انواع پنل خورشیدی

سلول‌ها و صفحات خورشیدی انواع مختلفی دارند که هنگام طراحی یک سیستم برق خورشیدی باید با توجه به کاربرد مورد نظر، یکی از آن‌ها را انتخاب کرد. این کار، مستلزم شناخت انواع سلول‌های خورشیدی است.

انواع پنل خورشیدی

انواع بسیار متنوعی از پنل های خورشیدی به صورت تجاری یا در مراحل آزمایشگاهی وجود دارد که آنها را به شرح زیر می‌توان دسته‌بندی کرد:

• مونوکریستال (Mono-Crystalline)
• پلی کریستال (Poly-Crystalline)
• فیلم نازک (Thin Film)
• پلیمری یا ارگانیک (Polymeric/Organic)

انواع پنل خورشیدی از نظر نوع ساخت

انواع مختلفی از صفحات خورشیدی فتوولتائیک برای خرید وجود دارد، اما اکثرا از ماده سیلیکون ( Si ) تولید می شوند که دومین عنصر فراوان در پوسته زمین (پس از اکسیژن) است. سیلیکون همان ماده ای است که از شن و ماسه ساخته می شود و به تنهایی بسیار خالص نیست. بنابراین باید قبل از استفاده از آن به عنوان یک ماده نیمه هادی، خلوص ماده را تا 99.99٪ افزایش داد. سیلیکون در بسیاری از انواع سلول های فتوولتائیک، ترانزیستورها و یا تجهیزات دیجیتال استفاده می شود.

دو نوع اصلی از موادی که در صفحات خورشیدی استفاده می شوند عبارتند از سیلیکون بلورین و رسوبات فیلم نازک ( Thin Film ) که از لحاظ بازده جذب نور، بازده تبدیل انرژی، تکنولوژی تولید و هزینه تولید متفاوت می باشند. سلول های خورشیدی سیلیکون بلورین شایع ترین نوع هستند که امروزه بسیار استفاده می شوند. سه نوع کلی پنل های ساخته شده از سیلیکون عبارتند از:

• پلی کریستال سیلیکونی Poly Crystal
• مونو کریستال سیلیکونی Mono Crystal
• فیلم نازک Thin Film

پنل خورشیدی پلی کریستال (پربلوری)

«پلی» به معنی «چند» است. برای ساختن این سلول خورشیدی، چند دانه های تک کریستال سیلیکونی خالص مختلف با هم ترکیب می‌‌شوند. این سلول‌‌ها راست گوشه هستند و در مقایسه با صفحات خورشیدی مونوکریستالی، سیلیکون کمتری نیاز دارند که باعث می‌‌شود هزینه کمتری نیز داشته باشند.

علاوه بر این، سلول‌های پلی‌کریستالی (Polycrystalline Cells) نسبت به سلول‌‌های PV مونوکریستالی بازدهی کمتری دارند (تقریباً ۱۳٫۵ تا 17 درصد). این سلول‌‌ها پلی‌‌سیلیکون یا سیلیکون مولتی‌‌کریستالی نیز نامیده می‌‌شوند و نخستین بار در سال 1981 به بازار عرضه شدند.

برای ساختن سلول‌‌های PV پلی‌‌کریستالی، سیلیکون خام خالص را ذوب می‌‌کنند و داخل یک قالب مربعی می‌‌ریزند تا خنک شود، سپس آن را به صورت آرایه‌‌ها و ویفرهای کاملاً مربعی برش می‌‌دهند. در صفحه خورشیدی پلی‌‌کریستالی یک آرایش بلوری غیریکنواخت وجود دارد که به دلیل انعکاس مقداری نور به عقب، کمی آبی‌‌تر به نظر می‌‌رسد.

