title: Organische Solarmodule für gebäudeintegrierte Photovoltaik
title: Organic Solar Modules for Building Integrated Photovoltaics
Creators: name: Feroze, Sarmad
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Organic Photovoltaics

description: In 2022, a total installed PV capacity of 1 TWP was reached worldwide. However, this only accounts for 5% of global electricity consumption. To close this gap within the next 10 years, approximately 2 TWP of PV modules would need to be produced and installed annually, which is hardly achievable with conventional PV production technologies. Moreover, space for PV installations in highly industrialized and densely populated areas is becoming increasingly scarce. Therefore, the ideal solution would be the dual use of existing spaces, preferably in urban areas (i.e., close to consumers). Recently, organic photovoltaics (OPV) have achieved efficiencies of over 20%. These record efficiencies achieved in the laboratory are not far from those of inorganic thin-film technologies. The unique aspects of OPV enable many new applications. Prime examples are building-integrated photovoltaics and building-applied photovoltaics (BIPV/BAPV), where OPV can play a crucial role in future building planning and construction. The functional properties of OPV, such as transparency, flexibility, and very low module weight, allow the integration of OPV modules into building facades, windows, and shading areas, thereby transforming these building surfaces into energy producers. BIPV and BAPV are two key areas where the functional advantages of OPV could pave the way for market penetration. However, architectural constraints and the spatial arrangement of buildings often do not allow the installation of photovoltaic modules (PV) at the optimal angle. In almost all BIPV/BAPV systems, the PV modules are installed at a fixed, non-optimal tilt angle due to the architectural conditions of the building and are therefore rarely irradiated at perpendicular incidence angles. Parameters such as light intensity, spectral distribution of sunlight, module temperature (TMOD), and the angle of incidence at which the sunlight strikes the module play an important role in the electrical performance of each PV type. Therefore, testing OPV under field conditions is crucial for the development of technological OPV solutions for BIPV/BAPV. The aim of this work is to analyze the energy yield of OPV modules under real operating conditions in the context of BAPV and BIPV installations. The first part of this work (Chapter 4) focuses on evaluating the performance of a commercial OPV module in outdoor use to verify the measurement methodology used in this work. This chapter also includes the evaluation of the performance of the OPV module indoors regarding its angle dependence, light dependence, and temperature dependence. The results show that south-facing OPV modules offer a higher specific yield (YF) compared to m-Si reference modules for both the optimal tilt angle of 45° and a vertical facade installation, i.e., a tilt angle of 90°. The YF values of the OPV modules exceed those of the m-Si modules by 10-15% at a 45° tilt and by 30% at a vertical tilt. Detailed investigations revealed that the relative performance advantage of OPV over m-Si modules is due to a combination of a favorable temperature coefficient and relatively higher efficiencies under low light conditions. These factors are crucial for the high electrical fill factor (FF) of the OPV under real BIPV/BAPV operating conditions. The production of various OPV modules using solution-based processes, including roll-to-roll (R2R) methods, was investigated in Chapter 5. Different types of semi-transparent OPV modules were produced by combining various photoactive layer systems (PAL) with different charge transport layers. The stability analysis of the optimized modules selected for performance evaluation in outdoor use was carried out according to the ISOS protocols, including the long-term evaluation of the self-produced modules in the outdoor environment. The results of the long-term outdoor monitoring show that the energy yield of the OPV modules during the one-year monitoring period was significantly influenced by seasonal temperature fluctuations and the angle of incidence concerning the sun. The optical properties of the OPV module also significantly affect its performance for facade-integrated applications. To quantify the impact of the module properties on the energy yield under various operating conditions, a simulation model was developed that uses the laboratory-determined dependencies of module efficiency on light intensity, angle of incidence, and temperature for calculating the actual electrical performance of the modules. By considering the actual values of intensity, angle of incidence, and module temperature of the m-Si and OPV modules, the simulations for predicting the energy yield achieved an accuracy of 5% or better. This accuracy was sufficient to extract the degradation kinetics of the modules during outdoor weathering. Finally, the prototypes of the optimized modules were installed into a multifunctional building-integrated OPV facade (BIOPV) (Chapter 6). The data acquisition method developed in Chapter 4 was used for the energy yield calculations of the multifunctional BIOPV facade. The ability of BIPV to seamlessly integrate into the building envelope offered an aesthetic advantage and appealed to architects, builders, and property owners alike. This shows that semi-transparent OPV installations, due to their relatively high performance under real operating conditions and color-adjustable appearance, are excellently suited for BIPV applications, distinguishing them from conventional PV technologies.
