Refroidissement radiatif des cellules et modules solaires par structuration de surface - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Radiative cooling of solar cells and modules through surface structuring

Refroidissement radiatif des cellules et modules solaires par structuration de surface

Résumé

Photovoltaic solar cells and modules heat up considerably under real operating conditions, which is detrimental to their conversion efficiency and their lifetime. However, thermal aspects are still little taken into account, or even completely ignored, in the design of photovoltaic devices. In this context, the objective of this work is to study an innovative strategy to limit overheating: radiative sky cooling. This approach consists of optimising radiative heat exchange in spectral ranges where there is no photovoltaic conversion, in particular in the mid-infrared range to take advantage of the atmospheric transparency window between 8-13 µm. Although promising, many theoretical and experimental obstacles have to be adressed in order to fully grasp the opportunities and challenges of radiative sky cooling for photovoltaics. Using an in-house developped electrical and thermal model, the theoretical benefit that radiative sky cooling can bring to photovoltaic devices has been quantified. The ideal emissivity profile was also determined. More generally, guidelines and orders of magnitude were established for a wide range of devices. The experimental pathways for achieving the ideal emissivity profile have been unveiled. For crystalline silicon module, it appears that the most promising approaches relate to the engineering of the air-glass interface. In this respect, an optical structure based on a dielectric multilayer is proposed and analysed. To guide future studies, a set of numerical and methodological tools that enable to identify, design, and quantify the benefit of optical structures has been developed. In addition to these specific results for radiative sky cooling, an opto-electro-thermal model of silicon cells is presented. This model aims at predicting the performance under real operating conditions directly from the materials and the architecture of the cell. In particular, we show how this model paves the way to further increase photovoltaic electricity production through more thermally aware engineering.
Les cellules et modules photovoltaïques s’échauffent considérablement en conditions réelles de fonctionnement, ce qui est néfaste pour leur rendement de conversion et leur durée de vie. Pourtant, les aspects thermiques sont encore peu considérés, voire complètement ignorés lors de la conception des dispositifs photovoltaïques. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier une stratégie novatrice pour limiter l'échauffement : le refroidissement par échange radiatif avec le ciel. Cette approche consiste à optimiser l'échange radiatif dans les gammes spectrales où il n'y a pas de conversion photovoltaïque, notamment dans le moyen infrarouge pour profiter de la fenêtre de transparence qu'offre l’atmosphère dans la gamme 8-13 µm. Bien que prometteuse, de nombreux verrous restent à lever pour saisir les tenants et les aboutissants de cette stratégie, aussi bien du point de vue théorique que du point de vue expérimental. Grâce à un modèle électrique et thermique spécialement développé à cet effet, le bénéfice théorique que le refroidissement radiatif avec le ciel peut apporter aux dispositifs photovoltaïques est d'abord quantifié. Le profil d'émissivité idéal est également déterminé. Plus généralement, des lignes directrices et des ordres de grandeurs sont établis pour une vaste gamme de dispositifs basés sur une technologie monojonction. Les pistes expérimentales pour atteindre le profil d'émissivité idéal sont ensuite mises en lumière. A l'échelle d'un module en silicium cristallin, il apparaît que la voie la plus prometteuse concerne l'ingénierie de l'interface air-verre. A cet égard, une structure optique basée sur une multicouche diélectrique est proposée et analysée. Pour guider d'éventuelles études futures, un ensemble d'outils numériques et méthodologiques pour trouver, concevoir, et quantifier le bénéfice des structures optiques est présenté. En complément de ces résultats spécifiques au refroidissement radiatif avec le ciel, un modèle opto-électro-thermique de cellules en silicium est développé. Ce dernier a pour but de prédire les performances en conditions réelles de fonctionnement directement à partir de la connaissance des matériaux et de l'architecture de la cellule. Nous montrons notamment comment ce modèle d'un nouveau genre permet d'ouvrir de nouvelles voies pour continuer à augmenter la production d'électricité photovoltaïque via une ingénierie plus consciente des effets thermiques.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04117055 , version 1 (05-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04117055 , version 1

Citer

Jérémy Dumoulin. Refroidissement radiatif des cellules et modules solaires par structuration de surface. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. INSA de Lyon, 2023. Français. ⟨NNT : 2023ISAL0005⟩. ⟨tel-04117055⟩
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