مزایای پنل خورشیدی نوع پلی کریستال

• صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی، قدرت تحمل کمتری نسبت به گرما دارند (یعنی عملکرد آنها در دمای بالا در مقایسه با ماژول‌‌های PV خورشیدی مونوکریستالی کمتر است، زیرا ممکن است گرما صفحات خورشیدی را مختل کند و طول عمر آن‌ها را کاهش دهد). با وجود این، اکثر صاحب‌‌خانه‌‌ها و خریداران صفحه خورشیدی به این موضوع توجه نمی‌‌کنند و هنگامی که نقشه نصب صفحه خورشیدی را طراحی می‌‌کنند، آن را در نظر نمی‌‌گیرند.
• فرایند تولید سیلیکون پلی‌‌کریستالی، ساده‌‌تر و کم‌‌هزینه‌‌تر است.
• به طور خلاصه، ساخت این نوع صفحه مقرون به صرفه است، بازدهی خوبی دارد و مساحت کمی را روی بام اشغال می‌‌کند. همچنین، معمولاً در دسترس بوده و جابه‌جایی و استفاده از آن آسان است.

معایب صفحه خورشیدی نوع Poly-Crystal

• بازدهی صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی تقریباً ۱۳٫۵ تا 17 درصد است. از نظر فنی، این بدین معنی است که اگر 100 وات انرژی پتانسیل خورشیدی به این صفحه خورشیدی برخورد کند، خروجی آن حدود ۱۳٫۵ تا 17 وات انرژی الکتریکی تولید شده خورشیدی خواهد بود. از این رو، این نوع صفحه نسبت به صفحه خورشیدی مونوکریستالی اندکی کم‌‌بازده‌‌تر است.
• ماژول‌‌های PV پلی‌‌کریستالی در مقایسه با صفحه خورشیدی مونوکریستالی هم‌‌اندازه خود (دارای سطح یکسان) برق کمتری تولید می‌‌کنند (البته همیشه این‌گونه نیست).
• این صفحه در مقایسه با صفحه خورشیدی مونوکریستالی و فیلم نازک از نظر زیبایی برای استفاده مناسب نیست، زیرا به دلیل داشتن چند رنگ آبی متفاوت، ظاهر یکنواختی ندارد.

پنل خورشیدی مونو کریستال (تک بلوری)

مونو به معنای «تک» است. سلول‌‌های صفحه خورشیدی مونوکریستالی (Monocrystalline Solar Panels) از یک کریستال سیلیکونی خالص ساخته می‌‌شوند. همچنین، این نوع صفحات، صفحه سیلیکونی تک‌‌کریستالی نامیده می‌‌شوند، زیرا فقط از یک کریستال برای ساخت آرایه استفاده می‌‌شود که خلوص صفحه خورشیدی (PV) و ظاهر یکنواخت در ماژول PV را فراهم می‌‌سازد.

صفحات خورشیدی مونوکریستالی (سلول‌‌های PV) به شکل گرد هستند و میله‌‌های کریستال سیلیکونی در سراسر ماژول PV، استوانه‌‌ای به نظر می‌‌رسند. بنابراین، تفاوت صفحه فتوولتائیکِ پلی‌کریستالی و مونوکریستالی این است که سلول‌‌های خورشیدی مونوکریستالی به صورت استوانه‌‌ای با لبه‌‌های گرد به نظر می‌‌آیند.

