Είναι τα ηλιακά κύτταρα όντως ανθεκτικά στον ήλιο;

Τα ηλιακά κύτταρα είναι μη μηχανικές συσκευές που χρησιμοποιούν ημιαγωγούς για να μετατρέψουν απευθείας το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου. Διαισθητικά, οι άνθρωποι μπορεί να πιστεύουν ότι τα ηλιακά κύτταρα ευδοκιμούν υπό έντονο ηλιακό φως, αλλά όντως ισχύει αυτό;

Η ανθρωπότητα χρησιμοποιεί εδώ και καιρό την ηλιακή ενέργεια, με τρεις κύριους τρόπους μετατροπής της: φωτοβολταϊκή μετατροπή, φωτοθερμική μετατροπή και φωτοχημική μετατροπή. Η φωτοβολταϊκή (Φ/Β) παραγωγή ενέργειας, η οποία μετατρέπει το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια, είναι μια από τις πιο αποδοτικές χρήσεις της ηλιακής ενέργειας.

Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1839 από τον Γάλλο επιστήμονα Εντμόν Μπεκερέλ και αναφέρεται στη δημιουργία ηλεκτρικού δυναμικού όταν το φως χτυπά έναν ημιαγωγό. Αργότερα, ο Αϊνστάιν εξήγησε αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιώντας την κβαντική θεωρία του φωτός, η οποία του χάρισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1921.

Σε αντίθεση με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο συμβαίνει όταν το φως προσπίπτει σε έναν μόνο αγωγό, το φωτοβολταϊκό φαινόμενο συμβαίνει στο όριο μεταξύ δύο ημιαγωγικών πλακών. Όταν συνδέονται με ένα καλώδιο, αυτό το όριο δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο, επιτρέποντας τη ροή ρεύματος.

Πώς, λοιπόν, μετατρέπουν τα ηλιακά κύτταρα το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια; Το ηλιακό φως είναι ένα ευρύ φάσμα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Όταν προσπίπτει σε ένα ηλιακό στοιχείο, η ακτινοβολία μπορεί να ανακλαστεί, να απορροφηθεί ή να διέλθει από μέσα του. Μόνο η απορροφούμενη ακτινοβολία μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.

Για τους ημιαγωγούς με βάση το πυρίτιο, απαιτείται ενέργεια 1,11 ηλεκτρονιοβόλτ (eV) για να αποκολληθεί ένα ηλεκτρόνιο από το άτομό του. Μόνο φωτόνια με ενέργεια μεγαλύτερη από αυτό το όριο μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, η πλεονάζουσα ενέργεια από φωτόνια υψηλότερης ενέργειας χάνεται ως θερμότητα, συμβάλλοντας στη θέρμανση του ηλιακού πάνελ, το οποίο μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία του πάνω από τον αέρα του περιβάλλοντος.

Σε αντίθεση με ό,τι πιστεύεται ευρέως, τα ηλιακά πάνελ με βάση το πυρίτιο προτιμούν στην πραγματικότητα ψυχρότερα περιβάλλοντα, παρόλο που εξακολουθούν να χρειάζονται ηλιακό φως. Καθώς οι θερμοκρασίες αυξάνονται, τα ηλιακά πάνελ παράγουν λιγότερη ενέργεια, παρά το γεγονός ότι λαμβάνουν την ίδια ποσότητα ηλιακού φωτός.

Οι υψηλές θερμοκρασίες μειώνουν κυρίως την τάση ανοιχτού κυκλώματος (την τάση όταν δεν ρέει ρεύμα), αν και το ρεύμα βραχυκυκλώματος (το ρεύμα όταν το στοιχείο βραχυκυκλώνεται) παραμένει σχετικά σταθερό. Αυτό σημαίνει ότι οι υψηλότερες θερμοκρασίες οδηγούν σε χαμηλότερη απόδοση και μειωμένη ισχύ εξόδου.

Τα ηλιακά στοιχεία συνήθως δοκιμάζονται σε τυπική θερμοκρασία 25°C (77°F). Όταν η θερμοκρασία του πάνελ φτάσει τους 60°C (140°F) ή υψηλότερη, η ισχύς εξόδου του μειώνεται σημαντικά. Για κάθε βαθμό αύξησης της θερμοκρασίας, το ρεύμα βραχυκυκλώματος αυξάνεται μόνο κατά 0,04%, ενώ η τάση ανοιχτού κυκλώματος μειώνεται κατά 0,4%.

Παρόλο που η απόδοση μειώνεται το καλοκαίρι, η αφθονία του ηλιακού φωτός κατά τη διάρκεια αυτής της εποχής εξακολουθεί να οδηγεί σε υψηλότερη συνολική παραγωγή ενέργειας σε σύγκριση με άλλες εποχές.