Projeto fotônico e avaliação elétrica de células solares de função dupla para conversão de energia e aplicações de exibição

Resumo

As células solares coloridas (SCs) são altamente úteis para aplicações em sistemas fotovoltaicos integrados a edifícios estéticos (BIPVs). No entanto, os projetos teóricos focam principalmente na qualidade da cor, raramente abordando as respostas optoeletrônicas. Aqui, considerando a tela colorida e a avaliação elétrica completa, relatamos um a-Si:H SC controlado por cor em configuração puramente plana, que exibe simultaneamente a cor de alta pureza desejada e mantém uma eficiência de conversão de energia relativamente alta. A tela colorida de alto desempenho é realizada por designs fotônicos de filme fino incorporando refletor Bragg distribuído e camadas de revestimento anti-reflexo. Além disso, uma simulação optoeletrônica abrangente abordando a física do semicondutor eletromagnético e interno foi realizada, o que mostra que as eficiências de conversão de energia dos SCs vermelho-verde-azul (RGB) projetados podem ser 4,88%, 5,58% e 6,54%, respectivamente . Os princípios físicos de otimização dos SCs coloridos com o matiz ajustável, alta saturação e brilho são explicados, e tomamos o logotipo da “Soochow University” como um exemplo para demonstrar a exibição do padrão de grande angular pelos SCs. O estudo abre caminho para a realização de SCs coloridos voltados para aplicações estéticas de BIPV.

Histórico

Na esteira da crise global de energia e da extensa urbanização, esforços significativos foram dedicados aos sistemas fotovoltaicos integrados a edifícios (BIPVs). Atenção particular tem sido dada para os edifícios de próxima geração (energia zero) com o consumo de eletricidade equivalente à geração [1,2,3,4,5]. Infelizmente, os dispositivos fotovoltaicos convencionais apresentam cores opacas ou pretas e, portanto, o BIPV baseado em tais células solares (SCs) não pode atender ao requisito de senso estético [6]. Recentemente, os SCs controlados por cores com os benefícios de exibir várias cores e padrões vívidos (além de suas funcionalidades de geração de eletricidade) estão atraindo interesses crescentes devido às suas grandes perspectivas de mercado [7, 8].

Por um lado, várias abordagens fotônicas podem ser usadas para controlar as respostas ópticas dos SCs para mostrar cores específicas, incluindo (1) o emprego de um filtro Fabry-Perot (FP) nos SCs para controlar a cor e a pureza adaptando o FP ressonância [9,10,11] e (2) incorporando uma camada de ajuste de cor (CAL) acima (ou atrás) da camada de óxido condutor transparente (TCO) ou substituindo o TCO por CAL completamente. Por exemplo, cristal fotônico condutor e seletivamente transparente (STCPC) pode ser usado como contato traseiro para controlar o espectro de transmissão e a cor através dos dispositivos BIPV [12, 13]; o refletor Bragg distribuído (DBR) pode ser integrado para exibir as cores dos SCs de filme fino e fotovoltaicos orgânicos [14, 15]. Apesar de a maior parte da literatura focar na obtenção da exibição em cores e na saída de eletricidade simultaneamente, a pureza da cor é menor e o espaço de cores é insuficiente para exibições de padrões. Além disso, esses métodos sacrificam muita eficiência de conversão de energia do SC para obter uma exibição em cores. SCs coloridos com purezas de cor mais altas são de grande importância para o desenvolvimento da tecnologia BIPV.

Por outro lado, a literatura teórica enfoca preferencialmente o projeto óptico dos SCs a fim de exibir várias cores [6, 8, 16]; no entanto, sem examinar estritamente os comportamentos intrínsecos do portador dentro do dispositivo. Para o projeto de SCs, é altamente necessário investigar como o projeto óptico especial modifica os processos de geração, transporte e coleta de portadoras dentro das junções de semicondutores, que desempenham um papel fundamental na determinação da operação e desempenho de SCs [17,18, 19]. No entanto, uma simulação abrangente no nível do dispositivo para SCs altamente nanoestruturados é um desafio, uma vez que os dispositivos em questão mostram comportamentos multi-domínio muito complicados, por exemplo, com ressonâncias ópticas muito ricas e respostas de geração / recombinação / coleta de portadores que mostram fortes dependências no espaço, comprimento de onda , e muitos outros ingredientes [20,21,22]. Além disso, uma vez que a fabricação de tais SCs específicos é sempre demorada e cara, um design abrangente dos SCs coloridos, abordando as respostas fotônicas e também de portadora interna, é altamente benéfico para o desenvolvimento deste tipo de dispositivo solar.

