Spectral effects on photovoltaic performance in Brazil: modeling, mapping, and relevance for current and emerging technologies

Abstract

Esta tese investiga o impacto da variabilidade espectral no desempenho de tecnologias fotovoltaicas (FV) no Brasil, abrangendo dispositivos comerciais (c-Si, CdTe) e emergentes (perovskita, tandem). O objetivo é aprimorar previsões de geração corrigindo a incompatibilidade espectral em medições e modelos. Foi proposto e validado um método para corrigir efeitos espectrais em curvas IV em campo, usando dados de satélite e modelagem espectral, eliminando a necessidade de medidas locais e melhorando a correção para tecnologias sensíveis a comprimentos de onda maiores. Um ano de medições espectrais em rastreador de um eixo permitiu análise detalhada dos fatores espectrais, confirmando que massa de ar e água precipitável são os principais motores da variação sob céu limpo, e que a profundidade óptica de aerossóis é crítica em eventos de queimadas. Em dias nublados, o índice de céu claro foi um bom indicador dos efeitos espectrais. O espectro de referência usado na caracterização FV não representa bem as condições tropicais, onde alta umidade e baixa massa de ar geram um deslocamento azul persistente que afeta o desempenho em campo. Módulos de silício mostraram baixa sensibilidade espectral, enquanto CdTe e perovskita tiveram ganhos anuais de até 4,4%. Tandem 2T apresentaram perdas de 4,8%, devido ao descasamento de corrente ampliado pelos espectros azulados do Brasil. O estudo também quantificou vieses causados por simplificações, como faixa espectral limitada e medições horizontais, indicando que excluir o infravermelho próximo pode superestimar os efeitos em até 3%. Como o viés é da mesma ordem dos efeitos avaliados, confiar em medições limitadas pode levar a conclusões incorretas, reforçando ou mascarando erros dos modelos. Modelos empíricos de correção foram calibrados com dados de campo, destacando o desempenho superior do PVSPEC com coeficientes locais. Novos coeficientes foram derivados para arquiteturas modernas de silício e, pela primeira vez, para perovskita e tandem, embora mais estudos sejam necessários para generalização. O método validado foi aplicado a dados TMY de mais de 400 estações para mapear efeitos espectrais no Brasil. Tandem exibiram perdas significativas por incompatibilidade entre subcélulas, amplificada pelos espectros azulados, enquanto perovskita e CdTe tiveram ganhos relevantes. Silício teve efeitos de longo prazo desprezíveis. Apesar de necessidade de validação adicional, o mapeamento traz constatações valiosas. Medições espectrais de albedo mostraram diferenças importantes em relação ao albedo de banda larga, especialmente em superfícies artificiais como geomembranas brancas e para dispositivos tandem. Superfícies naturais apresentaram menor albedo efetivo, afetando tecnologias com resposta espectral limitada. Esses resultados evidenciam a importância do uso de albedo espectral para previsões precisas e otimização de sistemas bifaciais. Este trabalho contribui com ferramentas práticas e percepções para avaliação confiável do desempenho FV em climas tropicais, destacando o papel crucial do espectro, especialmente para tecnologias emergentes, e apoiando a implantação segura das tecnologias atuais e emergentes.

Abstract: This thesis investigates the impact of spectral variability on the performance of photovoltaic (PV) technologies in Brazil, addressing both commercial (c-Si, CdTe) and emerging (perovskite, tandem) devices. The aim is to improve energy yield predictions by correcting spectral mismatch in measurements and models. A method was proposed and validated to correct spectral effects in field IV measurements using satellite-derived inputs and spectral modeling, removing the need for local spectral sensors and improving mismatch corrections for near-infrared sensitive technologies, since modeled spectra exceed instrument limits on wavelength range. A year-long dataset of single-axis tracker spectral measurements enabled detailed analysis of spectral effects. Results confirmed that air mass and precipitable water are the main drivers of spectral variation under clear skies, while aerosol optical depth becomes critical during forest fire events. Under overcast conditions, the clear-sky index proved to be a strong proxy for spectral effects across technologies. Results confirm that the reference spectrum used in PV characterization is not fully representative of tropical conditions, where high humidity and low air mass cause a persistent blue shift that affects field performance. While silicon-based modules showed low spectral sensitivity, CdTe and perovskite devices displayed annual spectral gains of up to 4.4%. In contrast, 2T tandem devices showed a performance loss of 4.8%, primarily due to current mismatches amplified by Brazil?s blue-rich spectra. The study also quantified biases introduced by measurement simplifications, such as limited wavelength range and horizontal measurements. It found that excluding the near-infrared can overestimate spectral effects by up to 3%abs. Since the measurement bias is of the same order of magnitude as the spectral effects being assessed, relying on limited-range spectral measurements to develop or validate spectral models can lead to incorrect conclusions ? potentially reinforcing or masking model inaccuracies rather than revealing them. Empirical correction models were calibrated using measured field data. PVSPEC showed the best overall performance, especially with locally fitted coefficients. New coefficients were derived for modern silicon cell architectures and, for the first time, for perovskite and tandem modules. Further work is needed to generalize these results. The validated spectral correction method was applied to TMY data from over 400 Brazilian stations to map spectral effects nationwide. Tandem devices exhibited notable spectral losses due to subcell mismatch, amplified by Brazil?s blue-shifted spectra, while perovskite and CdTe modules showed significant spectral gains. Silicon modules displayed negligible spectral effects. Although further validation is needed, this mapping provides valuable insights. Spectrally-resolved albedo measurements revealed significant differences from broadband values, especially on artificial surfaces like white geomembranes, and for tandem devices. Natural surfaces had lower effective albedo, impacting spectrally selective technologies. These results highlight the importance of using spectral albedo data for accurate energy yield predictions and optimizing bifacial PV system design. This work contributes practical tools and insights for accurate PV performance assessment in tropical climates, emphasizing the critical role of spectral albedo and spatial spectral mapping, particularly for emerging technologies. Together, these advances support the reliable deployment of both current and next-generation PV technologies.