Le celle solari invecchiano? Perché e come?

Come ho sentito, l'aspettativa di vita delle celle fotovoltaiche è normalmente di alcuni decenni. Questo è molto lungo, per quanto riguarda il loro costo elevato, ha un effetto significativo (negativo) sui costi totali.

Perché invecchiano? Vedo l'unica possibilità che potrebbe danneggiare la loro struttura atomica, e questo è l'altissimo spettro energetico fotonico ultravioletto (o persino morbido röntgen) del sole (che è solo una piccola parte della sua potenza).

E, penso, questi fotoni potrebbero essere facilmente filtrati da uno strato di plastica trasparente sul silicio.

Quindi, perché invecchiano le celle solari e cosa succede in esse a livello atomico?

Il National Renewable Energy Lab (NREL) stima qualcosa di simile allo 0,4% -1% di degrado all'anno per i pannelli solari. Non so quale sia l'azione chimica qui (il risultato elettrico è un aumento della resistenza in serie delle celle fotovoltaiche), ma la degradazione a lungo termine dei pannelli è correlata con l'esposizione ai raggi UV. Sebbene dannosi per il materiale fotovoltaico, i raggi UV contengono energia che vogliamo raccogliere, quindi non sarai in grado di filtrarlo completamente senza vanificare lo scopo del pannello.

Altre cause di degrado sono principalmente legate alle condizioni meteorologiche, ma sotto forma di stress meccanici al sistema. Qualsiasi cosa, dal vento alle nevicate, può danneggiare i pannelli piegando i pannelli per produrre piccole crepe nelle celle solari e collegamenti elettrici incorporati. Altri fattori in un pannello fotovoltaico degradato includono la corrosione o la durata dei dispositivi elettrici di supporto necessari per mantenere un sistema funzionante (questi altri dispositivi potrebbero avere una durata inferiore rispetto al pannello e, se sono abbastanza costosi, renderebbero il sistema insostenibile finanziariamente rispetto alla sostituzione dell'intero sistema di pannelli).

Fonte: http://www.engineering.com/ElectronicsDesign/ElectronicsDesignArticles/ArticleID/7475/What-Is-the-Lifespan-of-a-Solar-Panel.aspx (vedere il collegamento Altre informazioni per il rapporto NREL)

Tieni presente che le giunzioni PN vengono create in primo luogo diffondendo impurità (droganti) nel silicio a temperature elevate (1000 - 1500 K). L'efficienza della giunzione è correlata a quanto bruscamente la concentrazione di drogante cambia alla giunzione (il suo gradiente).

A temperature più basse, come quelle a cui è esposto un array solare (diciamo, 270 - 330 K), la diffusione è molto, molto più lenta, ma non si ferma completamente. Dato abbastanza tempo, i gradienti droganti diventano meno ripidi, riducendo l'efficacia della giunzione PN. Nel lungo termine estremo (millenni), i dispositivi a semiconduttore smetteranno di funzionare quando le loro giunzioni scompariranno del tutto.

Per un'angolazione diversa, la mia esperienza con le celle solari è basata sullo spazio, piuttosto che terrestre. I principali fattori di degrado delle celle solari spaziali sono le radiazioni di particelle e gli impatti dei detriti orbitali. La radiazione delle particelle si degrada consumando la giunzione e i detriti orbitali si degradano principalmente aumentando la resistenza in serie interna delle cellule. Poiché non c'è aria per raffreddare le celle, il riscaldamento di polarizzazione inversa può anche essere un problema serio se un array solare viene parzialmente oscurato da un'altra struttura.