Neste artigo, apresentamos um estudo optoeletrônico completo sobre os a-Si:H SCs com controle de cor. Opticamente, para realizar a tela vermelho-verde-azul (RGB) de alta pureza, apresentamos o DBR como o componente seletivo de cor e os revestimentos anti-reflexo de camada dupla (ARCs) adicionais como o componente de otimização de cor. Mostra que o espaço de cores obtido neste estudo pode ser comparável ao do sistema RGB padrão (sRGB). Eletricamente, a geração, transporte, recombinação e coleta intrínseca de elétrons e lacunas dentro dos SCs RGB a-Si:H projetados são endereçados para que uma lista completa dos desempenhos de fotoconversão do SC possa ser alcançada. Avaliando os espectros de eficiência quântica externa (EQE) e a tensão de corrente ( J - V ) características, descobrimos que as eficiências de conversão de energia dos SCs com cores vermelho, verde e azul de alta pureza são 4,88%, 5,58% e 6,54%, respectivamente. Finalmente, para demonstrar a possibilidade de imagens RGB, o logotipo da “Soochow University” é desenhado e realizado usando o a-Si com controle de cor:H SCs; o padrão exibido é bem sustentado sob uma grande variedade de ângulos de incidência.

Métodos

A resposta óptica é calculada resolvendo as equações de Maxwell por meio da análise rigorosa de ondas acopladas (RCWA) e COMSOL Multiphysics. A reflexão, absorção por cada camada, etc., podem ser obtidas. As características elétricas detalhadas (por exemplo, geração / recombinação / coleta de portadores) são obtidas pelo cálculo eletromagnético e de transporte de portadores, conforme apresentado detalhadamente em nossos artigos anteriores [17,18,19,20,21,22]. O espectro de reflexão óptica pode ser transformado em parâmetros relacionados no sistema de cores CIE, então a amostra de cor resultante pode ser obtida através de coordenadas de cromaticidade CIE. O cálculo dessa transformada segue uma série de padrões de cromaticidade desenvolvidos pela CIE. As espessuras de ZnS e ZnO são fixadas com base na lei ótica de filme fino e a espessura de SC é fixada em 500 nm. O coeficiente de refração complexo dos materiais é obtido do Palik [23]. Um tamanho de malha de 5 nm foi usado na região simulada, e camadas perfeitamente combinadas foram empregadas na condição de contorno para a simulação óptica. Para a simulação elétrica, são obtidas a equação de Poisson e as equações de transporte de portadores, nas quais a recombinação da superfície e o contato do metal são escolhidos como situações de contorno.

