Outdoor experimental evaluation of OPV power performances by specifically designed DC-DC power converters

The most widespread solar cell technology is silicon-based one. Indeed, its basic material, quartz, is cheap and abundant and the power conversion efficiency can reach up to 25% nowadays. Nonetheless, the need for mining and manufacturing energy-intensive processes as well as its difficulty to be recycled questions the cost-benefit balance concerning the environmental impact of this technology in case of very large-scale development. Hence, new solar cells generation such as organic material has appeared, based on abundant, easier to recycle materials as well as low energy-intensive processes. In addition to these features, these cells present higher flexibility, tunable bandgap and partial transparency. Their range of application is thus a lot larger. Although their actual efficiency is generally around 4 %, the progress done in the past years promises great future improvements of this technology. This thesis presents the programming of an adapted DC-DC power converter specifically dedicated to these low-power cells. In addition, the board proposes several interfaces that allow running more precise experimental test campaigns. Indeed, it is able to measure and store, in real-time, the value of the cell temperature and the maximum power point current and voltage of the operating modules, found by the maximum power point tracker algorithm. Thanks to this, test campaigns have been run to compare the organic technology to other solar cell types. The first results show the lower impact of cell temperature on power production for organic cells with a γPmpp of -0.13 [%/K] while silicon-based cells studied have a γPmpp of -0.31 [%/K] in outdoor conditions at 1000 W/m2.

La tecnologia di celle solari più diffusa è quella basata sul silicio. Infatti, il suo materiale di base, il quarzo, è economico e abbondante e l'efficienza di conversione della potenza può raggiungere fino al 25% al giorno d'oggi. Tuttavia, la necessità di estrarre e produrre processi ad alta intensità energetica e la sua difficoltà ad essere riciclata mettono in discussione il bilancio costi-benefici dell'impatto ambientale di questa tecnologia in caso di sviluppo su larga scala. Di conseguenza, è apparsa una nuova generazione di celle solari come il materiale organico, basato su materiali abbondanti, più facili da riciclare e su processi a bassa intensità energetica. Oltre a queste caratteristiche, queste celle presentano una maggiore flessibilità, un band gap regolabile e una parziale trasparenza. Il loro campo di applicazione è quindi molto più ampio. Anche se la loro efficienza attuale è generalmente intorno al 4%, i progressi fatti negli ultimi anni promettono grandi miglioramenti futuri di questa tecnologia. Questa tesi presenta la programmazione di un convertitore di potenza DC-DC adattato specificamente dedicato a queste celle a bassa potenza. Inoltre, la scheda propone diverse interfacce che permettono di eseguire campagne di test sperimentali più precise. Infatti, è in grado di misurare e memorizzare, in tempo reale, il valore della temperatura delle celle e la corrente e la tensione del punto di massima potenza dei moduli operativi, trovata dall'algoritmo del maximum power point tracker. Grazie a questo, sono state condotte campagne di test per confrontare la tecnologia organica con altri tipi di celle solari. I primi risultati mostrano il minore impatto della temperatura della cella sulla produzione di energia per le celle organiche con un γPmpp di -0,13 [%/K] mentre le celle a base di silicio studiate hanno un γPmpp di -0,31 [%/K] in condizioni esterne a 1000 W/m2.