Ingegneria Energetica

Fattori di degrado: La radiazione

Le problematiche legate alle radiazioni e alla temperatura sono strettamente collegate tra loro (vedi articolo precedente). Infatti, un aumento della radiazione incidente sulla cella provoca un aumento della temperatura della cella stessa con tutti gli effetti elencati nell’articolo precedente.

Per danni relativi alla radiazione si intendono i meccanismi che coinvolgono la ionizzazione e lo spostamento atomico che risultano quindi la principale causa del degrado da radiazione, ovvero l’interazione tra protoni ed elettroni. Le radiazioni possono influenzare i materiali degli array delle celle solari.

Il guasto più frequente dei pannelli fotovoltaici è il corto circuito della cella solare, che causa la mancata produzione di energia elettrica o l’abbassamento di tensione. L’esposizione continua del modulo ai raggi ultravioletti delle radiazioni solari deteriora la resina di protezione delle celle fotovoltaiche, le quali rilasciano degli agenti ossidanti che rovinano i contatti metallici. Se il danno viene rilevato in una sola cella, il problema può essere risolto con il collegamento in serie delle celle solari. Nonostante questo, anche il malfunzionamento di una sola cella crea una sensibile riduzione dell’efficienza dell’intero modulo, è per questo importante intervenire con una manutenzione continua con eventuale sostituzione di celle difettose (dove possibile).

La radiazione ionizzante provoca una riduzione della trasmissione dei vetri di copertura delle celle solari. L’oscuramento è causato dalla formazione di centri di colore in materiali di vetro o materiali soggetti all’ossidazione. I centri di colore si formano quando le radiazioni ionizzanti eccitano un elettrone orbitale fino a raggiungere la banda di conduzione.

Questi elettroni rimangono intrappolati dagli atomi che creano impurità nell’ossido, formando complessi di difetti aventi carica, che possono essere relativamente stabili a temperatura ambiente, quindi a basse temperature.

Lo sviluppo di cariche intrappolate nei diossidi di silicio può causare un aumento della corrente di dispersione. Le radiazioni ionizzanti eccitano gli elettroni del silicio dalla banda di valenza alla banda di conduzione, creando coppie elettrone-lacuna nella stessa quantità con cui vengono generate le coppie dalla luce visibile. La base di questo danno è lo spostamento degli atomi di Silicio dai loro siti reticolari causati da particelle di elevata velocità e quindi dotate di una certa energia.

Gli atomi delocalizzati e le loro relative vacanze subiscono altre reazioni fino a formare dei difetti stabili che inducono significativi cambiamenti della proprietà conduttiva del materiale diminuendo cosi la vita del conduttore stesso (creano degli ostacoli al passaggio di corrente).

Le equazioni di base della cella solare possono essere utilizzate per descrivere i cambiamenti che si verificano durante l’irradiazione. Questo metodo richiederebbe dati riguardanti i cambiamenti: del generatore di corrente, della resistenza in serie, della resistenza di shunt e dei parametri di base del diodo quali corrente di saturazione e il fattore di qualità del diodo.

La maggior parte delle indagini non ha riportato dati sufficienti per determinare le funzioni matematiche associate alle variazioni dei parametri di cui sopra. A causa di questo è necessario dover studiare il comportamento dei materiali in ogni circostanza.

Lo studio del danno indotto dalla radiazione nelle celle solari si riduce quindi ai dati sperimentali, andando a calcolare i valori di interesse come: la variazione della corrente di cortocircuito della cella (Isc), la tensione a circuito aperto (Voc) e la potenza massima (Pmax).

Curva di degradazione. Valori di ISC e VOC in funzione del flusso elettronico

Il grafico in figura 16 mostra le curve di degradazione di a ISC ed VOC per celle solari 3J in funzione delle irradiazioni di elettroni (electron fluence). Cerchi e triangoli chiusi / aperti, rispettivamente, indicano i risultati sperimentali / di simulazione di ISC e VOC. Le linee mostrano la funzione teorica per i risultati della simulazione.

Un altro grafico interessantissimo mostra il declino in termini di densità di potenza (per superficie) delle principali celle utilizzati nei pannelli fotovoltaici, nel corso degli anni.

grafico che relazione la densità di potenza nel tempo. Si confrontano le celle al Si con le innovazioni tecnologiche dei pannelli spaziali

Si osservi ad esempio che un pannello con celle di silicio degrada bruscamente durante i primi due anni di vita, per poi rimanere pressoché costante nel corso della sua vita (un range limite di 10 anni presi in considerazione).

Per le celle solari si sono finora valutati tali parametri considerando i dati che descrivono il degrado delle celle in funzione del flusso dell’elettrone e del protone a vari livelli energetici; i dati sono acquisiti da prove di irraggiamento su celle dello stesso tipo.

L’introduzione dei pannelli fotovoltaici a multi-giunzione (MJ) caratterizzati da giunzioni fatte di diversi materiali, impone la necessità di un approccio di base differente a causa proprio del numero di diversi materiali delle giunzioni.

Uno di questi approcci si basa sullo stesso principio delle celle a materiale singolo, ovvero utilizzando un database contenente i risultati di molteplici esperimenti.

È necessario quindi stipulare un database per ogni nuovo tipo di cella.

