انواع پنل های خورشیدی

تولید انرژی الکتریکی از انرژی تابشی خورشید در تمامی انواع سلولهای خورشیدی بر پایه «اثر فتوولتاییک (PV)» می باشد که به طور خلاصه، از تحریک الکترونهای لایه ظرفیت یک نیمه‌هادی توسط فوتونهای نور و انتقال آنها از لایه ظرفیت به لایه هدایت انجام می‌پذیرد.

انواع سلول های خورشیدی

پنل های خورشیدی برای مصارف گوناگونی طراحی و ساخته شده اند. یکی از مهم ترین عوامل انتخاب پنل خورشیدی محل نصب آن می باشد چرا که مناطق مختلف دارای شرایط گوناگون آب و هوایی و تابش خورشید می باشد و به همین خاطر سولار پنل مورد استفاده در مناطق گوناگون می بایست با توجه به اقلیم خاص هر منطقه انتخاب گردد. در ادامه به طبقه بندی انواع پنل خورشیدی بر اساس تکنولوژی بکار رفته در ساخت آنها می پردازیم.

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

1) مونوکریستالی (Mono-Crystalline)

2) پلی کریستالی (Poly-Crystalline)

3) فیلم نازک (Thin Film)

4) پلیمری یا ارگانیک (Polymeric/Organic)

انواع پنل های 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
• تین فیلم Thin Film

سیلیس یکی از فراوان ترین عناصر روی زمین می باشد. که به علت فراوانی (به صورت SiO2) و واکنش زیاد الکترون هایش به نور خورشید در ساختار پنل های خورشیدی که اغلب به عنوان پنل های خورشیدی نسل اول از آن یاد می شود در دو نوع پلی کرسیتال سیلیکونی و مونو کریستال سیلیکونی در ساخت پنل های خورشیدی از آن استفاده می شود.

1- پنل خورشیدی مونو کریستال

مونو به معنای «تک» است. همان‌طور که از این نام پیداست، 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 کریستالی

• 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.

2- صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی

«پلی» به معنی «چند» است. همان‌گونه که از نام آن پیداست، برای ساختن این سلول خورشیدی، چند 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. امروزه قیمت صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی پایین آمده است و در ایالات متحده آمریکا، بریتانیا، استرالیا و دیگر بازارهای محلی محبوبیت دوباره پیدا کرده‌اند.

مزایای پنل خورشیدی نوع پلی کریستالی

• 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.

3- صفحات 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.

4- سلول‌‌های خورشیدی فیلم نازک (TFSC) یا (TFPV)

مزایای سلول های خورشیدی فیلم نازک

• تولید گسترده صفحات خورشیدی فیلم نازک نسبت به سلول‌‌های PV کریستالی پیچیدگی کمتری دارد.
• در مقایسه با سایر صفحات خورشیدی مونوکریستالی ارزان‌‌تر هستند.
• ظاهر یکنواخت صفحات خورشیدی فیلم نازک جذاب‌‌تر است و می‌‌توان به منظور زیباسازی از آن‌ها استفاده کرد.
• به دلیل انعطاف‌‌پذیر بودن، این صفحات کاربردهای بسیاری دارند. علاوه بر این، هنگامی که مشکلی از نظر فضا وجود نداشته باشد، استفاده از این نوع صفحات منطقی است.
• صفحات فیلم نازک مقاومت دمایی بالایی دارند، یعنی دمای بالا و سایه تأثیر کمتری روی آن‌ها دارد.

معایب پنل های خورشیدی لایه نازک

• به فضای زیادی نیاز دارند و معمولاً برای مصارف مسکونی مناسب نیستند.
• ساختار پشتیبانی جانبی، کابل‌‌ها، نگهداری و غیره برای نصب صفحه خورشیدی فیلم نازک، این سیستم را هزینه‌‌بر می‌‌کند.
• طول عمر کل صفحات خورشیدی نازک نسبت به صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی و مونوکریستالی کمتر است.

