Document
Efficiency enhancement of photovoltaic solar cells using metamaterials absorbing screen.
Identifier
DOI:10.53540/tjer.vol19iss2pp85-94
Source
Journal of Engineering Research, v. 19, no. 2, p. 85-94 .
Contributors
Other titles
تعزيز كفاءة الخلايا الشمسية الكهروضوئية باستخدام طبقة المواد الفائقة العالية الامتصاص.
Country
Oman.
City
Muscat
Publisher
College of Engineering, Sultan Qaboos University.
Gregorian
2022
Language
English
English abstract
This paper proposes a novel technique for the efficiency enhancement of photovoltaic (PV) solar cells using metamaterials absorbing screens. This kind of engineered material comprises resonant metallic rings that are printed on a host low-loss dielectric substance and made periodic in a two-dimensional lattice. The absorbing screen has been carefully designed, and its retrieved effective constitutive parameters, effective electric permittivity ϵeff and effective magnetic permeability µeff, are integrated within a numerically modelled amorphous-Silicon-based PV solar cell structure as an impedance matching layer. Such arrangement will greatly achieve matching between the effective impedance of the composite solar cell structure and free-space impedance and will result in higher photon absorption through the metamaterials anti-reflective screen. Numerical full-wave electromagnetic simulations are carried out using CST Microwave Studio for the design of a metamaterial absorbing screen. Due to the large computational resources required, COMSOL Multiphysics was adopted in the design and analysis of the composite structure comprising a two-dimensional PV solar cell layer. Based on the numerical results, both optical and electric characteristics of the PV solar cell structure were enhanced with the use of a metamaterial layer. Moreover, efficiency enhancement by 5% was permissible, in which efficiency reached 12% with the use of metamaterials as compared to the efficiency of the classical PV cells of 7%. The obtained results are very promising, and the potential integration of metamaterials in commercial PV solar cells will show significant advancement in efficiency enhancement of PV cells and realization of smart PV solar cells with the consideration of additional features from metamaterials.
ISSN
Online: 1726-6742
Print: 1726-6009
Arabic abstract
تقدم هذه الورقة البحثية طريقة هندسية جديدة لتعزيز كفاءة ألواح الخلايا الشمسية الكهروضوئية باستخدام خصائص المواد الفائقة. هذه المواد الاصطناعية لديها خصائص يتم الحصول عليها من خلال تصميم مثل تلك المواد باستخدام مجسمات المواد المعدنية ذات أشكال قابلة للتعرف على الأمواج الكهرومغناطيسية ويتم طباعتها بمواد عازلة. تتركز الدراسة في هذا البحث على تصميم المواد القابلة لامتصاص كمية كبيرة من أشعة الشمس وبالتالي يتم الحصول على كفاءة إضافية لألواح الخلايا الشمسية. تتطرق الورقة البحثية لطرق المحاكاة باستخدام خوارزميات هندسية لديها القدرة على إيجاد الحلول المثلى للتصميم المقدم، حيث سنقوم بعرض النتائج ومقارنتها بالنتائج المستوحاة من ألواح الخلايا الشمسية. من خلال النتائج التي تم الحصول عليها ومقارنتها بنموذجين من برامج محاكاة الكهرومغناطيسية، تم الحصول على زيادة بكفاءة الألواح الشمسية بنسبة ٥٪ عند استخدام مجسمات مقارنة بالألواح الشمسية الاعتيادية.
Category
Journal articles