Resultados e discussão

Na Fig. 1 é mostrado o diagrama esquemático do proposto a-Si:H SC com controle de cor. De cima para baixo, consiste em camadas ARC, pilha DBR, camada de buffer e o a-Si:H SC. Aqui, a espessura da camada ativa a-Si:H é de 500 nm, que contém 30 nm (50 nm) de zona de dopagem do tipo n (tipo p). O material do eletrodo traseiro (frontal) para transporte de elétrons (buraco) é ZnO (ITO) com espessura de 100 nm (20 nm). A camada de buffer é composta de 55 nm TiO ₂ para reduzir o reflexo da luz [24] e melhorar a pureza da cor. O DBR é composto por 6 pares ZnS / ZnO com a espessura de um quarto de comprimento de onda para cada camada. Na verdade, a refletividade e a largura espectral desempenham papéis muito importantes na determinação da qualidade da cor. A refletividade ( R ) de DBR pode ser predicado analiticamente usando a seguinte equação [25]:
$$ R ={\ left [\ frac {n_0 {\ left ({n} _2 \ right)} ^ {2N} - {n} _s {\ left ({n} _1 \ right)} ^ {2N}} {n_0 {\ left ({n} _2 \ right)} ^ {2N} + {n} _s {\ left ({n} _1 \ right)} ^ {2N}} \ right]} ^ 2 $$ (1 )
onde n ₀ , n ₁ , n ₂ e n _s são os índices de refração do ar, as duas camadas DBR e o substrato, respectivamente; N é o número de pares DBR. A largura de banda de refletância (∆λ ₀ ) é [25]:
$$ \ Delta \ lambda =\ frac {4 {\ lambda} _0} {\ pi} arco \ sin \ left (\ frac {n_2- {n} _1} {n_2 + {n} _1} \ right) $$ ( 2)
onde λ ₀ é o comprimento de onda central do DBR. Observa-se que aumentando a diferença de n ₁ e n ₂ , R está ficando mais alto (ou seja, o brilho da cor aumentado), mas ∆λ ₀ e a saturação da cor é reduzida. Em conseqüência, uma diferença relativamente pequena de n ₁ e n ₂ junto com um relativamente grande N é usado para garantir uma alta saturação para apresentar alta pureza de cor e brilho.

Diagrama esquemático do proposto a-Si controlado por cor:H SCs (à esquerda) e a configuração detalhada do dispositivo (à direita)

De acordo com a ótica de filme fino, as espessuras DBR devem ser cuidadosamente projetadas a fim de exibir as cores RGB localizadas de forma diferente na faixa visível. Aqui, excluindo os SCs, primeiro examinamos a controlabilidade do espectro de reflexão DBR para exibição RGB. A Figura 2a mostra os espectros de reflexão de DBRs sob designs RGB, com a estrutura correspondente e as espessuras de filme fornecidas na Fig. 2b. Verificou-se que os reflexos atingem o pico em λ ₀ =625, 520 e 445 nm, respectivamente, que correspondem bem aos centros RGB. Além disso, os reflexos com pico são fortes o suficiente (ou seja, 74,82%, 72,1% e 76,31%) para garantir o brilho de exibição. Na verdade, para DBR, existem algumas ondas laterais fora da banda proibida. Essas ondas são prejudiciais para a obtenção de alta pureza de cor [26]. A Figura 2a verifica a existência de tais ondas laterais.

Respostas ópticas de DBRs e RGB a-Si:H SCs. a Espectros de reflexão DBR visando a exibição RGB. b Parâmetros estruturais e materiais do DBR projetado. Espectro de refletividade ( c ) e as coordenadas de cromaticidade CIE 1931 ( d ) do a-Si:H SCs com RGB DBRs no topo. Espectro de refletância ( e ) e as coordenadas de cromaticidade CIE 1931 ( f ) do a-Si:H SCs com controle de cor projetado. A gama de cores sRGB padrão é inserida em ( f ) para comparação

Acima do RGB, os DBRs agora estão integrados com o a-Si:H SCs, ou seja, RGB-DBR (parte superior) + SC (parte inferior). Os espectros de reflexão dos sistemas SC combinados visando a exibição RGB são mostrados na Fig. 2c. Observa-se primeiro que os comprimentos de onda centrais com a incorporação do SC foram ligeiramente desviados para o vermelho (de 625, 520 e 445 nm para 633, 528 e 453 nm para células R, G e B, respectivamente); além disso, as reflexões de pico também aumentaram para 87,66%, 82,52% e 79,44%, respectivamente. Isso é razoável, pois a inclusão do SC sob o DBR mudou a configuração do sistema e modificou a situação ressonante. Apesar disso, o efeito acima é relativamente fraco sem afetar a qualidade de exibição. No entanto, há de fato um ingrediente-chave que degrada fortemente a pureza da cor, ou seja, as ondas laterais muito intensas decorrentes das refletâncias aumentadas nas interfaces do SC. A Figura 2d representa as coordenadas de cromaticidade da Commission Internationale de L'Eclairage (CIE) 1931 para esses sistemas SC combinados. Para aplicações de exibição de padrões, quanto maior for o espaço de cores, mais elementos de cores ele contém e melhor será sua exibição [27]. Quando as cores primárias são fechadas para o limite em forma de língua, o maior espaço de cores pode ser obtido. No entanto, a Fig. 2d mostra que o RGB obtido está relativamente longe da fronteira; portanto, precisamos diminuir ainda mais a largura de banda de reflexão, bem como eliminar as ondas laterais.