مزایای پنل های خوشیدی مونو کریستال

• بازده صفحات خورشیدی مونوکریستالی 15 تا 20 درصد است، در حالی که آخرین صفحات خورشیدی مونوکریستالی در آزمایشگاه‌‌ها 25 درصد بازدهی داشتند و بازده تأییدشده 21 درصد است. در ایالات متحده، بازده سری E20 تقریباً تا 20 درصد و سری X PV برق خورشیدی 21٫5 درصد است.
• PV مونوکریستالی به کمترین مقدار فضا نیاز دارد و مساحت کوچکی را روی بام اشغال می‌‌کند.
• طول عمر میانگین صفحات خورشیدی مونوکریستالی حدود 25 سال است، در حالی که سازنده‌‌های سایر صفحات فتوولتائیک 25 تا 30 سال عمر را برای آن‌ها پیش‌‌بینی می‌‌کنند.
• کارایی این صفحات در شرایط نوری یکسان، بهتر از صفحات پلی‌کریستالی است. علاوه بر این، صفحات خورشیدی مونوکریستالی تا چهار برابر مقدار انرژی الکتریکی بیشتری را در مقایسه با صفحات خورشیدی فیلم نازک تولید می‌‌کنند.
• به طور خلاصه، صفحات خورشیدی مونوکریستالی، پربازده‌‌ترین ماژول PV موجود، محبوب‌‌ترین فناوری در بازار و عموماً در دسترس هستند. همچنین، کمترین مساحت را روی بام اشغال می‌‌کنند و جابه‌جایی و استفاده از آن‌ها آسان است.

معایب صفحات خورشیدی Mono-Crystal

• صفحات خورشیدی مونوکریستالی گران هستند. هزینه اولیه صفحات PV مونوکریستالی در مقایسه با ماژول‌‌های PV خورشیدی فیلم نازک یا صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی بسیار بالاست.
• این نوع صفحات از یک کریستال سیلیکونی ساخته می‌‌شوند، بنابراین، اگر اندکی از مساحت صفحه خورشیدی با برف، خاک یا سایه پوشیده شود، ممکن است کل مدار PV را قطع کند.
• در این فناوری، مقدار زیادی از سیلیکون خالص هدر می‌‌رود. برای ساختن آرایه‌‌ها و ویفرهای سیلیکونی به شکل استوانه‌‌ای بزرگ (فرایندی به نام فرایند چوکرالسکی که برای تولید سیلیکون مونوکریستالی استفاده می‌‌شود)، چهار رأس سلول‌‌های PV ساخته شده از این استوانه‌‌ها بریده می‌‌شوند که منجر به اتلاف مقدار زیادی سیلیکون خالص خواهد شد.
• با افزایش دما، بازده این صفحات بیشتر می‌‌شود. به عبارت دیگر، در هوای گرم و هنگام تابش کامل آفتاب بهتر کار می‌‌کنند، اما اغلب، این نکته مورد توجه قرار نمی‌گیرد.

 

سلول‌‌های خورشیدی نوار رشته‌‌ای

ساخت سلول‌‌های خورشیدی نوار رشته‌‌ای (String Ribbon Solar Cells) طی فرایندی صورت می‌‌گیرد که در آن نوارها و ورق‌‌های سیلیکونی مولتی‌‌کریستالی ساخته می‌‌شوند. در این فرایند، سیم‌‌های مقاوم در برابر دمای بالا از داخل سیلیکون مذاب بیرون کشیده می‌‌شوند تا نوار نازک مولتی‌‌کریستالی از بلورهای سیلیکونی ساخته شود. سپس، این نوارهای بسیار نازک به طول‌‌های مختلف بریده می‌‌شوند. صفحات خورشیدی ساخته شده با فناوری نوار رشته‌‌ای شبیه صفحات PV پلی‌‌کریستالی به نظر می‌‌رسند. این فرایند نخستین بار در دهه 1970 شرکت‌های Mobil-Tyco و Solar Energy Corp و Evergreen solar، بزرگترین تولیدکنندگانی بودند که برای ساخت سلول‌‌های خورشیدی از فناوری نوار رشته‌‌ای استفاده می‌‌کردند. صفحات PV نوار رشته‌‌ای نیز از سیلیکون پلی‌‌کریستالی ساخته می‌‌شوند.

مزایا:

• این صفحات هزینه تولید پایین‌‌تری دارند و استفاده از آن‌ها آسان است.
• بازدهی صفحات خورشیدی نوار رشته‌‌ای حدود 13 تا 14 درصد است (در حالی که محققان در آزمایشگاه‌‌ها به بازدهی 18 تا 19 درصد دست یافتند).

