u.) Wavelength (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.) Wavelength (nm) DCM + LDS Figure 3. Cont. Materials 2021,14, 2357 8 of 15 Materials 2021, 14, x 8 of 16 d) 500 600 700 800 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Absorption (a.u.) Wavelength (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.) Wavelength (nm) LDS e) 350 400 450 500 550 600 650 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Absorption (a.u.) Wavelength (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.) Wavelength (nm) DCM + LR305 Figure 3. Absorption and emission spectra obtained for different dyes: ( a ) DCM, ( b ) LR305, ( c ) LDS, ( d ) DCM + LDS, and ( e ) DCM + LR305. Emission peaks were aligned with PAR requirements, and combination of DCM + LDS offered the advantage of wider absorption spectra. Materials 2021,14, 2357 15 of 15 11. Arbel, A.; Barak, M.; Shklyar, A. Combination of forced ventilation and fogging systems for cooling greenhouses. Biosyst. Eng. 2003,84, 45–55. [CrossRef] 12. Ishii, M.; Okushima, L.; Moriyama, H.; Sase, S.; Fukuchi, N.; Both, A.J. Experimental study of natural ventilation in an open roof greenhouse during the summer. Acta Hortic. 2015,1107, 67–74. [CrossRef] 13. Hemming, S.; de Zwart, H.F.; Swinkels, G.L.A.M.; Janssen, H.J.J. 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Scotognella, F.; Chiasera, A.; Criante, L.; Aluicio-Sarduy, E.; Varas, S.; Pelli, S.; Lukowiak, A.; Righini, G.C.; Ramponi, R.; Ferrari, M. Metal oxide one dimensional photonic crystals made by RF sputtering and spin coating. Ceram. Int. 2015 ,41, 8655–8659. [CrossRef] 38. Jena, S.; Tokas, R.B.; Sarkar, P.; Misal, J.S.; Maidul Haque, S.; Rao, K.D.; Thakur, S.; Sahoo, N.K. Omnidirectional photonic band gap in magnetron sputtered TiO2/SiO2one dimensional photonic crystal. Thin Solid Films 2016,599, 138–144. [CrossRef] Tesis doctoral Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería – ETSI Universidad de Sevilla Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas Anexo II – Resumen de las publicaciones científicas Miguel Barragán Sánchez-Lanuza Dirigido por: Dr. José María Delgado Sánchez Dr. Isidoro Lillo Bravo Sevilla, 22 de noviembre, 2024 Experimental CIGS technology performance under low concentration photovoltaic conditions Journal of Cleaner Production 446, (2024), pp. 141384 D1 (24/358 Environmental Sciences) IF 9.70 https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.141384 Resumen Impacto de la modificación de la intensidad de la radiación solar en las tecnologías FV c-Si y CIGS mediante concentración óptica (2.2x) con espejos en V. Análisis de factores que influyen en la producción: tecnología FV, encapsulado y disipación térmica. Estado del arte -Dentro de los sistemas FV de concentración (CPV), los de baja concentración (LCPV) han resultado ser la opción más prometedora frente a los de alta (HCPV) debido a los menores costes relacionados con elementos ópticos y seguimiento. -La gestión térmica eficaz resulta vital para la producción FV y la vida útil de los sistemas FV, siendo aún más crítico en condiciones de concentración. -La mayoría de los estudios previos de LCPV se centran en la tecnología de c-Si. La tecnología CIGS de capa fina presenta ventajas como una eficiencia comparable a la de silicio (a escala laboratorio), sustratos flexibles, bajo peso y buen comportamiento a la iluminación no uniforme. Los estudios previos de considerar CIGS en condiciones de LCPV se centran en medidas en simulador solar y a nivel de célula, por lo que no hay datos de su comportamiento en condiciones reales de operación ni de la influencia del encapsulamiento. Novedad Se realiza una investigación teórica y experimental donde la tecnología CIGS de capa fina se compara en condiciones de baja concentración con la del c-Si. Los prototipos son probados en condiciones de operación reales, analizando también la importancia del encapsulamiento en la generación de las células solares probadas. Objetivos - Cuantificación del Performance Ratio y Energy Yield de la tecnología FV CIGS en condiciones LCPV. - Comparación de la producción FV de la tecnología CIGS en condiciones LCPV con el c-Si. - Evaluación del impacto del