Grafico che relazione la potenza Normalizzata in una cella al flusso elettronico

Il grafico mostra la relazione ottenuta sperimentalmente tra il massimo della potenza generata nella cella di GaAs/Ge in funzione del flusso di particelle. È fondamentale osservare come le prestazioni della cella decadano sensibilmente all’aumentare del flusso elettronico/protonico.

Il danno da dislocazione (NIEL)

Una radiazione può provocare la dislocazione di uno o più atomi all’interno del reticolo cristallino; tali fenomeni, a cui si fa comunemente riferimento come processi di non-ionizing energy loss (NIEL), richiedono in genere maggiore energia rispetto a quelli di ionizzazione (che interessa gli elementi con carica elettrica).

I danni da dislocazione (Displacement Damages) maggiormente indagati sono conseguenza dell’interazione con elettroni e raggi gamma abbastanza energetici.

La dislocazione di un atomo corrisponde alla creazione di una coppia di Frenkel, costituita dall’atomo in questione, che va ad occupare una zona regolare nel reticolo, e da una vacanza reticolare nel posto precedentemente occupato dall’atomo (come è possibile vedere nella figura 19).

 

Le coppie di Frenkel hanno alta mobilità proporzionale alla temperatura; queste si possono ricombinare, oppure, se la radiazione incidente è abbastanza energetica può portare l’atomo della coppia a colpirne altri e a causare ulteriori dislocazioni. In questo caso, si creano all’interno del cristallo dei difetti secondari, detti cluster defects, che alterano la conformazione della struttura reticolare e, di conseguenza, le sue proprietà.

Formazione dei cluster defects

Ridurre i danni da radiazione

Il metodo principale per mitigare i danni da radiazioni nelle celle solari spaziali è di prevenire i danni impiegando un vetro (un rivestimento) di copertura adeguato. Oltre a sperimentare nuove tecnologie utilizzando materiali sempre più innovativi si può agire direttamente sul “proteggere” i vecchi materiali. Infatti, il vetro di copertura non solo ferma il basso contenuto energetico dei protoni ma rallenta anche le particelle ad alta energia ed inoltre garantisce anche un assorbimento di radiazione incidente cambiandone nell’assorbimento la lunghezza d’onda.

Può servire anche per fermare le micro-meteore, agire come rivestimento anti-riflessione e persino fornire un controllo termico aggiuntivo al veicolo spaziale.

grafico del coefficiente di danno relativo alla Pmax in funzione dell’energia elettronica

In questo grafico si osserva la dipendenza del coefficiente di danneggiamento in funzione dell’energia dell’elettrone. Il grafico mostra anche un altro dato importante ovvero l’efficacia dei vari rivestimenti protettivi. Si osserva anche che dopo un certo valore energetico l’efficacia del rivestimento risulta indipendente dalla tipologia di rivestimento stesso ma risulta comunque più conveniente del pannello senza rivestimento.

[il grafico fornisce lo spessore del rivestimento in mil, i millesimi di pollice. 1mil corrisponde a 25,4 mm]

Da non trascurare che il rivestimento più spesso, si garantisce una protezione maggiore dai danni di radiazione, ma è più costoso e limita anche la radiazione incidente “positiva” che mi garantisce la conversione di energia elettrica.

il grafico relazione la potenza massima percentuale nel corso di vita di una cella con e senza rivestimento

Il grafico precedente relazione la potenza percentuale in funzione del tempo trascorso dal decollo di dispositivi con e senza rivestimento protettivo.
Possiamo riassumere quindi il degrado indotto dalla ionizzazione nei seguenti punti principali:
• La trasparenza del vetro che copre le celle solari, possono essere ridotte a causa dello sviluppo di centri di colore causati dalla ionizzazione;
• Gli elettroni ionizzati prodotti dalla radiazione sono intrappolati da impurità presenti nel materiale (in forma di ossido) e agiscono come complessi di difetti stabili;
• Gli effetti ionizzanti possono aumentare la corrente di dispersione creando cariche che vengono intrappolate nello strato passivante del biossido di silicio;
• Le radiazioni ionizzanti alterano anche le proprietà ottiche, elettriche e meccaniche dei materiali organici (ad esempio, i polimeri) utilizzati negli array solari.

Fonti:

  • Miria M. Finckenor, Dr. John Carr, Michael SanSoucie, Darren Boyd,” Simulated Space Environmental Effects on Thin Film Solar Array Components
  • NASA Headquarters Office of Advanced Research and Technology “SPACECRAFT SOLAR CELL ARRAYS”, May 1971
  • S .R. Messenger, G. P. Summers, E. A. Burke, R. J. Walters and M. A. Xapsos, “Modeling Solar Cell Degradation in Space: A Comparison of the NRL Displacement Damage Dose and the JPL Equivalent Fluence Approachesy PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS: RESEARCH AND APPLICATIONS”
  • ntrs.nasa.gov
  • researchgate.net
Umberto Paloni
Laureato in Ingegneria Energetica presso l'Università di Roma Tor Vergata. Appassionato di sport e di musica. Sin da piccolo interessato all'energia e agli scambi energetici in tutte le sue forme, affascinato dall'energia solare e dalle tipologie di strumenti in grado di sfruttarla e convertirla.

    You may also like

    Leave a reply

    Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato.