Auka ljosfanging med kaos i optisk tynne solceller

Fotovoltaiske solceller er ei av dei viktigaste kjeldene til fornybar energi. Solceller med tynne absorberande lag kan vera meir kostnadseffektive og ha eit mindre miljøavtrykk enn gjeldande kommersiell teknologi. Ljosfanging er ein nøkkelkomponent for å forbetra absorpsjonseffektiviteten til tynne solceller. Jo lengre det innkomande ljoset er fanga inni solcella, jo større er sjansen for absorpsjon. Det finst mange tilnærmingar for å fanga ljos for å oppnå effektiv ljosstyring. Måla med PhD-prosjektet har vore å gjera stråle- og bylgjesimuleringar på modellsystem for optisk tynne solceller for å studera dynamikken deira for auka absorpsjonseffektivitet. Effekten av kaotisk spreiingsdynamikk på absorpsjonseffektiviteten har vore eit sentralt tema i dette arbeidet. Dynamikken til både klassisk strålekaos og kvantekaos (bylgjekaos) har blitt studert i kontekst av å forbetra ljosfanginga i optisk tynne solceller.

Ein eksakt stråleformalisme for stablar av eindimensjonale absorberande flate filmar vart utvikla. Formalismen er ekvivalent med Maxwells likningar når fasar er festa til kvar av strålane. Analytiske uttrykk vart utleia for enkeltfilmsystem, og ein hierarkisk summasjonsmetode vart laga for å summera avkorta summar som er konvergente på vilkår på korrekt måte, naudsynt for multilagsystem. Avhenging av systemet, så synte nokre strålar seg å bidra meir til absorpsjon enn andre. Ein Fouriertransformasjon av refleksjonsamplituden avdekte veglengda til dei strålane som bidrog mest, og frå dette blei strålebanane deira dedusert.

Den klassiske dynamikken i ein solcellemodell med overflatestruktur, film+kuppel-systemet, vart studert med ein skreddarsydd kode for strålesporing. Det vart funne at film+kuppel-systemet går over frå regulær til kaotisk spreiingsdynamikk når brytingsindeksen i den kuppelforma overflatestrukturen vert auka over ein viss verdi. Dynamikken vart karakterisert med fraktaldimensjonen til det invariante settet av strålar med lang levetid. Overgangen til kaos var systematisk etterfylgd av ei rask auke i absorpsjonseffektiviteten, som var modellert med Beer-Lamberts lov. Denne korrelasjonen vart funnen til å vera strukturstabil med hensyn til tjukkleiken til filmen.

Resultata frå klassisk stråledynamikk vart stadfesta i bylgje film+kuppel-system. Kaotisk spreiingsdynamikk vart funnen i film+kuppel-system ved brytingsindeksar samanliknbare med det som vart funne i klassiske strålesimuleringar. Analogt til klassiske utrekningar, så vart det demonstrert ein strukturstabil korrelasjon mellom absorpsjonstverrsnittet og byrjinga av kaotisk oppførsel. I tillegg vart opphaldstida til strålane funnen frå spreiingsmatrisa, og vart synt til å korrelera med auka levetid for strålane, og dermed forbetra ljosfanging ved byrjinga av kaos.