Outdoor experimental analysis of organic photovoltaic full-scale modules with a ZnO cathode blocking layer in real operating conditions

Recently, research on Organic Photovoltaic cells (OPV) addressed durability and performances issues of this technology, providing the knowledge for manufacturing upscaled commercial modules. One major advantage of OPV cells with respect to their inorganic equivalents is the ability to be printed through roll-to-roll (R2R) processes on polymeric substrates. This results in low-weight, flexible, semi-transparent, large area modules, produced quickly and at low costs. In this thesis work, large area commercial OPV modules are studied in an outdoor laboratory, therefore under external environmental conditions. Analyzed modules are made of OPV heterojunction cells with a ZnO cathode blocking layer. The presence of the ZnO introduces the need of a protracted exposure under UV light in order to activate the module and obtain stable electrical parameters. This phenomenon, already faced by literature for laboratory scale cells in indoor conditions, is studied in this work for large area modules activated under natural sunlight. IV curves’ and cell’s temperature acquisitions are performed at SolarTechLab of Politecnico di Milano for a period of time going from November 2019 until August 2020. More relevant electrical parameters (Isc, Voc, Pmpp and FF) are acquired covering a wide spectrum of meteorological conditions and different seasons. A comparison analysis of OPV modules with respect to better-known technologies, such as monocrystalline silicon and Copper-Indium Selenide (CIS) was conducted. Particular attention is given to the evolution of such parameters with respect to cell’s temperature, and an estimation of temperature coefficients is therefore given.

La ricerca nel campo delle celle fotovoltaiche organiche (OPV) si è concentrata negli ultimi anni sul miglioramento dell’efficienza di conversione e sull’aumento della vita utile, fornendo le basi per l’industrializzazione e la commercializzazione su larga scala di questa tecnologia. Uno dei maggiori vantaggi mostrati dai dispositivi fotovoltaici organici rispetto agli equivalenti inorganici è l’opportunità di stampare le celle su substrati polimerici attraverso tecniche roll-to-roll (R2R). La possibilità di stampare le celle consente una drastica riduzione dei costi di produzione. I moduli cos`ı prodotti sono inoltre intrinsecamente leggeri, flessibili e semi-trasparenti. L’obiettivo principale di questo lavoro è quello di studiare in reali condizioni ambientali esterne le prestazioni di un modulo fotovoltaico OPV pronto alla commercializzazione. I moduli analizzati sono costituiti da celle a eterogiunzione con uno strato trasportatore di elettroni in ossido di zinco. La presenza di ZnO richiede un’esposizione continua a illuminazione UV affinchè le celle raggiungano una condizione di stabilità. Questo fenomeno, già affrontato in letteratura su celle fotovoltaiche ad area attiva ridotta e mediante l’uso di simulatori solari, è stato studiato in questo lavoro in condizioni di illuminazione naturale per moduli a dimensione reale. L’acquisizione di curve IV e della temperatura di cella dei moduli al variare dei parametri ambientali si è svolta presso il laboratorio SolarTech del Politecnico di Milano per un periodo che è andato da novembre 2019 ad agosto 2020. I parametri elettrici più rilevanti dei moduli (Isc, Voc, Pmpp e FF) sono stati acquisiti coprendo un ampio spettro di condizioni meteorologiche e diverse stagioni. Particolare attenzione è stata posta all’evoluzione di tali parametri rispetto alla temperatura di cella, attività che ha consentito la stima dei coefficienti di temperatura.