As células solares envelhecem? Porquê e como?

Como ouvi dizer, a expectativa de vida das células fotovoltaicas é normalmente de algumas décadas. Isso é muito longo, devido ao seu alto custo, tem um efeito significativo (negativo) nos custos totais.

Por que eles envelhecem? Eu posso ver a única possibilidade que poderia danificar sua estrutura atômica, e esse é o espectro de fótons ultravioleta energético muito alto (ou mesmo suave) do sol (que é apenas uma pequena parte de sua potência).

E, eu acho, esses fótons talvez possam ser facilmente filtrados por uma camada plástica transparente sobre o silício.

Assim, por que as células solares envelhecem e o que acontece nelas no nível atômico?

O Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) estima algo como 0,4% -1% de degradação por ano para painéis solares. Não sei qual é a ação química aqui (o resultado elétrico é um aumento na resistência em série das células fotovoltaicas), mas a degradação a longo prazo dos painéis está correlacionada com a exposição aos raios UV. Embora danifiquem o material fotovoltaico, os raios UV contêm energia que queremos coletar, portanto você não poderá filtrá-lo completamente sem derrotar o objetivo do painel.

Outras causas de degradação são principalmente relacionadas ao clima, mas na forma de tensões mecânicas no sistema. Qualquer coisa, do vento à queda de neve, pode danificar os painéis, dobrando-os para produzir pequenas rachaduras nas células solares e nas conexões elétricas embutidas. Outros fatores em um painel fotovoltaico degradado incluem corrosão ou a vida útil dos dispositivos elétricos de suporte necessários para manter um sistema em funcionamento (esses outros dispositivos podem ter uma vida útil mais curta do que o painel e, se forem caros o suficiente, tornariam o sistema insustentável financeiramente comparado à substituição de todo o sistema de painéis).

Fonte: http://www.engineering.com/ElectronicsDesign/ElectronicsDesignArticles/ArticleID/7475/What-Is-the-Lifespan-of-a-Solar-Panel.aspx (consulte o link Leia mais para o relatório NREL)

Lembre-se de que as junções PN são criadas pela difusão de impurezas (dopantes) no silício a temperaturas elevadas (1000 - 1500 K). A eficiência da junção está relacionada a quão acentuadamente a concentração de dopante muda na junção (seu gradiente).

Em temperaturas mais baixas, como aquelas às quais um painel solar está exposto (por exemplo, 270 - 330 K), a difusão é muito, muito mais lenta, mas não para completamente. Com tempo suficiente, os gradientes dopantes tornam-se menos íngremes, reduzindo a eficácia da junção PN. No longo prazo extremo (milênios), os dispositivos semicondutores deixarão de funcionar à medida que suas junções desaparecerem completamente.

Por um ângulo diferente, minha experiência com células solares é baseada no espaço, e não terrestre. Os maiores fatores para a degradação de células solares espaciais são os impactos de radiação de partículas e detritos orbitais. A radiação de partículas se degrada ao desgastar a junção, e os detritos orbitais se degradam principalmente ao aumentar a resistência interna das células em série. Como não há ar para resfriar as células, o aquecimento por polarização reversa também pode ser um problema sério se um painel solar ficar parcialmente sombreado por outra estrutura.