encapsulado en la producción FV en condiciones LCPV y optimización térmica del encapsulado. Hipótesis - La concentración óptica 2.2x aumenta la intensidad de la radiación solar incidente en el dispositivo FV sin modificar su espectro. - El aumento de la intensidad de la radiación solar incidente en condiciones LCPV aumenta la producción FV del sistema. - En condiciones de LCPV la temperatura de operación del sistema FV es mayor. - La tecnología CIGS tiene un coeficiente de pérdida por temperatura menor que el c-Si. - El encapsulado tiene un peso significativo en la gestión térmica del sistema FV. - El empleo de sustratos metálicos como backsheet, con elementos añadidos de disipación pasiva, beneficia la temperatura del dispositivo respecto a diseños convencionales vidrio-vidrio o vidrio-tedlar. Metodología - Selección de tecnologías FV para fabricación de prototipos: c-Si y CIGS, con tres encapsulamientos diferentes: vidrio-Tedlar, vidrio-vidrio y vidrio-aluminio. - Simulación térmica del prototipo para optimizar el diseño de los elementos disipadores y backsheet. - Instalación de los prototipos en un seguidor 2-ejes para monitorizar la producción FV en condiciones de operación reales. - Cálculo de indicadores de calidad normalizados (Y f y PR) para comparar los diferentes diseños. Resultado y discusión - Se observa una correlación no lineal entre la producción FV y el factor de concentración. A niveles de 2.2x la producción es menor de la teórica por efecto de la temperatura. - La temperatura real de los dispositivos sigue el modelo de Sandia, aumentando con la intensidad de radiación solar incidente. - El encapsulado y la tecnología FV seleccionada en cada diseño, aporta valores máximos de temperatura diferente en cada caso:  CIGS vidrio-vidrio alcanzó los 81ºC mientras que CIGS vidrio-aluminio se quedó en 62ºC. c-Si se quedó dentro de ese rango, pero más cerca del vidrio-aluminio. c-Si presenta el mayor aumento relativo de temperatura (32%), seguido del CGS vidrio-vidrio (27%) y por último el CIGS alternativo (17%).  Se cuantifica la distribución térmica de los prototipos, observando mayor temperatura en el centro (dif. máx. del 3%). - Se caracterizan las curvas I-V de los prototipos y se comparan con las STC. La Isc aumenta considerablemente en 2,2x pero VOC disminuye de manera distinta en los prototipos (vidrio-aluminio el que menos). CIGS resulta recomendable para LCPV. -Comparando la potencia CC y la radiación, se observa una sólida alineación entre el modelo Huld y los datos experimentales. La pérdida de potencia más elevada resulta en c-Si (34%), seguida del vidrio-vidrio (29%) y por último el de aluminio (20%). -En Yf y PR, el prototipo vidrio-aluminio vuelve a mostrar relativamente la mayor ganancia relativa y menores pérdidas. Conclusiones La tecnología CIGS es un candidato recomendable para condiciones de operación de alta temperatura cuando su encapsulado convencional vidrio-vidrio es reemplazado por un backsheet con mejores condiciones de disipación térmica. Líneas de trabajo a futuro - Continuar con la investigación de los sistemas LCPV con tecnologías FV alternativas al c-Si. - Estudiar diferentes encapsulados alternativos al vidrio-tedlar y vidrio-vidrio en condiciones de LCPV. - Realizar ensayos a largo plazo para investigar el posible envejecimiento de los materiales en condiciones de LCPV. Spectral irradiance, ground and crop dynamic reflectance: key determinants in predicting photocurrent for agrovoltaic systems Energy Conversion and Managemen 312, (2024), pp. 118572 D1 (24/358 Environmental Sciences) IF 9.70 https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118572 Resumen Análisis del impacto de los datos espectrales vs datos absolutos, la geometría, las condiciones atmosféricas y el cambio en la morfología del cultivo en las predicciones de fotocorriente generada por módulos fotovoltaicos bifaciales para aplicaciones agrovoltaicas. Estado del arte -Los módulos FVs bifaciales permiten aumentar la producción de energía minimizando los requisitos de espacio. Los factores que influyen en la eficiencia de los módulos bifaciales han sido muy estudiados, como los componentes de la radiación, ángulo de inclinación, altura del