Para melhorar o desempenho RGB, apresentamos ainda os ARCs de camada dupla (MgF ₂ e SnO ₂ ) junto com uma camada de buffer (TiO ₂ ) Os ARCs são configurados no topo de DBR e a camada de buffer é ensanduichada por DBR e a-Si:H SC como mostrado na Fig. 1. Com base na ótica de filme fino, a espessura dos ARCs pode ser controlada por [28]:
$$ {n} _t ^ 2 ={n} _b ^ 2 \ cdot \ frac {n_0} {n_s} \ mathrm {e} \ {d} _t =\ frac {\ lambda_0} {4 {n} _t}; \ kern0.5em {d} _b =\ frac {\ lambda_0} {4 {n} _b} $$ (3)
onde n ₀ , n _t , n _b e n _s são os índices de refração do ar, camada superior, camada inferior e substrato, respectivamente; d _t e d _b são as espessuras das camadas superior e inferior, respectivamente. Representados na Fig. 2e estão os espectros de reflexão do a-Si:H SCs com controle de cor projetado com ARCs, DBR e camada de buffer. É distinto que (1) os comprimentos de onda de pico são 625, 515 e 445 nm, próximos aos dos DBRs independentes; (2) as larguras de banda ressonantes são fortemente diminuídas para a célula com cores RGB; (3) as ondas laterais são dramaticamente suprimidas, mesmo em comparação com os resultados de DBRs isolados mostrados na Fig. 2a. Como esperado, após a introdução dos ARCs e das camadas de buffer, as diferenças do caminho óptico foram alteradas, variando a situação ressonante. Como resultado, os comprimentos de onda centrais, a largura de banda de reflexão e as ondas laterais do sistema são aprimorados. Portanto, os designs fotônicos avançados levam à cor desejada com qualidade de cor muito promovida, conforme comprovado pelas coordenadas de cromaticidade CIE 1931 na Fig. 2f. Em comparação com o sRGB, as diferenças de cor entre o RGB projetado e o sRGB são as seguintes:ΔE _R =16,8 para vermelho, ΔE _G =47,6 para verde e ΔE _B =41,7 para azul. Apesar das diferenças de cores mostrarem uma ligeira mudança entre o RGB projetado e o sRGB do que o observador percebe, o espaço de cores para nosso design é comparável ao do sRGB. Por exemplo, os espaços de cores RGB são aproximadamente iguais a 52,7% (72%) dos espaços de cores da National Television System Commission (NTSC) para os sistemas projetados e padrão, respectivamente.

Até agora, projetamos com sucesso os SCs a-Si:H com uma estratégia ótica de filme fino avançada. No entanto, para tal função de exibição, a resposta elétrica dos SCs será afetada inevitavelmente. Portanto, é necessário examinar a resposta optoeletrônica detalhada dos a-Si:H SCs com controle de cor. Nos últimos anos, realizamos estudos extensivos nas simulações de nível de dispositivo de SCs baseados em semicondutores, incluindo simulação optoeletrônica com o endereçamento de respostas eletromagnéticas e de transporte de portadora [17, 18], bem como a simulação optoelétrica-térmica avançada de SCs [19]. SCs com base em (1) vários materiais (por exemplo, Si, GaAs e a-Si:H) e (2) várias nanoestruturas (por exemplo, nanofio único, nanotexturas e junções duplas) foram explorados a fim de encontrar o formas de controlar os comportamentos multifísicos intrínsecos dentro dos CSs e melhorar as eficiências da fotoconversão [20,21,22]. Portanto, a resposta optoeletrônica dos SCs a-Si:H especialmente projetados apresentados neste artigo pode ser prontamente obtida executando a simulação optoeletrônica correspondente.