معایب:

• ساخت آن‌ها به انرژی بیشتری نیاز دارد.
• از نظر فضای مورد استفاده، کمترین بازدهی را دارند.

 

پنل خورشیدی فیلم نازک

یکی دیگر از انواع پنل های سولار، سلول های خورشیدی فیلم نازک هستند که در ابتدا برای کاربرد های فضایی و تامین توان ماهواره ها استفاده می شد و نسبت تبدیل توان به سایز و وزن نسبت به نوع سیلیکونی بهتر و کارآمدتر می باشد. مواد نیمه هادی فیلم نازک به صورت چاپ سطحی یا اسپری بر روی یک بستر شیشه ای، فلزی یا پلاستیکی مونتاژ می شوند.

با استفاده از این تکنولوژی ساخت، ضخامت کلی هر یک از سلول های خورشیدی به طور قابل توجهی کوچکتر از یک سلول بلورین معمولی می شود، از این رو به آن فیلم نازک قابل انعطاف می گویند. از آنجایی که مواد فتوولتائیک در پنل های فیلم نازک به طور مستقیم بر روی یک شیشه یا فلز، اسپری می شوند، بنابراین فرایند تولید سریع تر و ارزان تر است. تکنولوژی فتوولتائیک فیلم نازک برای استفاده در نیروگاه برق خورشیدی باعث کوتاه تر شدن زمان بازگشت سرمایه نیروگاه خورشیدی می شود.

اگرچه مواد فیلم نازک جذب نور بیشتری نسبت به مواد کریستال سیلیکونی دارند اما سلول های خورشیدی فیلم نازک برای تولید برق خورشیدی کارایی ضعیف تری دارند که نیاز به ساختار و سلول بزرگتری می باشد.

انواع صفحات خورشیدی فیلم نازک بر اساس مواد سازنده آن‌ها و مواد نیمه هادی مورد استفاده برای انواع فیلم نازک عبارتند از :

• سیلیکون آمورف (a-Si/TF-Si)
• سلنید گالیوم ایندیوم مس (CIGS/CIS)
• تلورید کادمیوم (CdTe)
• پلی کریستال مس، ایندیوم و سلنیم (CIS)

نسل سوم سلول‌‌های خورشیدی فیلم نازک نیز وجود دارند، اما از نظر تجاری به هیچ وجه در دسترس نیستند و محققان امیدوارند که رؤیای استفاده از آن‌ها خیلی زود به واقعیت بپیوندد. این سلول‌‌های خورشیدی عبارتند از:

• سلول‌‌های فتوولتائیک آلی (OPC/OPC) (اکنون موجود نیستند.)
• حساس شده با رنگ
• سلول‌‌های خورشیدی پلیمری
• نقطه کوانتوم
• سولفید قلع روی مس
• نانوکریستال
• سلول‌‌های خورشیدی پروسکایت

صفحات خورشیدی فیلم نازک در مقایسه با فناوری سلول خورشیدی سیلیکونی کریستالی (c-SI) معمولی، ارزان‌‌تر هستند و بازدهی کمتری نیز نسبت به آن دارند. هرچند، توسعه فناوری‌های اخیر، بازدهی سلول آزمایشگاهی ساخته شده از تلورید کادمیوم (CdTe) و سلنید گالیوم ایندیوم مس (CIGS/CIS) را تا 20 درصد تأیید می‌‌کند.

پنل فیلم نازک CIGS یکی دیگر از سلول های فتوولتائیک است که یک پلیمر نازک نیز به صورت پلی کربنات به پلی کریستال CIS اضافه شده است. اضافه کردن مقدار کمی گالیم (Ga) در ترکیب سلول های خورشیدی فتوولتائیک باعث بهره وری بیشتر ار 12 درصد با همان مقدار نور خورشید می شود که ولتاژ مدار باز 0.7 ولت می باشد. این به این دلیل است که گالیم که مایع شبیه جیوه در دمای اتاق است، باند جذب نور سلول خورشیدی را افزایش می دهد و در نتیجه هدایت آن را بهبود می بخشد که اجازه می دهد الکترون ها آزادانه از طریق سلول به الکترود حرکت کنند .

4-سلول فیلم نازک از جنس پلی کریستال CIS

پلی کریستال فیلم نازک CIS، نوعی دیگر از مواد نیمه هادی می باشد که از مس، ایندیوم و سلنیوم تشکیل شده است و همچنین سلول های CIS یکی از ترکیب های نیمه هادی جذب کننده نور هستند که تا 90 درصد طیف خورشیدی را جذب می کنند.

اگر چه ترکیبات مسی بسیار کارآمد هستند اما پیچیدگی فرمولاسیون ترکیب نیمه هادی باعث می شود آنها را برای تولید، گران و دشوار کند. همچنین، ایندیوم نسبتا گران است زیرا علاوه بر منابع محدود، دسترسی به فلز ایندیوم محدودیت های زیست محیطی دارد. همچنین مسائل مربوط به ایمنی سلنیوم نیز باعث کاهش تولید این نوع سلول خورشیدی شده است زیرا سلنید هیدروژن یک گاز بسیار سمی است.

5-صفحات فتوولتائیک یکپارچه ساختمان

فتوولتائیک یکپارچه ساختمان (Building Integrated Photovoltaic Panels) یا BIPV برای بخشی از ساختمان همچون دیوارها، پشت بام، سر درها، پنجره‌‌ها و غیره که ممکن است با مواد فتوولتائیک تناسب داشته باشند، طراحی می‌‌شود (توفال‌‌های خورشیدی بهترین نمونه فتوولتائیک یکپارچه ساختمان هستند). این صفحات خیلی خوب و زیبا به نظر می‌‌رسند، اما گران هم هستند.

انواع دیگر پنل های خورشیدی

انواع پنل های خورشیدی که در بالا ذکر شدند، بیش از ۹۵ درصد بازار را به خود اختصاص داده اند، اما انواع دیگری از سلول های خورشیدی فتوولتائیک فیلم نازک نیز وجود دارند که در حال تحقیق و توسعه می باشند. در ادامه به شرح و توزیع هر یک به صورت مجزا می پردازیم که عبارتند از :

• صفحه خورشیدی چند منظوره
• سلول های PV حساس به نور
• پنل فتوولتائیک سه بعدی (3D)

پنل های سولار چند منظوره

این نوع سلول های فتوولتائیک خورشیدی که برای به حداکثر رساندن بازدهی تبدیل انرژی و کارایی بیشتر پانل خورشیدی استفاده می شوند، به صورت طرح چند لایه ای که در آن دو یا چند اتصال مجدد PV بین لایه های مختلف پنل فتوولتائیک ایجاد می شود و با عبور نور از هر لایه، لایه های بعدی جذب نور را انجام می دهند.

مزیت تکنولوژی پنل چند منظوره این است که هر لایه از پنل سولار برای طیف خاصی از فوتون های نوری تعریف شده اند که این لایه بندی باعث افزایش کارایی کلی، بازدهی بیشتر تبدیل انرژی و کاهش تخریب در کارایی می شود. پنل های چند منظوره با سلول های سیلیکونی آمورف استاندارد قابل تولید می باشند.

پنل خورشیدی حساس به نور

نسل سوم فناوری پنل های خورشیدی به سلول های فتوولتائیک حساس به نور تعلق دارد که به جای استفاده از اتصال PN به صورت جامد، از اتصال حالت مایع برای تولید سلول های PV استفاده می شود. به این سلول های فتوولتائیک حساس به نور، سلول الکتروشیمیایی یا الکترولیت PV می گویند. این نوع سلول خورشیدی با استفاده از مولکول میکروسکوپی رنگ حساس به نور بر روی یک فیلم نانو کریستال یا پلیمر تولید می شود.

