Солнечные батареи стареют? Почему и как?

Как я слышал, продолжительность жизни фотоэлектрических элементов обычно составляет несколько десятилетий. Это очень долго, учитывая их высокую стоимость, оно оказывает существенное (отрицательное) влияние на общие затраты.

Почему они стареют? Я вижу единственную возможность, которая могла бы повредить их атомную структуру, и это очень высокоэнергетический ультрафиолетовый (или даже мягкий рентген) спектр фотонов Солнца (который является лишь малой частью его мощности).

И, я думаю, эти фотоны могут быть легко отфильтрованы прозрачным пластиковым слоем поверх кремния.

Итак, почему солнечные элементы стареют и что происходит в них на атомном уровне?

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) оценивает снижение количества солнечных батарей на 0,4% -1% в год. Я не знаю, какое химическое действие здесь (электрический результат - увеличение сопротивления фотоэлементов), но долгосрочная деградация панелей коррелирует с воздействием ультрафиолета. Ультрафиолетовые лучи, хотя и наносят ущерб фотоэлектрическому материалу, содержат энергию, которую мы хотим накапливать, поэтому вы не сможете полностью отфильтровать ее, не нарушив назначение панели.

Другие причины деградации в основном связаны с погодой, но в форме механических воздействий на систему. Все, от ветра до снегопада, может повредить панели, согнув их, чтобы образовались небольшие трещины в солнечных элементах и ​​встроенные электрические соединения. Другие факторы в ухудшенной фотоэлектрической панели включают коррозию или срок службы поддерживающих электрических устройств, необходимых для поддержания работающей системы (эти другие устройства могут иметь меньший срок службы, чем панель, и если они достаточно дороги, это может привести к неустойчивости системы в финансовом отношении по сравнению с заменой всей панели системы).

Источник: http://www.engineering.com/ElectronicsDesign/ElectronicsDesignArticles/ArticleID/7475/What-Is-the-Lifespan-of-a-Solar-Panel.aspx (см. Ссылку «Подробнее» для отчета NREL)

Имейте в виду, что PN-соединения создаются в первую очередь путем диффузии примесей (присадок) в кремний при повышенных температурах (1000 - 1500 K). Эффективность соединения связана с тем, насколько резко изменяется концентрация легирующей примеси в соединении (его градиент).

При более низких температурах, таких как те, которым подвергается солнечная батарея (скажем, 270 - 330 К), диффузия намного, намного медленнее, но она не останавливается полностью. При наличии достаточного количества времени градиенты легирующей примеси становятся менее крутыми, что снижает эффективность PN-перехода. В течение очень долгого времени (тысячелетия) полупроводниковые устройства перестанут работать, так как их соединения полностью исчезнут.

С другой стороны, мой опыт работы с солнечными элементами не космический, а космический. Основными факторами деградации космических солнечных элементов являются радиация частиц и орбитальный мусор. Излучение частиц ухудшается при износе соединения, а орбитальный мусор разрушается главным образом за счет увеличения внутреннего последовательного сопротивления клеток. Поскольку нет воздуха для охлаждения ячеек, нагрев с обратным смещением также может быть серьезной проблемой, если солнечная батарея частично затенена другой структурой.