Interfacial effects in organic solar cells

Solceller baserade på organiska halvledare erbjuder en möjlighet till storskalig och billig solenergiproduktion. Organiska halvledare har den fördelen att de är lösningsprocesserbara vilket gör att solceller och andra elektroniska komponenter baserade på dessa halvledare kan tillverkas vid låga temperaturer och med liten energiförbrukning. Nackdelen med dessa material är deras strukturella och energetiska oordning som leder till lägre effektivitet. För att organiska solceller ska kunna kommersialiseras krävs grundläggande insikter i de olika processer som begränsar effektiviteten. En stor del av forskningen om dessa processer har varit fokuserad kring egenskaperna av solcellens olika komponenter (de aktiva materialen) som sådana, medan gränsytorna mellan olika material har fått mindre uppmärksamhet. Gränsytor mellan olika material har distinkt olika egenskaper jämfört med ett rent material, och gränsytors olika egenskaper kan ha en väldigt stor inverkan på hur solcellerna fungerar. Syftet med denna avhandling är att klargöra några olika gränsyterelaterade effekter i organiska dioder och solceller. De gränsytor som behandlas är gränsytan mellan kontakten och det aktiva lagret (metall-organisk) och gränsytan mellan donor och acceptor (organisk-organisk). Resultaten visar att metall-organiska gränsytor måste designas noggrant för att begränsa förlust av effektivitet. En icke-idealisk kontakt leder till starkt reducerad effektivitet på grund av att elektronerna extraheras ineffektivt. Även till synes idealiska kontakter kan orsaka förluster genom spontan laddningsöverföring från metallen till det organiska lagret som effektivt sett minskar på den spänning som cellen kan alstra. Den organisk-organiska gränsytan påverkar hur mycket ström cellen kan alstra och beroende på gränsytans beskaffenhet kan de negativa rekombinationsprocesserna i materialet kontrolleras. ------------------------------------------------- Orgaanisille puolijohteille perustuvat aurinkokennot mahdollistavat suurimuotoisen ja edullisen aurinkoenergiatuotannon. Orgaanisten puolijohteiden etu on että ne voidaan liuottaa, jolloin aurinkokennot ja muut näille johteille perustuvat elektroniset komponentit voidaan valmistaa alhaisessa lämpötilassa kuluttaen vähän energiaa. Materiaalien huonona puolena on kuitenkin niiden rakenteellinen ja energeettinen epäjärjestys, jonka seurauksena niiden tehokkuus on huonompi. Orgaanisten aurinkokennojen kaupallistaminen edellyttää perustavanlaatuista ymmärystä tehokkuutta rajoittavista prosesseista. Aurinkokennotutkimus on pääosin keskittynyt aurinkokennon eri komponenttien (aktiivisten materiaalien) ominaisuuksiin, kun taas eri materiaalien rajapinnat ovat jääneet vähemmälle huomiolle. Eri materiaalien välisillä rajapinnoilla on huomattavan erilaisia ominaisuuksia verrattuna puhtaisiin materiaaleihin. Rajapintojen ominaisuudet voivat kuitenkin vaikuttaa merkittävästi aurinkokennojen toimintaan. Tämän väitöstutkimuksen tarkoituksena on selventää joitain rajapintoihin liittyviä toimintoja orgaanisissa diodeissa ja aurinkokennoissa. Käsiteltävät rajapinnat ovat rajapinta kontaktin ja aktiivisen kerroksen välillä (metallis-orgaaninen) ja rajapinta donorin ja akseptorin välillä (orgaanis-orgaaninen). Tutkimustulokset osoittavat, että metallis-orgaaniset rajapinnat tulee suunnitella huolellisesti, jotta tehokkuuden alenemista voidaan rajoittaa. Mikäli kontakti ei ole ideaalisti suunniteltu, vähenee tehokkuus huomattavasti, mikä johtuu elektronien tehottomasta ekstrahoinnista. Jopa ideaalisilta vaikuttavat kontaktit voivat johtaa tehokkuuden alenemiseen, mikäli varaus siirtyy spontaanisti metallista orgaaniseen kerrokseen, sillä tämä alentaa jännitettä jonka kenno voi tuottaa. Kennon orgaanis-orgaaninen rajapinta vaikuttaa siihen, kuinka paljon virtaa kenno pystyy tuottamaan. Rajapinnan ominaisuuksista riippuen materiaalin rekombinaatio on hallittavissa.

