Enhancing light diffusion in semi-transparent c-Si PV modules for agrivoltaics: optical analysis and efficiency considerations

Agrivoltaics (AV) represents a promising solution to the growing land-use conflict between agriculture and photovoltaic (PV) energy generation by enabling the simultaneous production of food and electricity. However, when crystalline silicon (c-Si) PV modules are used for AV, even in semi-transparent configurations, shading occurs over crops, potentially reducing agricultural yields. Enhancing light diffusion is a key strategy to partially compensate for this effect, as diffuse light is more efficiently utilized by plants. This study investigates the transparent section of a semi-transparent c-Si PV module, assessing its optical, light-scattering, and efficiency-related properties for AV applications. Conducted at EURAC Research, the experimental work involved fabricating and testing various transparent stack configurations and mini-module prototypes to evaluate their suitability for agrivoltaic integration. Optical characterization using a spectrophotometer revealed that certain stack configurations significantly enhance light diffusion, while maintaining good transmittance values for crops growth. To further analyze angular light scattering, a custom-built setup to measure the Cosine-corrected Bidirectional Transmittance Distribution Function (BTDF) was developed. The results showed that anti-glare films (PAG), specific encapsulants (TPO), and flexible layers effectively improve light distribution, helping to mitigate shading effects. The impact of different stacks on module efficiency was also assessed through mini-modules testing. Findings indicate that enhanced light diffusion can be achieved with minimal efficiency losses, demonstrating that semi-transparent PV modules can be optimized for agrivoltaics without significantly compromising energy generation.

L'agrivoltaico (AV) rappresenta una promettente soluzione al crescente conflitto nell'uso del suolo tra agricoltura e produzione di energia fotovoltaica (PV), permettendo la coesistenza tra coltivazioni e generazione elettrica. Tuttavia, nei sistemi AV basati su moduli fotovoltaici in silicio cristallino (c-Si), anche in configurazioni semi-trasparenti, si verifica ombreggiamento sulle colture, con possibili impatti negativi sulle rese agricole. In quest'ottica, incrementare la diffusione della luce può rivelarsi una strategia utile per compensare parzialmente l'effetto di ombreggiamento, dal momento che le piante riescono a sfruttare la luce diffusa più efficientemente. Questo studio, nello specifico, analizza la sezione trasparente di un modulo fotovoltaico semi-trasparente in c-Si, valutandone le proprietà ottiche e di diffusione della luce, oltre agli aspetti elettrici legati all’efficienza del modulo. L'attività sperimentale, svolta presso EURAC Research, ha previsto la fabbricazione e l'analisi di diversi campioni trasparenti e prototipi di mini-moduli, al fine di valutarne l'idoneità all'integrazione agrivoltaica. La caratterizzazione ottica, effettuata mediante uno spettrofotometro, ha evidenziato come alcuni campioni migliorassero significativamente la diffusione della luce, mantenendo al contempo valori di trasmittanza adeguati per la crescita delle colture. Per un'analisi più approfondita della distribuzione angolare della luce, è stato realizzato un apparato sperimentale per la misurazione della cosiddetta Bidirectional Transmittance Distribution Function (BTDF) corretta per il coseno. I risultati hanno evidenziato che l’utilizzo di pellicole anti-riflesso (PAG), di specifici incapsulanti (TPO) e di strati flessibili migliora efficacemente la distribuzione della luce, contribuendo a ridurre gli effetti dell’ombreggiamento. L'impatto delle diverse configurazioni sull'efficienza del modulo è stato valutato mediante test su mini-moduli, dimostrando che un incremento della diffusione luminosa può essere ottenuto con minime perdite di efficienza. Questi risultati confermano che i moduli fotovoltaici semi-trasparenti possono essere ottimizzati per applicazioni agrivoltaiche senza alterare in modo significativo la produzione elettrica.