Contribution to the characterization of emerging photovoltaics technologies in Lima-Peru

Abstract

This Doctoral Thesis contributed to forming a new photovoltaic (PV) laboratory in Lima-Peru, by developing an outdoor characterization system for PV modules. This system enables performance studies of different PV technologies under outdoor conditions. The new laboratory is the first of its kind in Peru due to its appropriate instrumentation for various PV performance research. This system was installed in the outdoor-PV laboratory of the Physics section (12◦2′S, 77◦1′W) at the Pontifical Catholic University of Peru (PUCP) in collaboration with the IDEA research group of the University of Jaén (UJA) in Spain. Seven PV modules of different technologies, and instruments are currently installed to measure environmental conditions. This system measures the current-voltage (I-V) curve of each PV module at five-minute intervals and simultaneously measures module temperature and irradiance. Additionally, the solar spectrum and environmental conditions are measured. With these experimental data, it is possible to carry out characterization and performance studies of PV modules or systems. The system started working in March 2019 and continues to work automatically to date. Three types of PV technologies began to be characterized: Aluminum Back Surface Field (Al- BSF), Hetero-junction with Intrinsic Thin-Layer (HIT), and Amorphous/micro-crystalline silicon tandem (a-Si/μc-Si). Four additional technologies were installed in 2020: Interdigitated Back Contact (IBC), Passivated Emitter Rear Totally Diffused (PERT), Amorphous Silicon (a- Si), and Copper Indium Gallium Selenide (CIGS). The first part describes the characterization system composed of an I-V curve tracer, a multiplexing system, and environmental sensors. PV modules, measuring instruments, sensors, components for circuit boards, and connection diagrams are listed. The automated control section describes the architecture of the software developed in LabVIEW for measurement, visualization, and data storage. In the second part, an analysis of the data extracted from the I-V curves is made, mainly in the maximum power point. For this, a methodology was developed to calibrate the PV modules outdoors. Simple methods such as Osterwald and Constant Fill Factor (FFk) were used to model the maximum power of HIT, Al-BSF, and tandem a-Si/μc-Si, for a year (May 2019 – April 2020). Next, the energy conversion efficiency is analyzed using the Performance Ratio (PR) in the following PV technologies: HIT, Al-BSF, tandem a-Si/μc-Si, IBC, PERT, a-Si, and CIGS for another year (March 2020 – February 2022). In the third part, an experimental study of the solar spectrum was carried out during one year (March 2019 – February 2020). The spectrum was characterized by the Average Photon Energy (APE). It was found that the yearly APE for the study period was 1.923 eV, indicating that the spectrum in Lima has a blue shift with respect to the AM1.5G standard spectrum. Additionally, the variation of the monthly APE during the year is negligible. Then, a theoretical evaluation of the Mismatch Factor (MM) and spectral gain was made for the spectral response (SR) of seven PV technologies: a-Si, Perovskite, CdTe, two CIGS with different SRs, multi-Si, and mono-Si. In the part of conclusions and future works, the objectives achieved and the current state of the research laboratory with the new systems and instruments installed are summarized. Finally, in the appendixes there is more detailed additional information on the circuits, algorithms, and mathematical arrangements that were necessary for the development of the thesis.