A Figura 3a-c mostra a absorção ( A ) e espectros EQE dos SCs RGB sob iluminação AM1.5. Em primeiro lugar, é mostrado que os espectros de absorção mostram quedas aparentes em comprimentos de onda específicos correspondentes aos picos de reflexão para as cores R, G e B, respectivamente. Isso ocorre porque a função de exibição de cores requer os reflexos de luz específicos na faixa visível; assim, a absorção óptica ( A ) e a resposta elétrica (EQE) dos SCs será afetada inevitavelmente, levando a uma diferença substancial no EQE e A para SCs vermelhos, verdes e azuis. Além disso, na banda de comprimento de onda inferior a 380 nm, podemos ver que a luz é quase totalmente absorvida pela camada superior de ITO; portanto, a absorção e o EQE correspondentes são próximos de zero. Apesar disso, a absorção geral do dispositivo é boa o suficiente para mostrar o A com pico mais de 80%. Em segundo lugar, uma vez que a-Si:H SC é considerado neste estudo, o efeito de recombinação do portador existe quase em toda a banda espectral válida (porque a camada ativa é muito fina) de modo que o EQE é sempre inferior a A . As características de corrente-tensão correspondentes ( J - V curvas) são plotados na Fig. 3d, onde a inserção mostra a densidade de corrente de curto-circuito detalhada ( J _SC ), tensão de circuito aberto ( V _OC ), fator de preenchimento (FF) e eficiência de fotoconversão (Eff) para as células RGB. Para comparação, um convencional a-Si:H SCs com 100 nm SiO ₂ camada anti-reflexo é usada e mostra uma eficiência de ~ 7,59%, que é semelhante ao relatório de Anderson et al. [16, 29]. Verificou-se que o design RGB não afeta obviamente o V oc e FF. É reconhecido que o V _OC e FF do SC são principalmente determinados pelas propriedades intrínsecas do material (por exemplo, intervalo de banda), concentração de dopagem da camada ativa e configuração do dispositivo; portanto, o design RGB afeta a absorção, ao invés do V _OC e FF. Como esperado, os SCs coloridos mostram as eficiências diminuídas devido ao propósito de exibição de cores. Mais detalhadamente, o SC azul tem eficiência máxima de 6,54%, enquanto o verde 5,58% e o vermelho 4,88%. O glóbulo vermelho mostra a maior redução de eficiência, pois a luz vermelha refletida tem a energia solar mais forte. Este é um sacrifício razoável para um SC multifuncional.

Absorção e espectros de EQE dos a-Si:H SCs com cor de a vermelho, b verde e c azul. d Curvas IV dos SCs a-Si:H projetados, onde o sistema original sem design RGB é incluído para referência. A tabela inserida mostra o J _SC , V _OC , FF e Eff

Deve-se notar que, se quisermos aumentar ainda mais a eficiência de conversão de energia, uma estrutura mais complexa poderia ser introduzida. Opticamente, por exemplo, (1) o efeito de captura de luz (por exemplo, o TCO com superfície texturizada) pode ser usado; (2) a superfície do TCO pode ser coberta com TiO ₂ Camadas anti-reflexo -ZnO (por exemplo, melhorar a eficiência quântica ~ 10% a 550 nm) [30]. Eletricamente, (1) uma técnica de deposição química em vapor de plasma triodo (PECVD) pode ser usada para diminuir o efeito de degradação induzida pela luz [31]; (2) nossa simulação optoeletrônica pode otimizar os comportamentos dinâmicos de transporte da portadora para deprimir ainda mais a recombinação da portadora e aumentar a produção de eletricidade [18]. Além disso, este princípio de projeto também é aplicável a outros tipos de SCs (por exemplo, Perovskita, Si cristalino, orgânico e SCs híbridos) [32]. Portanto, a eficiência de conversão de energia do SC colorido projetado pode ser aumentada por vários meios fotônicos ou elétricos.