seguidor y coeficiente de albedo, pero predominantemente con valores absolutos. Pocos estudios utilizan datos espectrales para investigar el rendimiento de los módulos, encontrando un impacto importante al usarlos. -La agrovoltaica es una aplicación prometedora para módulos bifaciales por la eficiencia en el uso del suelo, pero la predicción precisa de fotocorriente en la cara posterior es compleja por las condiciones del suelo. El ángulo de incidencia y la evolución de la sombra también afectan a la irradiancia reflejada y suele pasarse por alto, pudiéndose resolver el problema con factores de visión, los cuales no suelen integrarse en predicciones convencionales junto con las condiciones del suelo y fases de crecimiento. Novedad -Integración de la teoría del factor de visión y el uso de datos de irradiancia espectrales en un modelo unificado para predecir la fotocorriente en sistemas agrovoltaicos (APV). -Incorporación de propiedades espectrales dinámicas de los cultivos a lo largo de su ciclo natural de crecimiento. - Comparación de datos espectrales vs absolutos en la predicción de fotocorriente del sistema APV con módulos bifaciales. Objetivos -Introducción de una corrección espectral relativa a la dependencia de la longitud de onda en los medios de predicción de generación de fotocorriente aplicables a módulos fotovoltaicos bifaciales integrados en sistemas APVs. -Mejora de la precisión de las predicciones de rendimiento en sistemas con módulos bifaciales al tener en cuenta la evolución temporal de los cultivos y las disparidades ópticas entre el suelo desnudo y las zonas cultivadas. Hipótesis - Los datos absolutos son un promedio de los datos espectrales. El uso de datos promedio aumenta la incertidumbre de los modelos predictivos. - Los valores espectrales de radiación son más sensibles a sus distintas componentes (directa y difusa) que los valores absolutos, por lo que ofrecen mejor resolución en las estimaciones de producción eléctrica. - En sistemas bifaciales es crítico que las fuentes de la radiación difusa sean precisas. - Los cultivos en sistemas APV evolucionan temporalmente cambiando su morfología, follaje, etc… lo que implica cambios en la reflectancia de los mismos, que a su vez tiene consecuencias en la radiación reflejada sobre la cara trasera del módulo bifacial. Metodología -Caracterización óptica del suelo para determinar la reflectividad espectral teniendo en cuenta el crecimiento del cultivo (arroz). Para ello se tomaron medidas en el área del cultivo y el suelo desnudo a lo largo de una temporada. -Caracterización de la irradiancia total y espectral de la radiación solar -Definición de los factores de visión entre las distintas superficies para el cálculo de irradiancia en la cara posterior. -Cálculo de la relación bifacial una vez conocida la irradiancia en la cara posterior y la eficiencia cuántica del módulo. Resultado y discusión -El cultivo presentan una alta absortividad en el rango de 450 a 600nm y una reflectividad importante en el rango del 650-900 nm. -El suelo compacto presenta una mayor reflectancia comparado con el suelo labrado, principalmente debido al carácter óptico especular del suelo compacto frente al carácter de scattering difuso del suelo labrado . El riego disminuye también la reflectividad. - Las componentes de la radiación (GHI, DNI, DHI) son diferentes espectralmente según el tipo de día: soleado vs calima. -La irradiancia calculada en el módulo inferior presenta inhomogeneidad del 27% y en el módulo superior de un 8%. A mayor altura del sistema fotovoltaico, la uniformidad de la radiación recibida en la cara trasera es mejor. -A medida que la relación cultivo/suelo desnudo aumenta, la fotocorriente generada en la cara posterior aumenta, porque la reflectividad del cultivo es mayor y beneficia la radiación reflejada en la cara posterior del módulo FV bifacial. -En días claros se obtiene una fracción difusa cercana a 0, el máximo de fotocorriente en la cara posterior se da con el seguidor casi horizontal, la relación bifacial es casi constante (entre 0,10 y 0,12) y la sobreestimación oscila entre un 48,6% y el 100%, lo que lleva a una sobreestimación total de entre el 4,8% y el 7,9%. En días nublados se obtiene una fracción difusa alta, el máximo de fotocorriente en la cara posterior se da con el seguidor casi vertical, la relación bifacial varía de 0,09 a 0,27 y la sobreestimación oscila entre el 15,4% y el 42,9%, lo que lleva a una sobreestimación total de entre el 1,5 y el 2,1%. -La relación bifacial (con datos absolutos y espectrales) presenta una gran dependencia de las condiciones del suelo. Conclusiones -El empleo de datos espectrales para predecir la fotocorriente en sistemas APVs proporciona resultados más precisos en comparación con el uso de datos absolutos, observándose gran variabilidad en la reflectancia a lo largo del ciclo de crecimiento. - El crecimiento del cultivo afecta a la radiación reflejada en la cara trasera del módulo FV bifacial, por lo que este aspecto ha de considerarse en la etapa de diseño para una mejor predicción de la energía generada por el sistema agrovoltaico. -La cara posterior del panel maximiza su generación en días despejados cuando se encuentra en posición horizontal mientras que, en días nublados, el seguimiento casi vertical resulta más productivo. -El suelo cultivado mejora la uniformidad de la irradiancia comparado con el suelo desnudo, minimizando el gradiente de temperatura, lo que subraya la importancia de considerar la cobertura del suelo a la hora de optimizar la fotocorriente generada. Líneas de trabajo a futuro -Mediciones adicionales de la reflectancia espectral en varios cultivos a lo largo de sus ciclos de crecimiento, correlacionándolas con la producción energética de los módulos bifaciales para mejorar la precisión y aplicabilidad de los modelos analíticos. -Permitir el acceso libre a las mediciones de radiación espectral para facilitar las comparaciones de rendimiento de los modelos fotovoltaicos utilizando la radiación absoluta y espectral. Diffuse radiation influence on the performance of Luminescent Solar Concentrators Solar Energy Materials and Solar Cells, 276, (2024) D1 (24/358 Environmental Sciences) IF 9.70 https://doi.org/10.1016/j.solmat.2024.113073 Resumen -Propuesta de un marco teórico que clarifica las causas del rendimiento superior de los concentradores solares luminiscentes (CSL) bajo irradiación difusa. Este hecho se refrenda a través de investigaciones experimentales con prototipos que utilizan el colorante Lumogen Red en distintas condiciones meteorológicas. Estado del arte -El concepto de LSC se propuso en 1970 con el fin de conseguir una reducción del tamaño de las células solares superior al 90%. Tras esto, varios estudios propusieron incluir materiales orgánicos fotoluminiscentes para aumentar el rendimiento del sistema. - Frecuentemente, se destaca la idoneidad del CSL para operar bajo irradiación difusa frente a sistemas FVs fijos o de concentración, al ser capaz el CSL de concentrar radiación directa y difusa, hecho que no ha sido demostrado en la literatura. -Experimentalmente y en condiciones de intemperie se ha observado una mejoría en el rendimiento del LSC durante el amanecer y el atardecer, atribuyéndose esta mejoría al cambio espectral de la radiación y la menor temperatura de la célula. Novedad -La elaboración de un examen holístico de las múltiples complejidades que influyen en el rendimiento de las LSCs en condiciones de irradiancia difusa. Objetivos -Explorar exhaustivamente los factores polifacéticos (componente de irradiancia, ángulo de incidencia de la luz y correspondencia del espectro) que influyen en el rendimiento del LSC en condiciones de irradiancia difusa. Con ello se pretende llenar el vacío existente en la comprensión y allanar el camino para nuevos avances en las tecnologías de energía solar. Hipótesis -Los concentradores solares luminiscentes presentan una mayor eficiencia en condiciones de irradiación solar difusa. Metodología -Diseño y fabricación de los prototipos de LSC de 10 x 10 cm2 (LR305), de las células solares CIGS y su encapsulamiento (EVA). -Caracterización de la Transmitancia Visible Media de los prototipos con colorante (44%) y el de referencia sin colorante (87%). -Caracterización en interiores durante el proceso de fabricación de transmitancia y reflectancia y obtención de curva IV. -Medidas reales en exteriores del espectro de la irradiación solar en días de cielo soleado, nublado y parcialmente nublado, y de las intensidades de cortocircuito de dos prototipos con LR305 y el de referencia sin ningún tinte y el coeficiente de difusión. -Evaluación teórica de la influencia de la radiación directa y difusa en el rendimiento de la LSC para cuatro colorantes distintos. Resultado y discusión -En la caracterización del espectro de irradiación solar en exteriores se observa un componente DNI predominante y un DHI reducido en días soleados mientras que los días brumosos y sobre todo con nubosidad parcial muestran una mayor influencia de componente DHI. Además, la DHI presenta su máximo en el rango azul mientras que la DNI lo presenta en el espectro visible. Este desplazamiento espectral también se observa en el amanecer y atardecer de días soleados, sobre todo en invierno. -Los prototipos LSC en condiciones de cielo soleado muestran una Isc un 20% superior a la muestra de referencia, alcanzando el 35% durante el amanecer y atardecer debido al mayor Kd, el ligero cambio espectral y la distribución lambertiana de la DHI. Esto se corrobora en condiciones brumosas y de nubosidad parcial con Kd mayores, alcanzando valores superiores de Isc. -La orientación relativa de los colorantes respecto a la posición solar resulta un parámetro clave en la influencia de la irradiancia solar en el prototipo LSC, determinándose que la orientación isotrópica de los momentos dipolares de transición es la óptima. -La probabilidad de absorción por cualquier dipolo según la Ley de Lambert para la componente puramente DNI es de un 25% si ambos vectores son perpendiculares y la probabilidad de emitir un fotón guiado teóricamente es de un 75%, mientras que los valores experimentales lo sitúan en un 66% sugiriendo un cierto grado de dispersión. -Combinando los datos experimentales de radiación y los espectros de absorción de 4 colorantes se calcula la irradiancia absorbida relativa del LSC obteniendo una mayor fotorrespuesta en condiciones difusas en todos los casos, aunque para los colorantes Lumogen Red y Yellow se observa una menor sensibilidad al efecto coseno por el parámetro de orden de ambos. -Los resultados indican un aumento notable en el rendimiento de los dispositivos LSC cuando predomina la radiación difusa, fenómeno evidente en entornos urbanos donde hay una mayor dispersión incluso en lugares con predominio de DNI. Conclusiones -El estudio proporciona una justificación teórica de la eficacia operativa de los dispositivos LSC en condiciones de irradiación solar directa y difusa. En concreto, se demuestra que, para un LSC con orientación isotrópica de sus colorantes luminiscentes, las condiciones de radiación difusa son más favorables debido a la distribución lambertiana de este componente de radiación. -La monitorización en exteriores de los prototipos LSC en diversas condiciones ambientales muestra un notable aumento de la corriente de cortocircuito (35%) al aumentar el coeficiente de fracción difusa comparado con un día soleado (25%). -Las mediciones espectrales revelan un aumento de intensidad en la región del espectro UV cuando predomina el componente DHI, ajustándose más al espectro de absorción del colorante. Dicha alineación contribuye al aumento de rendimiento de LSC. Líneas de trabajo a futuro -Realizar campañas de medición en exteriores en condiciones climáticas variadas y empleando una gama más amplia de tintes. -Ampliar el alcance de las investigaciones experimentales mejorará la comprensión del comportamiento de los LSC y contribuirá a la optimización de estos dispositivos para aplicaciones prácticas en diversos entornos ambientales. Photonic Crystal Beam Splitter Electrode in Kesterite Tandem Solar Cells: A Numerical Approach Physica Status Solidi A 221(9), pp. 2300734 Q3 (117/179 Applied Physics) IF 1.90 https://doi.org/10.1002/pssa.202300734 Resumen -En el trabajo se estudia el rendimiento de la tecnología FV de células solares tándem de kesterita, tanto de tres terminales (3T) como de cuatro (4T). Para ambos diseños se incorpora una estructura de cristal fotónico (1DPC) como capa intermedia, el cual estaría compuesto por capas apiladas de ITO y SiO2 y una capa terminal de NiO. Este elemento tendría varias funciones: modificar el espectro de la radiación que atraviesa la célula, con lo que se mejora la densidad de corriente de la célula superior, funcionar como electrodo intermedio y aumentar el Voc de la célula superior gracias a su a capa terminal de NiO. Estado del arte -Los materiales basados en kesterita son prometedoras capas absorbentes tipo p en células solares de capa fina permitiendo reducir costes y utilizando materiales abundantes en la tierra, pero la eficiencia que alcanzan por ahora ronda el 13,6%. -Las investigaciones publicadas han trabajado en comprender el comportamiento de la eficiencia de ese tipo de célula. -La tecnología tándem combina dos subcélulas de distintas bandgaps y respuestas espectrales, mejorando la eficiencia, pero aumentando su complejidad. La más extendida es la de 2 terminales, pero su capa de unión túnel complica su fabricación. Novedad -Se propone utilizar un cristal fotónico (1DPC) como sustituto del electrodo intermedio en las en dos células solares de kesterita tándem 3T y 4T. El 1DPC proporciona la funcionalidad eléctrica como electrodo y divide el haz mejorando el rendimiento de la célula solar tándem. Además, el 1DPC tiene una capa de NiO en vez de Mo en la parte superior, con lo que se maximiza la Voc. -A diferencia de la literatura anterior, esta propuesta evita el uso de las uniones túnel, lo que resulta más práctico y fiable. Objetivos - Diseñar un 1DPC que tenga características ópticas con la respuesta espectral de las subcelulas empleadas en el dispositivo tándem. - Simular los parámetros optoelectrónicos (SCAPS) de las subcelulas CZTS y CZTSe así como la configuración tándem. Estudio de las características electrónicas (defectos, niveles de energía, etc). - Comparativa del rendimiento del dispositivo tándem en sus diferentes configuraciones eléctricas: 2T, 3T y 4T. Hipótesis - El uso de 1DPC intermedio mejora la fotocorriente de la subcélula solar top (refleja el espectro no absorbido) - El diseño de 1DPC es compatible con materiales basados en óxidos conductores transparentes, aportando un valor eléctrico a la multicapa. - El 1DPC basado en óxidos conductores transparentes puede emplearse como electrodo del dispositivo tándem. - Añadir una capa de NiO aporta un valor de Voc mayor, con mejores prestaciones de rendimiento fotovoltaico. Metodología - Construcción de un modelo en SCAPS de las subcélulas CZTS y CZTSe. Validación con datos publicados por otros autores. - Elección de materiales óxidos conductores transparentes con alto contraste de índice de refracción. - Simulación del 1DPC diseñado (Matlab) compatible con las respuestas espectrales de las subcelulas CZTS y CZTSe. - Simulación (SCAPS) célula tándem y comparativa con datos publicados en la bibliografía. Resultado y discusión -El modelo de las subceldas en SCAPS fue validado tras compararlo con los datos experimentales de los trabajos previos. -Se observó que el rendimiento del dispositivo se veía influenciado de una manera mucho más notable por el espesor de la capa absorbente frente al nivel de dopaje de estas, concluyendo que el grosor de CZTS debe ser superior a 300nm. En el análisis de optimización se determinó los grosores de ambas subcélulas, siendo la superior más delgada que en el diseño convencional. -La fotocorriente simulada de la subcélula inferior es de 32,3mA/cm2, algo menor que la mejor célula de la literatura debido a la absorción de la subcélula superior. En dicha subcélula, su fotocorriente es de 24,97mA/cm2, superior a la bibliografía debido a las consecuencias ópticas del 1DPC a pesar de tener un espesor similar al de los demás trabajos. -En la simulación SCAPS se obtiene un rendimiento de la célula tándem 3T del 22,97% y en la 4T del 21,28%, siendo ambas superiores a las células basadas en kesterita de unión simple, demostrando las ventajas de usar 1DPC en vez de uniones túnel. -Los resultados muestran un aumento de la irradiación en la subcelda superior del 18% gracias a la división del haz del 1DPC. -Otra ventaja mostrada es el uso del NiO en vez de Mo en la capa posterior de la subcelda superior aumentando su Voc. Conclusiones -Debido a las propiedades ópticas del 