Come la temperatura elevata influenza le prestazioni di una cella solare e cosa si può fare per migliorarle

Effetto delle alte temperature sulle prestazioni delle celle fotovoltaiche

Riduzione dell'efficienza di conversione

Per la maggior parte delle celle fotovoltaiche (come le celle fotovoltaiche a silicio cristallino), l'efficienza di conversione diminuisce con l'aumento della temperatura. Questo avviene perché, a temperature elevate, le proprietà interne dei materiali semiconduttori come il silicio cambiano. Con l'aumento della temperatura, la larghezza della banda proibita del semiconduttore diminuisce, risultando in una maggiore generazione di portatori (coppie elettrone-buco) per eccitazione intrinseca. Tuttavia, le probabilità di ricombinazione di questi portatori aggiuntivi aumentano, risultando in una diminuzione relativa del numero di portatori effettivi che possono essere raccolti all'elettrodo, riducendo quindi la corrente a circuito chiuso, la tensione a circuito aperto e il fattore di riempimento della cella, e infine riducendo l'efficienza di conversione. Ad esempio, le celle fotovoltaiche a silicio cristallino hanno un coefficiente di temperatura di circa -0,4% /°C a -0,5% /°C, il che significa che per ogni aumento di 1°C, la loro efficienza di conversione diminuisce del 0,4% al 0,5%.

Vita utile accorciata

Le alte temperature accelerano anche il processo di invecchiamento dei materiali all'interno del modulo solare. In termini di materiali di imballaggio della cella, le alte temperature possono causare l'invecchiamento, l'ingiallimento e lo strappo di pellicole di imballaggio (come la pellicola EVA). Per quanto riguarda la cella stessa, le alte temperature possono causare un aumento dei difetti reticolari all'interno della lamina di silicio, influenzando così la stabilità a lungo termine e la durata della cella.

Metodi per migliorare le prestazioni delle celle fotovoltaiche a temperature elevate

Progettazione di dissipazione del calore

Dissipazione passiva del calore

La progettazione strutturale del modulo solare favorisce la dissipazione del calore. Ad esempio, aumentando l'area di contatto tra il retro del pannello e l'aria, utilizzando un materiale con buona conducibilità termica come pannello posteriore, come un pannello metallico o un pannello composito ad alta conducibilità termica, si facilita la trasmissione del calore generato dalla cella all'ambiente esterno. Inoltre, la struttura di imballaggio del componente della cella è progettata in modo ragionevole, utilizzando materiali di imballaggio con buona traspirabilità per facilitare la dissipazione del calore.

Dissipazione attiva del calore

Possono essere utilizzati dispositivi di raffreddamento forzato, come ventilatori. Ventilatori di piccole dimensioni sono installati nell'array solare per rimuovere il calore dalla superficie della cella attraverso la convezione forzata dell'aria. Per grandi impianti solari, possono essere utilizzati anche sistemi di raffreddamento a liquido, come l'uso di acqua o refrigeranti speciali che circolano nei tubi per portare via il calore generato dal modulo della cella. Questo metodo ha un'alta efficienza di dissipazione del calore, ma i costi sono relativamente elevati, ed è adatto per grandi centrali elettriche o scenari di applicazione speciali che richiedono un'alta efficienza di generazione di energia.

Miglioramento dei materiali

Nuovi materiali semiconduttori

Ricerca e sviluppo di nuovi materiali semiconduttori con caratteristiche termiche migliori per la realizzazione di celle fotovoltaiche. Ad esempio, le celle fotovoltaiche perovskite hanno una stabilità delle prestazioni relativamente buona a temperature elevate, e il loro coefficiente di temperatura è inferiore a quello delle celle a silicio cristallino. Anche se le batterie perovskite affrontano ancora alcune sfide tecniche, hanno un grande potenziale per migliorare le prestazioni a temperature elevate.

Materiali di imballaggio resistenti alle alte temperature

Sviluppo e utilizzo di materiali di imballaggio resistenti alle alte temperature. Ad esempio, l'uso di nuovi materiali poliolefici al posto della tradizionale pellicola EVA, che ha una migliore stabilità a temperature elevate, può ridurre l'impatto dell'invecchiamento dei materiali di imballaggio sulle prestazioni della cella.

Gestione ottica e tecnologia di compensazione della temperatura

Gestione ottica

Il calore eccessivo assorbito dalla cella viene ridotto mediante progettazione ottica. Ad esempio, vengono utilizzati rivestimenti selettivi o riflettori ottici in modo che le celle fotovoltaiche assorbano solo la luce in un intervallo di lunghezze d'onda specifico che può essere utilizzato per generare elettricità, mentre riflettono la luce in altri intervalli di lunghezze d'onda in cui si genera facilmente calore, riducendo così la temperatura della cella.

Tecnica di compensazione della temperatura

La tecnica di compensazione della temperatura viene utilizzata nella progettazione del circuito della cella fotovoltaica. Ad esempio, aggiungendo un sensore di temperatura e un circuito di compensazione al circuito, lo stato di funzionamento della cella viene regolato in tempo reale in base alla temperatura della cella, ad esempio cambiando la resistenza di carico o applicando un bias inverso, per ridurre l'impatto negativo delle alte temperature sulle prestazioni della cella.