Performance Optimization of Luminescent Solar Concentrator Photovoltaic Systems

The purpose of this work is the optimization of photovoltaic systems based on luminescent solar concentrators, these devices are not a new concept but, so far, a thorough analysis of the performance of LSC systems with sizes practical for building integration applications is missing. For this reason in this work the performances of LSCs based on different dyes, different sizes and various optical configurations were analysed as well as the effect of self-absorption on the output spectrum, moreover the performances of the systems with different optical configurations were analysed under some possible shading conditions in order to identify the most efficient and convenient design non only under an ideal working exposure but also in a real world scenario. The prototypes were built after an extensive work of simulation of their optical behaviour aimed at selecting the most promising designs, in particular not only the efficiency has been taken into account but also the scalability of the modules to larger or smaller sizes and the ease of assembly: important features for a design that should undergo a technology transfer from research to industrialization. The first result obtained is that the feasibility of large size LSCs (up to one square metre) well above the common laboratory size of 5×5cm have been demonstrated, moreover, it has also been shown that the performances of LSC systems can be improved, while lowering cost at the same time, by using reflective layers to get a more uniform irradiance profile on the cells. Anyway the most remarkable result obtained so far is having demonstrated that systems employing a small number of cells and a reflective film on the remaining sides of the LSC can yield a higher efficiency than a traditional design with cells placed on four sides, moreover these systems have also demonstrated a lower sensitivity to shading losses which represents a fundamental result for a technology targeted at the building integration, highlighting the progress of luminescent solar concentrators from a mere laboratory research topic to a promising industrialisable technology.

Lo scopo di questo lavoro è l'ottimizzazione di sistemi fotovoltaici basati su concentratori solari a luminescenza, questi dispositivi non sono di nuova concezione ma, al momento, non è ancora disponibile un'analisi approfondita di sistemi dalle dimensioni adatte alla costruzione di dispositivi per integrazione architettonica. Per questa ragione, in questo lavoro, vengono analizzate le prestazioni di LSC costruiti impiegando diversi pigmenti, dimensioni e configurazioni ottiche così come l'effetto dell'auto-assorbimento sullo spettro di emissione del dispositivo, inoltre le differenti configurazioni ottiche sono state anche sottoposte a diverse condizioni di ombreggiamento così da identificare la più efficiente non solo in condizioni di lavoro ideali ma anche in uno scenario più simile alle reali condizioni di impiego di un dispositivo mirato all'integrazione architettonica. I prototipi sono stati costruiti a seguito di un ampio lavoro di simulazione del loro comportamento ottico mirato alla selezione delle configurazioni più promettenti, in particolare non è stata tenuta in considerazione solo l'efficienza ma anche la scalabilità del progetto e la facilità di assemblaggio: caratteristiche importanti per un prototipo che dovrebbe essere oggetto di trasferimento tecnologico dalla ricerca all'industria. Il primo risultato ottenuto è la dimostrazione della fattibilità di LSC di grandi dimensioni, ben oltre la comune dimensione da laboratorio di 5x5cm, inoltre, si è anche dimostrato come le prestazioni degli LSC possano essere incrementate con una contemporanea riduzione dei costi applicando pellicole riflettenti sui bordi così da uniformare il profilo di irradianza sulle celle. Tuttavia il risultato più significativo ottenuto è di aver dimostrato come sistemi con un ridotto numero di celle accoppiate a pellicole riflettenti poste sui lati rimanenti dell'LSC possano fornire un'efficienza maggiore rispetto ai sistemi tradizionali con le celle posizionate su quattro lati. Questi sistemi hanno anche mostrato una minore sensibilità agli effetti dell'ombreggiamento che rappresenta un risultato fondamentale per una tecnologia mirata all'integrazione architettonica, sottolineandone il progresso da argomento di ricerca a tecnologia con buone premesse di trasferimento verso l'industria.