1DPC, las longitudes de onda más bajas son reflejadas mejorando el Jsc de la subcelda superior. Además, usar como contacto posterior el NiO aumentó significativamente el Voc. -Estos efectos se tradujeron en unas eficiencias en las configuraciones 3T y 4T del 22,71% y 23,07% respectivamente. -La propuesta supera el reto asociado al uso de capas de unión túnel y muestra las ventajas de usar 1DPC en células tándem. Líneas de trabajo a futuro -Evaluar los retos encontrados durante la realización experimental de células solares en tándem de 3T y 4T, utilizando un único 1DPC como electrodo intermedio. Estos resultados experimentales deberían examinarse sistemáticamente y compararse con los resultados de la fabricación de células solares en tándem de 2T similares equipadas con una unión túnel. Advanced Photonic Thin Films for Solar Irradiation Tuneability Oriented to Greenhouse Applications Materials 2021, 14, 2357 https://doi.org/10.3390/ma14092357 Resumen -Estudio del impacto en dos tipos de cultivos de la modificación espectral de la radiación que atraviesa un invernadero al añadir a su cobertura materiales luminiscentes y cristales fotónicos. Sus procesos de fabricación también se detallan. Estado del arte -El perfil de temperatura es el parámetro más estudiado en la literatura de los invernaderos al afectar al crecimiento del cultivo. -La irradiación externa también es fundamental al influir en el proceso de la fotosíntesis y la distribución térmica del invernadero. La radiación fotosintética activa se encuentra en el rango de 400 a 700nm, siendo la radiación que se encuentra fuera de ese rango perjudicial para el rendimiento del invernadero. Eso significa que para optimizar la producción de los invernaderos se debe evitar la transmisión de NIR al interior y convertir la luz verde en luz roja para potenciar la fotosíntesis. -El cristal fotónico resulta ser un elemento adecuado para reflejar la radiación infrarroja y reducir las temperaturas diurnas. -Los materiales luminiscentes son capaces de absorber luz a una determinada longitud de onda y reemitirla a otra. -Ha habido numerosos estudios que analizan la incorporación de moléculas luminiscentes en las cubiertas poliméricas de los invernaderos, donde los resultados fueron positivos, pero en la mayoría se usó Lumogen 305 Red, el cual presenta desventajas. Novedad -Estudio y fabricación de un diseño a escala de laboratorio y piloto de aditivar plástico convencional usado en invernaderos con materiales luminiscentes para modificar el espectro solar en el cultivo del interior. - Las moléculas luminiscentes empleadas son Lumogen 305, DCM y LDS. Se analizan además combinaciones entre ellas. - El material plástico aditivado es recubierto con un cristal fotónico unidimensional (1DPC) depositado por sputtering con fines de control solar reflejando la componente IR del espectro solar, y reduciendo la temperatura en el interior del invernadero. Objetivos - Modificar el espectro solar incidente en el interior del invernadero para que esté alineado con los procesos fotosintéticos del cultivo. - Reducir la temperatura en el interior del invernadero mediante la reflexión de la componente IR del espectro solar. Hipótesis -Las altas temperaturas transitorias o constantes afectan al crecimiento y desarrollo de los cultivos. -La radiación fotosintéticamente activa (RFA) se encuentra en el rango de 400 a 700nm. -La radiación ultravioleta cercana (NUV) degrada la película del invernadero, daña a las plantas y afecta a los polinizadores. -Gran parte de la radiación infrarroja cercana penetra en el invernadero y provoca cargas térmicas. -Potenciar la RFA y reflejar el resto de la radiación mejorará el crecimiento de los cultivos. Metodología -Diseñar a escala de laboratorio y piloto una cobertura para invernaderos que con moléculas luminiscentes y un cristal fotónico. -Caracterizar espectralmente las películas luminiscentes y el cristal fotónico para optimizar los prototipos. -Cuantificar el impacto del diseño propuesto en tres tipos de cultivo frente a un invernadero sin modificadores de la radiación. Resultado y discusión -En las mezclas de colorantes DCM+LR305 y DCM+LDS, el rango de absorción del espectro creció asegurando