Light management in solar cells with planar structures and scattering media
Düz yapılar ve saçıcı ortamlar ile güneş hücrelerinde ışık yönetimi
- Tez No: 630218
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SELÇUK YERCİ, DOÇ. DR. ÖZGÜR SALİH ERGÜL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 216
Özet
Fotovoltaik tarihteki en düşük verim/maliyet oranına ulaşarak artık sadece gelişmiş değil gelişmekte olan ülkelerin de yoğun ilgisini çekmektedir. Daha üstün güneş hücrelerinin geliştirilmesi için güneşten gelen ışığın tamamına yakınının hücre tarafında kullanılması gerekmektedir. Bunu yaparken ise güneş hücrelerinin çoklu fizik yaklaşımlarına ihtiyaç duyduğu ve rekabetçi fiyatını korumak için üretim kısıtlamalarının bulunduğu göz önünde bulundurulmalıdır. Bu doğrultuda, bu tezde güneş hücrelerindeki verimi artırmak için ışık yönetim stratejileri incelenmiştir. İlk olarak ince-film güneş hücrelerinde, ışık yönetimi; yansımayı engellemek ve aynı zamanda yansıma yapmayan ışığın aktif katmanda hapsolmasını sağlamak için kullanılmıştır. Optik benzetim metodları; taşıma matris yöntemi (TMM), zaman-uzayı sonlu-farklar yaklaşımı (FDTD), ve ışın izleme ile analitik yöntemler kullanılarak, optik soğurmayı ideal ve gerçekçi koşullar altında geliştirmek için malzemeden bağımsız optik optimizasyon ilkeleri verilmiştir. Basit ama etkili, ampirik algoritmalar benzetimlerin yerini almak üzere geliştirilmiştir. Bu geliştirilen algoritmalar perovskit, organik ve CdTe ince-film güneş hücrelerine uygulanmıştır. Öte yandan geçirgen iletken oksitlerin ince-film güneş hücrelerindeki optoelektronik etkileri incelenmiştir. Optoelektronik özelliklerin hücre geometrisi üzerindeki etkisinin optimizasyonu yapılarak, perovskit güneş hücrelerinde aynı anda verim artışı elde etmek ve üretim maliyetini düşürmek için bir yol haritası verilmiştir. İkinci olarak, silisyum güneş hücrelerinde parazit soğurmayı engellemek için düşük maliyetli bir arka yüzey yansıtıcı katmanı gösterilmiştir. Optik etkileşimler üç farklı algoritmanın; TMM, FDTD ve ışın takibinin bir birleşimi kullanılarak hesaplanmıştır. Son olarak, ince-film ve silisyum güneş hücrelerinin birleşimi kullanılarak CdZnTe/Si tandem güneş hücrelerinin detaylı bir incelemesi verilmiştir. Optik ve elektronik benzetim yöntemlerinin bir birleşimi kullanılarak CdZnTe-Si tandem güneş hücrelerinin teorik limitleri verilmiştir. Bu tezde verilen ışık yönetim stratejileri ve analitk hesaplamalar farklı güneş hücreleri üzerinde çalışan araştırmacılara optik alanındaki deneyimlerinden bağımsız olarak daha verimleri güneş hücreleri tasarlamak için yol gösterici olacaktır.
Özet (Çeviri)
Photovoltaics is a prime interest for not only developed but also developing countries considering its historically-low efficiency/cost ratio. Further development of solar cells necessities the maximum utilization of available light, which has to be done by taking the multi-physics nature of the solar cells and the fabrication constraints to maintain its competitive price into account. In this thesis, we explore light management strategies to improve the overall performances of various solar cells. First, light management is exploited to eliminate the reflection, and at the same time to increase the trapping of the non-reflected light within the active layer in the thin-film solar cells. Using optical simulation methods, transfer matrix method (TMM), finite-difference time-domain approach (FDTD), and ray-tracing, as well as analytical approaches, material independent optical optimization guidelines are provided for achieving higher optical absorption under ideal and practical conditions. Simple and effective empirical algorithms are developed to replace simulations. Developed algorithms are applied to various thin-film solar cell technologies; particularly, perovskite, organic, and CdTe solar cells. Besides, optoelectronic effects of transparent conductive oxides in thin-film solar cells are discussed. Using the simultaneous optimization of optoelectronic properties of cell geometries, we develop a roadmap for the perovskite solar cells that can increase their efficiency and at the same time decrease the fabrication costs. Secondly, we have presented a low-cost rear reflector material for silicon solar cells to eliminate the metal parasitic absorption. Using a combination of three different optical simulations methods (TMM, Ray Tracing, and FDTD), optical interaction mechanisms are quantized. Lastly, using a combination of thin-film and silicon solar cell technologies, we provide a detailed investigation of CdZnTe-Si tandem solar cells. We present theoretical limits of CdZnTe-Si tandem solar cells using a combined optical and electrical simulations environment. We investigate the effect of the top cell absorber bandgap on the optimum optical and electrical trends. Light management strategies provided in this thesis can be beneficial for researchers developing various types of solar cells, not necessarily skilled in optics.
Benzer Tezler
- Yüksek optik performanslı polimer tabanlı güneş hücre yapılarının geliştirilmesi
Development of high optical performance polymer-based solar cell structures
ERMAN ÇOKDUYGULULAR
Doktora
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaMühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERKAN EMİK
PROF. DR. BARIŞ KINACI
- Development and characterization of ceramic nanofiber membranes for dye removal from textile wastewater
Tekstil atıksularından boya giderimi için seramik nanofiber membranların geliştirilmesi ve karakterizasyonu
NURAY YERLİ SOYLU
Doktora
İngilizce
2024
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
- Novel metal assisted etching technique for enhanced light management in black crystalline si solar cells
Siyah kristal si güneş gözelerinde geliştirilmiş ışık yönetimi amaçlı yeni bir metal destekli aşındırma tekniği
FIRAT ES
Doktora
İngilizce
2016
EnerjiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAŞİT TURAN
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Surface coverage control of self organized plasmonic nanostructures at interfaces of photovoltaics related materials
Fotovoltaik malzemelerin arayüzlerinin kendiliğinden oluşumlu plazmonik nano yapılarla kontrollü oranda kaplanması
GİZEM BİRANT
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPAN BEK