Kerrostalon kiinteistösähkönkulutuksen kompensointi aurinkosähköjärjestelmällä

Aurinkopaneeleiden hinta on laskenut reilusti viime vuosien aikana. Hinnan laskun seurauksena aurinkosähköjärjestelmiä on asennettu paljon yksityisiin rakennuksiin sekä Suomessa että muualla maailmassa. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan kerrostalon kiinteistösähkönkulutuksen kompensointia aurinkosähköjärjestelmällä. Kompensointia tutkitaan, koska näin saadaan taloudellisesti paras hyöty aurinkosähköjärjestelmästä. Kerrostalon kiinteistösähkönkulutuksella tarkoitetaan talon teknisten järjestelmien kuluttamaa sähköä. Järjestelmän sijoitusta tutkitaan katolle ja parvekekaiteisiin. Katolle sijoitettuna aurinkopaneelien tuotantoa tutkitaan siten, että paneelit ovat asennettu 45° ja 15° tasokulmaan. Aurinkosähköjärjestelmän investoinnin kannattavuutta tutkitaan taloyhtiön näkökulmasta.

Analyzing the Effects of the New Renewable Energy Policy in Russia on Investments into Wind, Solar and Small Hydro Power

This thesis presents an analysis of recently enacted Russian renewable energy policy based on capacity mechanism. Considering its novelty and poor coverage by academic literature, the aim of the thesis is to analyze capacity mechanism influence on investors’ decision-making process. The current research introduces a number of approaches to investment analysis. Firstly, classical financial model was built with Microsoft Excel® and crisp efficiency indicators such as net present value were determined. Secondly, sensitivity analysis was performed to understand different factors influence on project profitability. Thirdly, Datar-Mathews method was applied that by means of Monte Carlo simulation realized with Matlab Simulink®, disclosed all possible outcomes of investment project and enabled real option thinking. Fourthly, previous analysis was duplicated by fuzzy pay-off method with Microsoft Excel®. Finally, decision-making process under capacity mechanism was illustrated with decision tree. Capacity remuneration paid within 15 years is calculated individually for each RE project as variable annuity that guarantees a particular return on investment adjusted on changes in national interest rates. Analysis results indicate that capacity mechanism creates a real option to invest in renewable energy project by ensuring project profitability regardless of market conditions if project-internal factors are managed properly. The latter includes keeping capital expenditures within set limits, production performance higher than 75% of target indicators, and fulfilling localization requirement, implying producing equipment and services within the country. Occurrence of real option shapes decision-making process in the following way. Initially, investor should define appropriate location for a planned power plant where high production performance can be achieved, and lock in this location in case of competition. After, investor should wait until capital cost limit and localization requirement can be met, after that decision to invest can be made without any risk to project profitability. With respect to technology kind, investment into solar PV power plant is more attractive than into wind or small hydro power, since it has higher weighted net present value and lower standard deviation. However, it does not change decision-making strategy that remains the same for each technology type. Fuzzy pay-method proved its ability to disclose the same patterns of information as Monte Carlo simulation. Being effective in investment analysis under uncertainty and easy in use, it can be recommended as sufficient analytical tool to investors and researchers. Apart from described results, this thesis contributes to the academic literature by detailed description of capacity price calculation for renewable energy that was not available in English before. With respect to methodology novelty, such advanced approaches as Datar-Mathews method and fuzzy pay-off method are applied on the top of investment profitability model that incorporates capacity remuneration calculation as well. Comparison of effects of two different RE supporting schemes, namely Russian capacity mechanism and feed-in premium, contributes to policy comparative studies and exhibits useful inferences for researchers and policymakers. Limitations of this research are simplification of assumptions to country-average level that restricts our ability to analyze renewable energy investment region wise and existing limitation of the studying policy to the wholesale power market that leaves retail markets and remote areas without our attention, taking away medium and small investment into renewable energy from the research focus. Elimination of these limitations would allow creating the full picture of Russian renewable energy investment profile.

Aurinkosähkön mikrotuotanto Suomessa

Tässä kandidaatintyössä käydään läpi aurinkosähkön kehitystä ja kannattavuutta Suomessa. Aurinkosähkön kehityksen osalta keskitytään aurinkopaneelien tekniikan ja aurinkosähkön tuotannon kehittymistä viime vuosina. Pienten aurinkosähköjärjestelmien hinnat ovat laskeneet viime vuosina siten, että sähkön kuluttajien oman paikallisen tuotannon kannattavuus on noussut merkittävästi. Työssä käsitellään aluksi aurinkosähköä yleisellä tasolla, jonka jälkeen pääpaino siirtyy aurinkosähkön mikrotuotantoon Suomessa. Kannattavuutta tutkitaan työssä esisuunniteltavan laitoksen avulla. Esisuunnittelussa tutkitaan kohdekiinteistön pohjakuormaa erityisesti tuotantohuippujen aikana. Tällä varmistetaan, että esisuunniteltavan järjestelmän sähköntuotanto pystytään kuluttamaan itse. Näin saavutetaan suurin hyöty. Aurinkosähköjärjestelmällä tuotetusta sähköstä saadaan tällä hetkellä noin 2,5 kertaa suurempi hyöty, kun sähkö käytetään itse verrattuna siihen, että sähkö myytäisin energiayhtiöille. Aurinkosähköjärjestelmä kytketään kuitenkin valtakunnan verkkoon, jotta mahdollinen satunnaisesti syntyvä ylijäämätuotanto voidaan myydä sähköyhtiölle. Järjestelmän suunnittelun jälkeen käydään läpi järjestelmän hankinta ja asentaminen. Tämän jälkeen tutkitaan järjestelmän kannattavuutta määrittämällä kustannukset ja tuotannosta saatavat säästöt. Järjestelmälle lasketaan takaisinmaksuaika ja pohditaan riskejä. Yhteenvedossa käydään läpi aurinkosähkön mikrotuotannon mahdollisuuksia ja kannattavuutta Suomessa.

Modification of a quantum efficiency measurement system for multi-junction solar cells

In this thesis the basic structure and operational principals of single- and multi-junction solar cells are considered and discussed. Main properties and characteristics of solar cells are briefly described. Modified equipment for measuring the quantum efficiency for multi-junction solar cell is presented. Results of experimental research single- and multi-junction solar cells are described.

Aurinkosähkön taloudellinen kannattavuus erikoiskohteessa

Aurinkosähköjärjestelmät ovat yleistyneet viime vuosien aikana niin kotitalouksissa kuin julkisissa rakennuksissakin aurinkopaneeleiden suopean hintakehityksen myötä. Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan aurinkosähköjärjestelmän kannattavuutta erikoiskohteessa Lapissa Tervolan kunnan alueella sijaitsevalla huoltoasemalla. Työssä aurinkosähköntuotannon ajoittumista kulutuksen suhteen lähdetään selvittämään vertailemalla simuloinnin avulla saatuja tuotantoennusteita huoltoaseman sähkönkulutusprofiiliin. Sähkönkulutusprofiilin tiedot perustuvat etäluettavan mittarin tuntikulutus mittauksiin. Investoinnin kannattavuutta tarkastellaan takaisinmaksuajan mukaan simuloinnista saatujen tuotantoennusteiden ja muiden takaisinmaksuaikaan vaikuttavien parametrien avulla. Lopuksi takaisinmaksuaikaa tarkastellaan vielä herkkyysanalyysien avulla.

Energy Management System for LVDC Island Networks

Recent developments in power electronics technology have made it possible to develop competitive and reliable low-voltage DC (LVDC) distribution networks. Further, islanded microgrids—isolated small-scale localized distribution networks— have been proposed to reliably supply power using distributed generations. However, islanded operations face many issues such as power quality, voltage regulation, network stability, and protection. In this thesis, an energy management system (EMS) that ensures efficient energy and power balancing and voltage regulation has been proposed for an LVDC island network utilizing solar panels for electricity production and lead-acid batteries for energy storage. The EMS uses the master/slave method with robust communication infrastructure to control the production, storage, and loads. The logical basis for the EMS operations has been established by proposing functionalities of the network components as well as by defining appropriate operation modes that encompass all situations. During loss-of-powersupply periods, load prioritizations and disconnections are employed to maintain the power supply to at least some loads. The proposed EMS ensures optimal energy balance in the network. A sizing method based on discrete-event simulations has also been proposed to obtain reliable capacities of the photovoltaic array and battery. In addition, an algorithm to determine the number of hours of electric power supply that can be guaranteed to the customers at any given location has been developed. The successful performances of all the proposed algorithms have been demonstrated by simulations.

Characterization and Investigation on Material Compatibilities of Building Integrated Photovoltaic Module Components

Building Integrated Photovoltaics (BIPV) are considered as the future of photovoltaic (PV) technology. The advantage of BIPV system is its multi-functionality; they fulfil the functions of a building envelope with the added benefit of generating power by replacing the traditional roofing and façade materials with PV that generate power. In this thesis, different types of PV cells and modules have been described in detail with their efficiencies and usage trends in the last decade. The different BIPV products for roof and façade are discussed in detail giving several examples. The electricity generation potential of BIPV in selected countries is compared with their actual electricity consumption. Further, the avoided greenhouse gas (GHG) emissions associated with electricity generation from traditional sources and transportation and distribution (T&D) losses are calculated. The results illustrate huge savings in GHGs. In BIPV different types of façade and backsheets are used. In this thesis, selected backsheets and façade were characterized in terms of their surface structure identification using infrared spectroscopy (FTIR-ATR), scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray (SEM-EDX) and physical characterization using surface energy measurements. By using FTIR-ATR, surface polymeric materials were identified and with SEM-EDX, identification of the surface elements was possible. Surface energy measurements were useful in finding the adhesives and knowing the surface energies of the various backsheets and façade. The strength of adhesion between the facade and backsheets was studied using peel test. Four different types of adhesives were used to study the fracture pattern and peel tests values to identify the most suitable adhesive. It was found out that pretreatment increased the adhesive strength significantly.

Physiological quality of coffee seeds produced under different levels of solar radiation and maturation stages

In Brazil, although the coffee plantations are predominantly grown under full sunlight, the use of agroforestry systems can lead to socioeconomic advantages, thus providing a favorable environment to the crop by promoting its sustainability as well as environmental preservation. However, there is a lack of information on physiological quality of the coffee seeds produced under different levels of solar radiation. Within this context, the objective of this study was to evaluate the influence of different levels of solar radiation and maturation stages on the physiological quality of coffee (Coffea arabica L.) seeds, cv. Acaiá Cerrado MG-1474. Three levels of solar radiation (plants grown under full sunlight; under plastic screens of 35% shading; and under plastic screens of 50% shading) and three maturation stages (cherry, greenish-yellow and green) were assessed. Physiological quality of seeds was assessed by using germination test, first count of germination, abnormal seedlings, dead seeds, and seedlings with open cotyledonary leaves. Electrophoretic analysis of isoenzymes catalase, esterase, superoxide dismutase and peroxidase was also performed. With the evolution of development the coffee seeds presents increases on physiological quality, and at its beginning the seeds show improvements on quality with the reduction of solar radiation.

Two-dimensional drift-diffusion simulation of organic solar cells

The aim of this master's thesis is to develop a two-dimensional drift-di usion model, which describes charge transport in organic solar cells. The main bene t of a two-dimensional model compared to a one-dimensional one is the inclusion of the nanoscale morphology of the active layer of a bulk heterojunction solar cell. The developed model was used to study recombination dynamics at the donor-acceptor interface. In some cases, it was possible to determine e ective parameters, which reproduce the results of the two-dimensional model in the one-dimensional case. A summary of the theory of charge transport in semiconductors was presented and discussed in the context of organic materials. Additionally, the normalization and discretization procedures required to nd a numerical solution to the charge transport problem were outlined. The charge transport problem was solved by implementing an iterative scheme called successive over-relaxation. The obtained solution is given as position-dependent electric potential, free charge carrier concentrations and current densities in the active layer. An interfacial layer, separating the pure phases, was introduced in order to describe charge dynamics occurring at the interface between the donor and acceptor. For simplicity, an e ective generation of free charge carriers in the interfacial layer was implemented. The pure phases simply act as transport layers for the photogenerated charges. Langevin recombination was assumed in the two-dimensional model and an analysis of the apparent recombination rate in the one-dimensional case is presented. The recombination rate in a two-dimensional model is seen to e ectively look like reduced Langevin recombination at open circuit. Replicating the J-U curves obtained in the two-dimensional model is, however, not possible by introducing a constant reduction factor in the Langevin recombination rate. The impact of an acceptor domain in the pure donor phase was investigated. Two cases were considered, one where the acceptor domain is isolated and another where it is connected to the bulk of the acceptor. A comparison to the case where no isolated domains exist was done in order to quantify the observed reduction in the photocurrent. The results show that all charges generated at the isolated domain are lost to recombination, but the domain does not have a major impact on charge transport. Trap-assisted recombination at interfacial trap states was investigated, as well as the surface dipole caused by the trapped charges. A theoretical expression for the ideality factor n_id as a function of generation was derived and shown to agree with simulation data. When the theoretical expression was fitted to simulation data, no interface dipole was observed.