Esta Tesis Doctoral contribuyó a desarrollar un nuevo laboratorio fotovoltaico (FV) en la ciudad de Lima-Perú, mediante la implementación de un sistema de caracterización para módulos FV. Este sistema permite realizar estudios de rendimiento de diferentes tecnologías FV en condiciones exteriores. Este nuevo laboratorio es el primero de su tipo en Perú debido a su instrumentación especializada para diversas investigaciones de rendimiento FV. Este sistema fue instalado en el laboratorio de FV en los exteriores de la sección de Física (12◦2′S, 77◦1′O) de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP), en colaboración con el grupo de investigación IDEA de la Universidad de Jaén (UJA) de España. Actualmente se encuentran instalados siete módulos FV de diferentes tecnologías e instrumentos para medir las condiciones ambientales. Este sistema mide la curva de corriente-voltaje (I-V) de cada módulo FV a intervalos de cinco minutos y mide simultáneamente la temperatura del módulo FV, la irradiancia, el espectro solar y las condiciones ambientales. Con estos datos experimentales, es posible realizar estudios de caracterización y rendimiento de módulos o sistemas FV. El sistema comenzó a funcionar en marzo de 2019 y continúa funcionando automatizadamente hasta la fecha. Se empezaron a caracterizar tres tipos de tecnologías FV: campo de superficie posterior de aluminio (del inglés Al-BSF, Aluminum Back Surface Field), heterounión con capa delgada intrínseca (del inglés HIT, Heterojunction with Intrinsic Thin-Layer) y tándem de silicio amorfo/microcristalino (del inglés a-Si/μc-Si, Amorphous/microcrystalline silicon tandem). En el 2020 se instalaron cuatro tecnologías adicionales: contacto posterior interdigitado (del inglés IBC, Interdigitated Back Contact), emisor pasivo totalmente difuso posterior (del inglés PERT, Passivated Emitter Rear Totally Diffused), silicio amorfo (del inglés a-Si, Amoriv phous Silicon), y seleniuro de cobre, indio, galio (del inglés CIGS, Copper Indium Gallium Selenide). En el segundo capítulo se describe el sistema de caracterización compuesto por un trazador de curvas corriente-voltaje (I-V), un sistema de multiplexado y los intrumentos/sensores ambientales. Se enumeran los módulos FV, instrumentos de medición, sensores, componentes para placas de circuitos y diagramas de conexión. En la subcapítulo acerca del control automatizado, se describe la arquitectura del software desarrollado en LabVIEW para la medición, visualización y almacenamiento de datos. En el tercer capítulo se realiza un análisis de los datos extraídos de las curvas I-V, principalmente en el punto de máxima potencia. Para ello, se desarrolló una metodología de calibración de módulos FV en exteriores. Se utilizaron métodos simples, como Osterwald y factor de llenado constante (del inglés FFk, fill factor constant), para modelar la potencia máxima del HIT, Al-BSF y tándem a-Si/μc-Si, durante tres meses (mayo 2019 - abril 2020). A continuación, se analiza la eficiencia de conversión de energía utilizando el coeficiente de rendimiento (del inglés PR, performance ratio) en las siguientes tecnologías FV: HIT, Al-BSF, tándem a-Si/μc-Si, IBC, PERT, a-Si y CIGS por dos años (marzo 2020 – febrero 2022). En el cuarto capítulo se realiza un estudio experimental del espectro solar durante un año (marzo 2019 – febrero 2020). El espectro se caracterizó por la energía fotónica promedio (del inglés APE, average photon energy). Se encontró que el APE anual para el periodo de estudio fue de 1.923 eV, lo que indicó que el espectro en Lima tiene un corrimiento hacia el azul con respecto al espectro estándar AM1.5G. Adicionalmente, la variación del APE mensual durante el año es despreciable. Luego, se realizó una evaluación teórica del factor de desajuste espectral (del inglés MM, espectral mismatch factor) y la ganancia espectral para la respuesta espectral (del inglés SR, spectral response) de siete tecnologías fotovoltaicas: a-Si, Perovskita, CdTe (del inglés, cadmium telluride), dos CIGS con diferentes SR, multi-Si (del inglés, multicrystalline silicon) y mono-Si (del inglés, monocrystalline silicon). En las conclusiones y trabajos futuros, se resumen los objetivos conseguidos y el estado actual del laboratorio de investigación con los nuevos sistemas e instrumentos instalados. Finalmente, en los anexos se encuentra información adicional y mas detallada de los circuitos, algoritmos, y arreglos matemáticos que fueron necesarios para el desarrollo de la tesis.