A seguir, demonstramos a aplicação do a-Si:H SCs na exibição de padrões e arquitetura estética. A Figura 4 mostra o logotipo desenhado da Soochow University (parte superior esquerda), a parte ampliada do logotipo (parte superior central), as informações detalhadas da estrutura para designs RGB (direita) e os valores RGB correspondentes de sete cores no logotipo (parte inferior central ) (1) Existem sete elementos de cores no logotipo, compostos pelos elementos RGB primários. (2) Os quatro círculos são vermelhos, os vocabulários da parte inferior do anel externo são verdes e os caracteres chineses no topo do anel externo são azuis diretamente dos SCs de cor controlada. (3) O fundo exibe uma cor roxa em cinza, consistindo em contribuições RGB iguais. O valor RGB no logotipo representa os três componentes de vermelho, verde e azul. Por exemplo, para vermelho, quanto menores forem os valores de verde e azul, maior será a saturação de cor [33]. Portanto, a saturação das cores vermelha e azul é maior que a do verde, levando ao maior número de valores R e B do que G na cor de mistura e a torna roxa [34]. (4) Os valores RGB não são grandes o suficiente em comparação com o valor máximo de 255, levando a um baixo brilho e cor cinza. Os caracteres chineses centrais são magenta, consistindo em vermelho e azul iguais, conforme mostrado pela ilustração ampliada no canto superior direito da Fig. 4. (5) A aberração cromática do magenta é menor do que as outras cores de mistura devido à melhor proporção de componentes RGB. Os “SOOCHOW” (UNIVERSIDADE) são ciano (amarelo), consistindo em verde e azul (vermelho e verde), respectivamente. Ambos têm problemas de desequilíbrio proporcional RGB e baixo brilho. Embora haja espaço para melhorias adicionais, o padrão é claro e distinguível como um todo.

Logo da Soochow University, com pixels compostos por RGB a-Si:H SCs. A inserção mostra a composição microscópica de pixels, os detalhes da estrutura de RGB a-Si:H SCs e os valores RGB de mapas de cores misturados pelas três cores primárias

Em aplicações práticas, ao contrário dos SCs nanoestruturados, os SCs RGB propostos em configuração planar podem ser fabricados por processos de fabricação comercial muito desenvolvidos [35]. Na parte inferior, há uma célula solar representativa a-Si:H com uma estrutura p-i-n. Em primeiro lugar, a camada de silício amorfo tipo n (na-Si:H) é depositada em um substrato revestido com TCO (vidro ou plástico) por PECVD, silício amorfo intrínseco (ia-Si:H) e silício amorfo tipo p ( camadas pa-Si:H) são seguidas pelo mesmo método. Então, o eletrodo superior é geralmente a camada de TCO, que é depositada por pulverização catódica [36]. Em seguida, a camada tampão é depositada no a-Si:H SC completo, seguida pela camada alternada de DBR usando pulverização catódica [37]. Eventualmente, RGB a-Si:H SCs é concluído depositando os ARCs de camada dupla superior com pulverização catódica de magnetron. No processo de preparação, é possível uma variação da espessura de 1 a 5%. Portanto, a fim de investigar o efeito da variação das espessuras, introduzimos uma variação aleatória da espessura (por exemplo, de -5% a 5%) para cada camada. Os resultados da simulação mostram que as diferenças de cor (ΔE) variam de 1,9 a 11,2 para o vermelho, 1,3 a 15,7 para o verde e 0,5 a 2,9 para o azul. É óbvio que os SCs azuis têm a melhor tolerância ao efeito da variação das espessuras. Embora as diferenças de cor para o vermelho (verde) sejam de até 11,2 (15,7), os valores médios delas giram em torno de 4,3 (8). Além disso, investigamos a variação da espessura (por exemplo, - 5% e 5%) para cada camada no Eff de SC, o Eff correspondente mostra uma pequena variação na faixa de -0,1% a 0,4% para os SCs RGB. Assim, podemos considerar que a eficiência do SC é robusta contra os desvios de espessura típicos do DBR e ARCs em experimentos.