Rakennukseen integroitavien aurinkosähköjärjestelmien soveltuvuus pohjoismaisiin olosuhteisiin

Tässä työssä esitellään aurinkosähköjärjestelmien rakenne, toiminta ja niille sopivia käyttökohteita. Työn tavoitteena on arvioida teknillistaloudellisesti rakennukseen integroitujen aurinkosähköjärjestelmien soveltuvuutta Pohjoismaisiin olosuhteisiin. Tekninen arviointi toteutetaan pohjautuen kirjallisuuteen, käytännön analysointiin ja simuloituihin tuloksiin. Taloudellinen arviointi sisältää lisäksi myös laskennallista analysointia. Aurinkosähköjärjestelmän toiminnan arvioinnissa päädyttiin hyödyntämään aiemmin aurinkosähköjärjestelmien suorituskyvystä julkaistuja materiaaleja. Käytössä olevien resurssien rajallisuus ei mahdollistanut tarpeeksi laajamittaisten suorituskykytestien toteuttamista. Teknisen arvioinnin perusteella saatiin selville merkittävimpien tekijöiden vaikutus rakennukseen integroitujen aurinkosähköjärjestelmien toimintaan. Teknillistaloudellisen arvioinnin perusteella julkisivumateriaalien korvaaminen aurinkopaneeleilla tulee harkita tapauskohtaisesti. Työ sisältää myös katsauksen olemassa olevista teknisistä ratkaisuista.

Keskikokoisen maatilan biokaasu- ja aurinkosähköratkaisujen kannattavuus Etelä-Savossa

Tässä kandidaatintyössä perehdytään biokaasun syntyprosessiin ja sen hyödyntämismahdollisuuksiin, sekä vertaillaan biokaasun tuotannon määrää Suomessa ja Saksassa. Työssä tarkastellaan biokaasuvoimalan kannattavuutta keskikokoisen maatilan yhteydessä Etelä-Savossa ja käydään läpi biokaasuvoimalalle Suomessa myönnettäviä tukimuotoja. Tukimuotojen lisäksi käydään läpi erilaisia lupia ja hyväksyntöjä, joita maatilan yhteyteen rakennettava biokaasu-voimalaitos tarvitsee. Työn toisessa osassa käydään läpi aurinkoenergian hyödyntämismahdollisuuksia, aurinkosähköjärjestelmän komponentteja, sekä perehdytään aurinkopaneelin toimintaperiaatteeseen. Tarkastellaan biokaasuvoimalan lisäksi myös aurinkovoimalan kannattavuutta maatilan yhteydessä ja vertaillaan biokaasu- ja aurinkovoimalan ominaisuuksia keskenään. Lisäksi vertaillaan aurinkosähkön tuotantoa Suomessa ja Saksassa. Työn tavoitteena on selvittää biokaasu- ja aurinkosähkövoimalan kannattavuus esimerkkimaatilalla. Biokaasulaitoksen hinta-arvio saatiin vastauksena tarjouspyyntöön ja aurinkosähköjärjestelmän hinta arvioitiin kotimaisten toimittajien aurinkosähköpakettien hintojen avulla. Biokaasuvoimalan sähköntuottoennuste sekä huolto- ja käyttökustannukset perustuvat kirjallisuudesta saatuihin arvoihin. Aurinkovoimalan sähköntuottoennuste ja paneelien suuntauksen vaikutusta tuotantoon laskettiin PVGIS:n laskurilla sekä HOMER-ohjelmistolla. Kannattavuuslaskelmien perusteella kumpikaan voimalaitostyyppi ei tutkituilla voimalaitosten suuruuksilla ole kannattava 20 tai edes 30 vuoden pitoajalla esimerkkimaatilalla nykyisellä sähkönhinnalla ja tukitasolla. Aurinkosähköjärjestelmälle saadaan kuitenkin 20 vuoden takaisinmaksuaika, jos se hankitaan ilman lainarahaa. Tällöin voidaan ajatella, että laitos on kannattava. Biokaasulaitoksen kannattavuutta parantaisivat tukien ja sähkön hinnan nousun ohella kaasun ja lämmön myyntimahdollisuudet, joita esimerkkimaatilalla ei ole. Aurinkovoimalan kannattavuutta parantaisivat puolestaan tukien ja korkeamman sähkön hinnan lisäksi paremmin paneelien tuotantoa seuraava kulutus, jolloin pienempi osuus sähköstä päätyisi myyntiin.

Traités publics de la royale maison de Savoie avec les puissances étrangères, depuis la paix de Cateau-Cambrésis jusqu'à nos jours. Tome 6 / publiés par ordre du roi et présentés à S. M. par le comte Solar de La Marguerite, premier secrétaire d'Etat pour les affaires étrangères, etc.

[Traité (recueil). Royaume de Sardaigne (français)]

Traités publics de la royale maison de Savoie avec les puissances étrangères, depuis la paix de Cateau-Cambrésis jusqu'à nos jours. Tome 3 / publiés par ordre du roi et présentés à S. M. par le comte Solar de La Marguerite, premier secrétaire d'Etat pour les affaires étrangères, etc.

[Traité (recueil). Royaume de Sardaigne (français)]