انرژی نور فوتونی که توسط رنگ جذب می شود، الکترون ها را هدایت می کند و موجب جریان برق از طریق نیمه هادی ها می شود. مزیت یک سلول فوتوولتائیک الکتروشیمیایی نانوکریستال حساس به رنگ، این است که رنگ را می توان بر روی هر سطحی تولید کرد که میزان بازده تبدیل حدود ۱۰ درصد است. مزیت این نوع تکنولوژی این است که بر روی هرسطحی با قیمت کم می توان یک تولید برق خانگی راه اندازی کرد.

پنل خورشیدی سه بعدی

این نوع سلول فتوولتائیک از یک ساختار سه بعدی منحصر به فرد برای جذب بیشتر انرژی خورشید در همه جهات استفاده می کند و به پنل های سه بعدی معروف هستند. این سلول از یک آرایه ۳ بعدی از ساختارهای مولکولی مینیاتوری تشکیل شده است که نور خورشید را تا حد ممکن جذب می کند و باعث افزایش بهره وری و خروجی ولتاژ می شود. پنل سه بعدی اندازه، وزن و پیچیدگی کمتری نسبت به انواع دیگر صفحات دارد.

پنل های فتوولتائیک (PV) با تبدیل نور به برق خورشیدی بدون ایجاد مشکلات محیط زیستی مانند آلودگی و زباله، از نور خورشید استفاده بهینه می کنند. سلول های خورشیدی فوتوولتائیک (PV) از مواد ویژه به نام نیمه هادی سیلیکون (Si) ساخته می شوند که در حال حاضر بیشترین استفاده و کاربرد را دارند.

سیلیکون بلورین در طول دو دهه گذشته ماده اصلی سلول های PV بوده و در واقع بیش از ۹۵٪ از انواع پنل های خورشیدی تولید شده در سراسر جهان از سیلیکون بلوری تشکیل شده است. با این حال، پیشرفت های اخیر در فن آوری سلول های خورشیدی، سلول های فیلم نازک و دیگر انواع سلول های فتوولتائیک با کارایی بیشتر در حال توسعه و تولید می باشند.

 

 

تفاوت پنل های خورشیدی

راندمان صفحات خورشیدی مونو کریستال بالا تر ازصفحات خورشیدی پلی کریستال است. به همین علت در مکان های که با کمبود جا مواجه هستند از پنل خورشیدی مونو کریستال استفاده می کنند زیرا برق تولید شده توسط مونو کریستال بیشتر از پنل خورشیدی پلی کریستال در فضای مشابه است. اما در پروژه هایی که زیر بنای مناسبی دارند به در نظر گرفتن فاکتور های اقتصادی از پلی کریستال استفاده می کنند زیرا هزینه تولید و خرید پنل های خورشیدی پلی کریستال مقرون به صرفه تر از پنل های خورشیدی مونو کریستال می باشد می باشد.

کارآیی پنل های مونو کریستالی عموماً بالای ۲۰% است. کارآیی پنل های پلی کریستالی غالباً بین ۱۵ تا ۱۷% است.

پنل های مونو کریستالی به دلیل فرآیند تولید انرژی‌بر و ناکارآمدشان (چرا که بازدهی هر بلور سیلیکونی تنها ۵۰% است)، قیمت بالایی دارند. با این حال ماژول های پلی کریستالی ارزان‌تر هستند، زیرا از قطعات کریستالی باقی مانده از تولید پنل های مونو کریستالی ساخته می شوند؛ از این رو فرآیند ساخت آنها ساده تر و هزینه های تولیدشان پایین تر می باشد.

در میان پنل های خورشیدی فیلم نازک، پنل های CIGS از همه گران تر هستند و پس از آن پنل های CdTe و سیلیکون آمورف در رده های بعدی قرار می گیرند. ماژول های فیلم نازک جدای از قیمت پایین آنها، از آنجاییکه وزن پایین تری داشته و انعطاف پذیری بالاتری دارند و آسان تر نصب می شوند؛ لذا هزینه های نیروی کار آنها در هنگام نصب پایین تر می باشد.