description: Im Jahr 2022 wurde weltweit eine Gesamtkapazität installierter PV-Anlagen von 1 TWP erreicht. Dies entspricht jedoch nur 5 % des weltweiten Stromverbrauchs. Wenn diese Lücke innerhalb der nächsten 10 Jahre geschlossen werden soll, müssten jährlich etwa 2 TWP PV-Module produziert und installiert werden, was mit herkömmlichen PV-Produktionstechnologien kaum zu erreichen ist. Darüber hinaus wird der Platz für PV-Anlagen in hochindustrialisierten und dicht besiedelten Gebieten immer knapper. Ideal wäre daher die Doppelnutzung bestehender Flächen, vorzugsweise im städtischen Bereich (also verbrauchernah). In jüngster Zeit hat die organische Photovoltaik (OPV) Wirkungsgrade von über 20% erreicht. Diese im Labor erzielten Rekordeffizienzen sind nicht mehr weit entfernt von denen der anorganischen Dünnschichttechnologien. Die einzigartigen Aspekte der OPV ermöglichen viele neue Anwendungen. Paradebeispiele hierfür sind gebäudeintegrierte Photovoltaik und gebäudegebundene Photovoltaik (BIPV/BAPV), bei denen OPV eine entscheidende Rolle für zukünftige Gebäudeplanung und -konstruktion spielen kann. Die funktionalen Eigenschaften von OPV wie Transparenz, Flexibilität und ein sehr niedriges Modulgewicht ermöglichen die Integration von OPV-Modulen in die Fassaden-, Fenster- und Verschattungsbereiche des Gebäudes und verwandeln so diese Gebäudeflächen in Energieerzeuger. BIPV und BAPV sind zwei Schlüsselbereiche, in denen die funktionalen Vorteile von OPV den Weg für eine Marktdurchdringung ebnen könnten. Allerdings erlauben die architektonischen Einschränkungen und die räumliche Anordnung von Gebäuden oft nicht die Installation von Photovoltaikmodulen (PV) im optimalen Winkel. In fast allen BIPV/BAPV-Systemen werden die PV-Module aufgrund der architektonischen Gegebenheiten des Gebäudes in einem festen, nicht optimalen Neigungswinkel installiert und daher selten in senkrechten Einfallswinkeln bestrahlt. Parameter wie Lichtintensität, spektrale Verteilung der Sonneneinstrahlung, Modultemperatur (TMOD) und Einfallswinkel, unter dem die Sonneneinstrahlung auf das Modul trifft, spielen eine wichtige Rolle für die elektrische Leistung jedes PV-Typs. Das Testen von OPV unter Feldbedingungen ist daher von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung technologischer OPV Lösungen für BIPV/BAPV. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Energieausbeute von OPV-Modulen unter realen Einsatzbedingungen im Kontext einer BAPV- und BIPV-Installation zu analysieren. Der erste Teil dieser Arbeit (Kapitel 4) konzentriert sich auf die Bewertung der Leistung eines kommerziellen OPV-Moduls im Außeneinsatz, um die in dieser Arbeit verwendete Messmethodik zu überprüfen. Dieses Kapitel beinhaltet auch die Bewertung der Leistung des OPV-Moduls in Innenräumen hinsichtlich seiner Winkelabhängigkeit, Lichtabhängigkeit und Temperaturabhängigkeit. Die Ergebnisse zeigen, dass nach Süden ausgerichtete OPV-Module im Vergleich zu m-Si-Referenzmodulen sowohl für den optimalen Neigungswinkel von 45° als auch für eine vertikale