las condiciones de transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET). Al aumentar la concentración de colorantes la absorción aumentó. -En el proceso de fabricación de la película DCM+LDS, se observó que las propiedades luminiscentes no eran las esperadas, por lo que se seleccionaron para la prueba piloto las películas dopadas con DCM y DCM+LR305. La combinación de ambas mostró una ampliación del rango del espectro presentando una buena concordancia con los resultados de laboratorio. -El cristal fotónico, compuesto por capas de SiO2 y TiO2, se diseñó para que reflejase desde los 1000 a los 1600nm, estando su pico en 1300nm. Su respuesta óptica experimental resultó ser prácticamente igual a la simulada. -La combinación de ambos elementos modificadores de la radiación presentó beneficios en los dos cultivos estudiados: • Los tomates Campari y Tymoty mostraron un ritmo de crecimiento más rápido (extensión del tallo y número de hojas). • Las lechugas Rex y Magenta mostraron un crecimiento mayor, mejorando su capacidad fotosintética global. -Dentro del invernadero se comprobó que el prototipo disminuía considerablemente la radiación ultravioleta y de la franja verde, mientras que mejoraba la luz roja, teniendo una trasmisión de luz del 30%. También mostró un componente difuso mayor. Conclusiones -La combinación de una película de LDPE dopada con colorantes luminiscentes y un cristal fotónico mejora el rendimiento del invernadero al modificar la radiación transmitida para ajustarse a la respuesta PAR de los cultivos. -Las propiedades ópticas de la película puede modificarse fácilmente añadiendo tintes o modificando las capas del cristal. -Las dos hortalizas estudiadas en el invernadero modificado presentaron un desarrollo más rápido de las hojas y el tallo. Líneas de trabajo a futuro -Estudio de la propiedad difusa de la película luminiscente utilizando sensores de radiación difusa y directa horizontal. -Análisis profundo del comportamiento del diseño propuesto en distintas ubicaciones climáticas. -Elaboración de un modelo energético exhaustivo y evaluación de la fotoestabilidad de las láminas a largo plazo. -Contraste de la información recabada con el mercado para determinar un mejor modelo económico y de viabilidad. Tesis doctoral Departamento de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería – ETSI Universidad de Sevilla Estrategias e impacto de la radiación solar espectral para aplicaciones fotovoltaicas Anexo III – Contribución a las publicaciones científicas Miguel Barragán Sánchez-Lanuza Dirigido por: Dr. José María Delgado Sánchez Dr. Isidoro Lillo Bravo Sevilla, 22 de noviembre, 2024 Experimental CIGS technology performance under low concentration photovoltaic conditions Journal of Cleaner Production 446 (2024), pp. 141384 D1 (24/358) IF 9.70 Evaluación de las capacidades de la tecnología de lámina delgada CIGS para operar en condiciones de baja concentración óptica. Comparación con tecnología convencional de silicio cristalino ACTIVIDAD RESPONSABLE 1. Conceptualización 1.1. Definición de la propuesta José Mª Delgado (US) Isidoro Lillo (US) 1.2. Revisión bibliografía Miguel Barragán (US) José Mª Delgado (US) Sara Moreno (US) 2. Metodología 2.1. Selección de tecnologías FV e indicadores de producción para monitorizar José Mª Delgado (US) 2.2. Simulación térmica disipadores CIGS José Mª Delgado (US) 2.3. Fabricación de prototipos. Monitorización de producción José Mª Delgado (US) 3. Investigación 3.1. Tratamiento y análisis de datos de producción de los prototipos Miguel Barragán (US) Isidoro Lillo (US) José Mª Delgado (US) J. Leandro Sancho (Quintas Energy) 3.2. Tratamiento y análisis de datos de influencia de la temperatura Miguel Barragán (US) Isidoro Lillo (US) José Mª Delgado (US) Sara Moreno (US) 4. Validación Miguel Barragán (US) Isidoro Lillo (US) José Mª Delgado (US) Sara Moreno (US) J. Leandro Sancho (Quintas Energy) 5. Redacción artículo Redacción (borrador original) Miguel Barragán (US) José Mª Delgado (US Isidoro Lillo (US) Redacción (revisión y edición) Miguel Barragán (US) José Mª Delgado (US Isidoro Lillo (US) Sara Moreno (US) J. Leandro Sancho (Quintas Energy) [Document text truncated for crawler view.]