Czy ogniwa słoneczne się starzeją? Dlaczego i jak?

Jak słyszałem, oczekiwana długość życia ogniw fotowoltaicznych wynosi zwykle kilka dziesięcioleci. Jest to bardzo długi, biorąc pod uwagę ich wysoki koszt, ma znaczący (negatywny) wpływ na całkowite koszty.

Dlaczego się starzeją? Widzę jedyną możliwość, która mogłaby zniszczyć ich strukturę atomową, a jest to bardzo wysokoenergetyczne widmo fotonowe ultrafioletu (a nawet miękkiego rögen) fotonu Słońca (które stanowi jedynie niewielką część jego mocy).

I myślę, że fotony te mogą być łatwo odfiltrowane przez przezroczystą warstwę tworzywa sztucznego nad krzemem.

Dlaczego więc starzeją się ogniwa słoneczne i co się w nich dzieje na poziomie atomowym?

Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) szacuje, że dla paneli słonecznych dochodzi do degradacji 0,4% -1% rocznie. Nie wiem, jakie jest tutaj działanie chemiczne (wynikiem elektrycznym jest wzrost rezystancji szeregowej ogniw PV), ale długoterminowa degradacja paneli jest skorelowana z ekspozycją na promieniowanie UV. Mimo że są szkodliwe dla materiału fotowoltaicznego, promienie UV zawierają energię, którą chcemy gromadzić, więc nie będziesz w stanie całkowicie go odfiltrować bez naruszenia celu panelu.

Inne przyczyny degradacji są głównie związane z pogodą, ale w postaci naprężeń mechanicznych w systemie. Wszystko, od wiatru po opady śniegu, może uszkodzić panele, wyginając panele, powodując niewielkie pęknięcia w ogniwach słonecznych i osadzone połączenia elektryczne. Inne czynniki w zdegradowanym panelu fotowoltaicznym obejmują korozję lub żywotność pomocniczych urządzeń elektrycznych potrzebnych do utrzymania działającego systemu (te inne urządzenia mogą mieć krótszą żywotność niż panel, a jeśli są wystarczająco drogie, spowodowałoby to, że system byłby niezrównoważony finansowo w porównaniu do wymiany całego systemu paneli).

Źródło: http://www.engineering.com/ElectronicsDesign/ElectronicsDesignArticles/ArticleID/7475/What-Is-the-Lifespan-of-a-Solar-Panel.aspx (Zobacz link Czytaj więcej do raportu NREL)

Należy pamiętać, że złącza PN powstają przede wszystkim przez dyfuzję zanieczyszczeń (domieszek) do krzemu w podwyższonych temperaturach (1000 - 1500 K). Skuteczność połączenia zależy od tego, jak gwałtownie zmienia się stężenie domieszki na skrzyżowaniu (jego gradient).

W niższych temperaturach, takich jak te, na które wystawiony jest panel słoneczny (powiedzmy 270 - 330 K), dyfuzja jest znacznie, dużo wolniejsza, ale nie zatrzymuje się całkowicie. Przy wystarczającym czasie gradienty domieszki stają się mniej strome, co zmniejsza skuteczność połączenia PN. W skrajnie długim okresie (tysiąclecia) urządzenia półprzewodnikowe przestaną działać, gdy ich połączenia całkowicie znikną.

Pod innym kątem moje doświadczenie z ogniwami słonecznymi opiera się raczej na przestrzeni kosmicznej niż na lądzie. Największe czynniki degradujące ogniwa słoneczne oparte na przestrzeni kosmicznej to promieniowanie cząsteczkowe i uderzenia w szczątki orbitalne. Promieniowanie cząstek zmniejsza się przez zużycie w miejscu połączenia, a resztki oczodołu degradują się przede wszystkim poprzez zwiększenie wewnętrznej szeregowej odporności komórek. Ponieważ nie ma powietrza do chłodzenia komórek, odwrotne nagrzewanie może również stanowić poważny problem, jeśli układ słoneczny zostanie częściowo zacieniony przez inną strukturę.