Fassadeninstallation, also einen Neigungswinkel von 90°, einen höheren spezifischen Ertrag (YF) bieten. Die YF-Werte der OPV-Module übertreffen die der m-Si-Module um 10-15 % bei einer Neigung von 45° und um 30 % bei vertikaler Neigung. Detaillierte Untersuchungen ergaben, dass der relative Leistungsvorteil von OPV gegenüber m-Si Modulen auf einer Kombination aus einem vorteilhaften Temperaturkoeffizienten und relativ höheren Wirkungsgraden bei Schwachlicht beruht. Diese Faktoren sind entscheidend für den hohen elektrischen Füllfaktor (FF) der OPV unter realen BIPV/BAPV Einsatzbedingungen. Die Herstellung von unterschiedlichen OPV-Modulen mittels lösungsbasierter Prozesse, darunter auch Rolle-zu-Rolle (R2R)-Verfahren, wurde in Kapitel 5 untersucht. Verschiedene Arten von semitransparenten OPV-Modulen wurden durch die Kombination von unterschiedlichen photoaktiven Schichtsystemen (PAL) mit verschiedenen Ladungstransport schichten hergestellt. Die Stabilitätsanalyse der optimierten Module, die für die Leistungsbewertung im Außeneinsatz ausgewählt wurden, wurde gemäß den ISOS-Protokollen ausgeführt, einschließlich der langfristigen Bewertung der der selbst hergestellten Module im Außenbereich. Die Ergebnisse der langfristigen Außenüberwachung zeigen, dass die Energiegewinnung der OPV-Module während des einjährigen Überwachungszeitraums maßgeblich durch saisonale Temperaturschwankungen und durch den Einfallswinkel in Bezug auf die Sonne beeinflusst wurden. Auch die optischen Eigenschaften des OPV-Moduls wirken sich erheblich auf deren Leistung für fassadenintegrierte Anwendungen aus. Um den Einfluss der Moduleigenschaften auf die Energieausbeute unter verschiedenen Einsatzbedingungen quantifizieren zu können, wurde ein Simulationsmodell entwickelt, das die im Labor ermittelten Abhängigkeiten der Moduleffizienz von Lichtintensität, Einfallswinkel und Temperatur für die Berechnung der tatsächlichen elektrischen Leistung der Module verwendet. Durch die Berücksichtigung der tatsächlichen Werte der Intensität, des Lichteinfallswinkels und der Modultemperatur der m-Si und OPV-Module erreichten die Simulationen zur Vorhersage der Energieausbeute eine Genauigkeit von 5% oder besser. Diese Genauigkeit reichte aus, um die Degradationskinetik der Module während der Freiflächen-Bewitterung zu extrahieren. Abschließend wurden die Prototypen der optimierten Module in eine multifunktionale gebäudeintegrierte OPV-Fassade (BIOPV) installiert (Kapitel 6). Für die Energieertragsberechnungen der multifunktionalen BIOPV-Fassade wurde die in Kapitel 4 entwickelte Datenerfassungsmethode verwendet. Die Fähigkeit von BIPV, sich nahtlos in die Gebäudehülle einzufügen, bot einen ästhetischen Vorteil und sprach Architekten, Bauherren und Grundstückseigentümer gleichermaßen an. Dies zeigt, dass semi-transparente OPV Installationen aufgrund der relativ hohen Performance unter realen Einsatzbedingungen und des farblich anpassungsfähigen Erscheinungsbildes hervorragend für BIPV-Anwendungen geeignet sind, was sie von herkömmlichen PV-Technologien unterscheidet.