Finalmente, investigamos o efeito do ângulo de incidência nas cores projetadas. A Figura 5a mostra como as cores RGB projetadas evoluem com o aumento do ângulo de incidência ( θ ) Obviamente, os SCs azuis e verdes têm melhores tolerâncias contra a incidência inclinada, em comparação com o vermelho cuja cor foi alterada do vermelho ( θ =0 °) para verde ( θ > 70 °). Para comparação, a Fig. 5b mostra os loci das cores RGB projetadas nas coordenadas de cromaticidade CIE 1931 com θ continuamente crescente . De acordo com o diagrama CIE, a saturação de todas as cores diminui com o aumento de θ , especialmente sob um grande θ =80 °, onde as cores estão muito próximas do ponto E (o ponto de saturação mais baixo). A Figura 5c mostra o logotipo da Soochow University sob diferentes ângulos de incidência. O logotipo de destino é composto por sete cores padrão e cada cor possui o matiz, a saturação e o brilho mais padrão. O RGB padrão é composto das cores vermelho, verde e azul padrão com outras cores geradas a partir de suas combinações. Ambos são usados para fins de comparação. É claro que o logotipo é legível mesmo sob grandes ângulos de incidência; no entanto, as cores do padrão foram alteradas em algum grau com o aumento do ângulo de incidência. Isso deixa espaço para mais otimização no futuro.

a As evoluções das cores RGB mostradas pelos a-Si:H SCs projetados com o ângulo de incidência. b As variações das posições RGB no CIE 1931 são coordenadas com o aumento do ângulo de incidência. c Os padrões do logotipo exibidos pelo a-Si:H SC sob vários ângulos incidentes (0 °, 30 °, 45 ° e 60 °). Em c , o logotipo de destino e o logotipo por RGB padrão são incluídos para comparação

Conclusões

Em resumo, propusemos o filme fino a-Si:H SCs para geração de eletricidade e aplicação de exibição simultaneamente para a consideração de BIPVs de novo tipo. A exibição RGB básica é controlada pelos DBRs e o desempenho do sistema do a-Si:H SC controlado por cor é otimizado pela aplicação de camadas ARC e buffer. As estratégias óticas de filme fino avançadas permitem que o a-Si:H SC exiba as cores vermelha, verde e azul de alta pureza, com espaço de cor comparável ao do sRGB. Examinamos ainda o desempenho elétrico com base no modelo optoeletrônico de SCs controlados por cor, que mostram que as eficiências de conversão de energia podem ser 4,88%, 5,58% e 6,54% para células R, G e B, respectivamente. As células RGB são projetadas para exibir com sucesso o logotipo da Soochow University, que pode ser facilmente distinguido mesmo sob um ângulo de incidência muito grande. Em comparação com os SCs nanoestruturados, os a-Si:H SCs propostos em configuração planar podem ser fabricados por processos de fabricação comercial muito desenvolvidos. Embora apenas SCs a-Si:H sejam investidos, como o princípio da tela colorida e o sistema de avaliação elétrica de SCs controlados por cores podem ser aplicados a outros tipos de SCs. Além disso, esse painel colorido pode ser aplicado nas paredes ou tetos de edifícios modernos para exibir um padrão, tornando a arquitetura estética.

Abreviações

A :

Absorção

ARCs:

Revestimentos anti-reflexo

BIPVs:

Fotovoltaica integrada à construção

CAL:

Camada de ajuste de cor

CIE:

Commission Internationale de L'Eclairage

DBR:

Refletor Bragg Distribuído

Eff:

Eficiência de fotoconversão

EQE:

Eficiência quântica externa

FF:

Fator de preenchimento

F-P:

Fabry-Perot

J sc:

Densidade de corrente de curto-circuito

J - V :

Corrente electrica

NTSC:

Comissão do sistema nacional de televisão

PECVD:

Deposição de vapor químico intensificada por plasma

R :

Refletividade

RCWA:

Análise rigorosa de ondas acopladas

RGB:

Vermelho-verde-azul

SCs:

Células solares

sRGB:

Vermelho-verde-azul padrão

STCPC:

Cristal fotônico seletivamente transparente e condutor

TCO:

Óxido condutor transparente

V oc:

Voltagem de circuito aberto

Dispositivo microfluídico fabricado diretamente em eletrodos impressos na tela para detecção eletroquímica ultrassensível de PSA Aumento da capacidade induzida por ciclagem de aerogel de grafeno / ânodo composto de nanomembrana de ZnO fabricado por deposição de camada atômica

Nanomateriais

Metal

Resina

fibra

Material compósito

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

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