Photonic approaches for the thermal control of photovoltaics

Abstract

Photovoltaic modules (PVs) convert incident solar power to electrical power. However, the conversion efficiency is negatively affected by their operating temperature. Additionally, high operating temperatures accelerate the photovoltaics’ thermally activated power degradation. Conventional strategies for cooling are mainly focused on non-radiative heat transfer through forced airflow or heat-pipe-based cooling, which consume extra energy and significantly increase the system’s complexity. In this study, a precise opto-electro-thermal model was developed to examine the impact of radiative cooling in commercial PVs. Specifically, in our model we exploit the electromagnetic radiation of the sun as a source of energy and the space (outside the earth's atmosphere) as a "heat sink" with a much lower temperature (~ 3 K) than the atmosphere (~ 300 K). Optimal utilization of both "sources" can lead to an increase of the solar absorption and a reduction of the operating temperature. This temperature reduction can be achieved by the proper integration into photovoltaics of suitable photonic structures/coolers that (i) selectively reflect the unwanted sunlight (reducing this way the device heat load) and (ii) enhance the thermal emission within the atmospheric transparency window at mid-infrared wavelengths (8-13 μm). Our results demonstrated that radiative cooling and other photonics-based heat reduction techniques can lower PV temperature and enhance the output electrical power when appropriate materials and photonic designs are effectively combined, even in the case of structures with reduced complexity. The main advantages of these techniques are the passive (no extra energy input needed) and environmental-friendly operation, as well as, the increased device lifetime.

Οι φωτοβολταϊκές διατάξεις μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, η απόδοση αυτής της μετατροπής επηρεάζεται αρνητικά από τη θερμοκρασία λειτουργίας τους. Επιπλέον, οι υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας μειώνουν τον χρόνο ζωής των φωτοβολταϊκών. Οι συμβατικές στρατηγικές για ψύξη καταναλώνουν επιπλέον ενέργεια και αυξάνουν σημαντικά την πολυπλοκότητα του συστήματος. Σε αυτήν τη μελέτη, αναπτύχθηκε ένα ακριβές οπτο-ηλεκτρο-θερμικο μοντέλο με στόχο την εκμετάλλευση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας του Ήλιου ως πηγή ενέργειας αλλά και την εκμετάλλευση του Διαστήματος (έξω από τη γήινη ατμόσφαιρα) ως μία “ανεξάντλητη ψύκτρα” με πολύ χαμηλότερη θερμοκρασία (~ 3 K) από αυτή της ατμόσφαιρας (~ 300 K). Η βέλτιστη αξιοποίηση και των δύο αυτών «πηγών» μπορεί να οδηγήσει στην αύξηση της απόδοσης φωτοβολταϊκών διατάξεων είτε μέσω της αύξησης της απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας απ’ τις διατάξεις αυτές είτε μέσω της μείωσης της θερμοκρασίας λειτουργίας τους με την απευθείας εκπομπή θερμικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στο Διάστημα. Οι τρόποι επίτευξης αυτής της αξιοποίησης είναι μέσω κατάλληλης ενσωμάτωσης στα φωτοβολταϊκά κατάλληλων δομών στη κλίμακα των νανο/μικρο-μετρων για την αποτελεσματική αλληλεπίδραση με τα επιθυμητά μήκη κύματος του φωτός. Όπως δείχνουμε στη μελέτη μας τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα αυτών των τεχνικών αποτελούν η παθητική λειτουργία, χωρίς να απαιτείται επιπλέον ενέργεια, η φιλική προς το περιβάλλον λειτουργία, αλλά και η αύξηση του χρόνου ζωής των συσκευών.