Διδακτορικός Φοιτητής
Γεώργιος Περράκης

Email

g.perakis@materials.uoc.gr

Θέμα διδακτορικού

Οπτικά Μεταϋλικά

Επιβλέπων

Καφεσάκη Μαρία, αναπληρώτρια καθηγήτρια, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Επιτροπή

Καφεσάκη Μαρία, αναπληρώτρια καθηγήτρια, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Παπάζογλου Δημήτριος, μόνιμος επίκουρος καθηγητής, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Σούκουλης Κωνσταντίνος, Καθηγητής, Iowa State University

Περίληψη

Τουλάχιστον για τις τελευταίες δύο δεκαετίες, είναι γνωστό ότι υπάρχει περιορισμός των προμηθειών ορυκτών καυσίμων και ως εκ τούτου, πρέπει να ικανοποιήσουμε τις ανάγκες μας για ενέργεια, χρησιμοποιώντας οικονομικά αποδοτικές και “πράσινες” τεχνολογίες. Μια από τις πιο ελπιδοφόρες λύσεις για την παραγωγή ενέργειας είναι μέσω των φωτοβολταϊκών συστημάτων, εκμεταλλευόμενοι το φάσμα ισχύος του ήλιου. Ωστόσο, το φως του ήλιου δεν μετατρέπεται μόνο σε ηλεκτρισμό, αλλά και σε ανεπιθύμητη θερμότητα μέσα στα φωτοβολταϊκά, που επηρεάζει δυσμενώς την αποδοτικότητά τους [Energy Procedia 33, 311-321, (2013)]. Πρόσφατα, επιδείχθηκαν προηγμένα παθητικά συστήματα ψύξης [Nature 515.7528, 540, (2014)], τα οποία μπορούν να ψύξουν μια στέγη εκτεθειμένη άμεσα στο ηλιακό φως, κατά ~4,9 βαθμούς Κελσίου κάτω από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, εκπέμποντας θερμότητα υπό μορφή θερμικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας χωρίς την κατανάλωση ενέργειας. Τυπικά, αυτά τα συστήματα βασίζονται σε έναν φωτονικό κρύσταλλο που αντανακλά το ορατό φως και παράλληλα εκπέμπει θερμότητα. Από την άλλη πλευρά, δεδομένου ότι η λειτουργία των φωτοβολταϊκών βασίζεται στην απορρόφηση της ισχύος του ήλιου στην ορατή περιοχή, η παραπάνω προσέγγιση οδηγεί σε χαμηλότερη μετατροπή από το φωτοβολταϊκό σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο στόχος της εργασίας μας είναι να μειώσουμε αποτελεσματικά την θερμοκρασία λειτουργίας των φωτοβολταϊκών εκπέμποντας θερμότητα υπό μορφή θερμικής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας χωρίς επιπλέον ενεργειακό κόστος (α), και να αξιοποιήσουμε το προσπίπτον ηλιακό φάσμα ισχύος, επιτρέποντας στο ορατό φως να διέλθει μέσα στο φωτοβολταϊκό. Προκειμένου να εκπληρώσουμε τους δύο προαναφερθέντες στόχους, εργαζόμαστε ακολουθώντας διάφορες προσεγγίσεις· την ενίσχυση της απορρόφησης του φωτοβολταϊκού χρησιμοποιώντας περιοδικά τοποθετημένες νανοδομές στην επιφάνεια του διηλεκτρικού καλύμματος πάνω από το ηλιακό κελί (α). Επιπλέον, μελετάμε και σχεδιάζουμε φωτονικούς κρυστάλλους που έχουν τις απαιτούμενες φασματικές προδιαγραφές για την εκπομπή θερμικής ακτινοβολίας στα θερμικά μήκη κύματος (μέσο-IR) ενώ παράλληλα επιτρέπουν στο ορατό φως να διέλθει και να φτάσει στο ηλιακό κελί (b). Η εργασία περιλαμβάνει εκτεταμένες προσομοιώσεις για τον εντοπισμό των βέλτιστων σχεδίων και υλικών, έχοντας κατά νου τους περιορισμούς των υφιστάμενων τεχνολογιών. Επιπροσθέτως, επιλεγμένα πειράματα θα καθορίσουν την εφικτότητα και την απόδοση των συστημάτων, παρέχοντας αποτελεσματικά φωτοβολταϊκά συστήματα με ισχυρό τεχνολογικό αντίκτυπο που σχετίζεται με οικονομικά αποδοτικές και ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Abstract

At least for the last two decades, it is known that there is a limitation of fossil fuel supplies, and thus we need to fulfill our energy needs, using cost-effective and clean technologies. One of the most promising solutions to produce energy is through photovoltaics (PVs), taking advantage of sun’s power spectrum. However, sunlight is not only converted to electricity, but also to unwanted heat inside the photovoltaic cells, that adversely affects their efficiency [Energy Procedia 33, 311-321, (2013)]. Recently, advanced passive radiative cooling systems were demonstrated [Nature 515.7528, 540, (2014)], which can cool a rooftop exposed to direct sunlight, by ~4.9 degrees Celsius below ambient temperature, adding a significant impact on energy consumption. Typically, these systems are based on a photonic crystal which reflects the visible light, and at the same time radiates heat to outer space. On the other hand, since the operation of PVs is based on the absorption of sun’s power in the visible range, the above approach leads to lower conversion of the PVs to electricity. The aim of our work is to achieve passive radiative cooling that efficiently lowers photovoltaic operational temperatures with no energetic cost (a), and to utilize the incident solar spectrum, allowing visible light to pass inside the photovoltaic cell, increasing its efficiency (b). In order to fulfill the two goals mentioned above, we work following several approaches; the enhancement of the photovoltaics’ absorption by nano-patterning the surface of the dielectric cover on top of the solar cell (a). Moreover, we study and engineer passive radiative photonic crystals that have the required spectral specifications for radiative cooling at the thermal wavelengths in the mid-IR, and also allow visible light to go through and reach the PV cells (b). The work involves extensive numerical simulations to identify the optimal designs and materials keeping in mind the limitations of the existing fabrication technologies. In addition, selected experiments will determine the feasibility and performance of the systems, providing effective PV systems with a strong technological impact related to cost-effective and renewable energy applications.

facebook icon