Impact of Solar Spectrum Variations on Current Matching in Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells

Abstract

Perovskite silicon tandem solar cells (PSTSCs) are a promising photovoltaic technology, as they can efficiently absorb light of multiple wavelength ranges, enabling efficiencies higher than perovskite and silicon solar cells alone. However, their long-term stability and operation in outdoor conditions remains a critical challenge. Current mismatch between the sub-cells, caused by spectral variations of incident light, can induce reverse-bias behaviour, and therefore degrade performance or even lead to cell breakdown. In this thesis, the stability of PSTSCs and the impact of spectral variations are considered through literature reviews of experimental aging and spectral studies, with the aim of understanding the gaps in current knowledge and guiding future research. To evaluate the current matching conditions of PSTSCs, these conditions are modelled through spectral data under Finnish outdoor conditions. Absolute current mismatch increased with higher irradiance and was found to be generally higher on clear days than on cloudy days, while the relative current match was more stable around midday and showed higher variability during mornings and evenings. Seasonal differences were observed, with winter days showing the lowest mismatch and other seasons showing greater overall variability. These findings highlight the notable effects of environmental conditions on current matching and outline possible ways to minimize current mismatch in future tandem designs.

Perovskiitti-pii tandemaurinkokennoja pidetään lupaavana aurinkosähköteknologiana, sillä niiden avulla voidaan absorboida tehokkaasti useiden eri aallonpituusalueiden valoa, mikä mahdollistaa paremman hyötysuhteen kuin perovskiitti- tai piiaurinkokennot saavuttaisivat yksinään. Niiden pitkäaikainen kestävyys ja käyttöikä erityisesti ulko-olosuhteissa ovat kuitenkin edelleen merkittävä haaste. Spektrin vaihteluista johtuva virran yhteensovituksen epäsuhtaisuus voi aiheuttaa virran kulkemista estosuuntaan, mikä heikentää kennojen suorituskykyä ja voi johtaa jopa niiden rikkoutumiseen. Tässä tutkielmassa tarkastellaan perovskiitti-pii tandemaurinkokennojen pitkäaikaista kestävyyttä sekä spektrin vaihteluiden vaikutusta kokeellisten ikääntymistutkimusten ja spektritutkimusten kirjallisuuskatsausten avulla. Tavoitteena on ymmärtää nykyisen tutkimuksen kehityskohtia sekä tunnistaa perovskiitti-pii tandemaurinkokennoille tarvittavaa tutkimusta tulevaisuudessa. Perovskiitti-pii tandemaurinkokennojen virran yhteensovitusolosuhteiden arvioimiseksi tutkielmassa mallinnetaan erilaisia olosuhteita, kuten eri vuorokaudenaikoja ja vuodenaikoja, mitatulla spektridatalla suomalaisissa olosuhteissa. Virran yhteensovituksen epäsuhtaisuus kasvoi auringonsäteilyn kasvaessa ja oli yleensä suurempi kirkkaina päivinä kuin pilvisinä päivinä. Suhteellisen virransovituksen epäsuhtaisuus taas pysyi usein vakaana keskipäivällä, mutta vaihteli enemmän aamuisin ja iltaisin. Myös vuodenaika vaikutti merkittävästi tuloksiin. Talvipäivinä virran epäsuhtaisuus oli pienin muihin vuodenaikoihin verrattuna. Nämä havainnot korostavat ympäristöolosuhteiden merkittävää vaikutusta virran sovittamiseen ja havainnollistavat mahdollisia tapoja pienentää virran epäsuhtaisuutta tulevaisuuden tandemaurinkokennoissa.