انواع سلول های خورشیدی لایه نازک

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)

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.

1- سولار فیلم نازک سیلیکونی آمورف (A-Si)

سلول خورشیدی سیلیکونی آمورف (Amorphous Silicon Solar Cell) که زیرمجموعه‌‌ای از سلول خورشیدی فیلم نازک سیلیکونی است، اخیراً در بازار محبوبیت پیدا کرده است. این نوع سلول خورشیدی، نیاز کمتری (تقریباً یک درصد) به سیلیکون مورد استفاده در سلول‌‌های خورشیدی کریستالی دارد و نسبت به صفحات خورشیدی پلی‌‌کریستالی یا مونوکریستالی از بازدهی خیلی کمتری برخوردار است (تقریباً 5 تا 6 درصد).

برای تولید سلول خورشیدی سیلیکونی آمورف، یک یا چند لایه از مواد فتوولتائیک بر روی لایه‌‌ای به صورت اسپری گاز قرار می‌‌گیرند که «رسوب بخار» نامیده می‌‌شود.

2- پنل خورشیدی تلورید کادمیوم (Cd-Te)

صفحات خورشیدی فیلم نازک تلورید کادمیوم (Cadmium Telluride Thin Film Solar Panels) مبتنی بر تلورید کادمیوم (CdTe) و فناوری PV (فتوولتائیک) هستند. این صفحات در مقایسه با صفحات خورشیدی سیلیکونی کریستالی در بخش قابل توجهی از بازار، به ویژه در سیستم چند کیلوواتی، مقرون به صرفه هستند.

بازدهی این صفحات خورشیدی در حدود 9 تا 11 درصد است. شرکت First Solar بیش از 5 گیگاوات (GW5) از صفحات خورشیدی فیلم نازک تلورید کادمیوم در سراسر جهان را نصب کرده است. این شرکت رکورد جهانی بازدهی ۱۴٫۴ درصد را برای ماژول فتوولتائیک CdTe در دست دارد.

3-صفحه خورشیدی فیلم نازک از جنس پلی کربنات CIGS

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.

متأسفانه، فتوولتائیک یکپارچه ساختمان در مقایسه با سایر سلول‌‌ها و صفحات PV، سیستم بسیار گران و کم‌‌کارآمدتری است. بنابراین، ترکیب سیستم‌‌های BIPV برای مصارف خانگی و محدود توصیه نمی‌‌شود. این نوع صفحات در پروژه‌‌های عظیمی همچون نیروگاه 10 مگاواتی در بیابانی نزدیک لاس وگاس به کار رفته‌اند.

6- صفحات حرارتی خورشیدی

این سیستم برق خورشیدی یا PV، متفاوت با آن چیزی است که در بالا ذکر شد. این صفحات الکتریسیته تولید نمی‌‌کنند بلکه از طریق خورشید، گرمای لازم برای گرم کردن آب استخر یا مصارف عمومی در خانه تأمین می‌کنند. از برخی از صفحات حرارتی خورشیدی می‌توان برای گرم کردن و تهویه هوا نیز استفاده کرد.

7- صفحات فتوولتائیک و سلول‌‌های خورشیدی هیبریدی

یک ماده آلی (ماده‌‌ای نیمه‌‌رسانا که ویژگی‌‌هایی بین نارسانا و رساناها دارد و به منظور هدایت الکتریکی مورد استفاده قرار می‌‌گیرد) توسط یک ماده رسانای غیرآلی احاطه می‌‌شود تا لایه‌‌های فتوولتائیک را تشکیل دهد. بازدهی این لایه‌‌ها نسبت به لایه تک ماده بیشتر است و مزایای هر دو نیمه‌‌رسانای آلی و غیرآلی را نیز دارد. سلول‌‌های PV هیبریدی به واسطه فرایند R2R، هزینه پایینی دارند.

صفحات خورشیدی هیبریدی نسبت به صفحات PV پلی‌‌کریستالی یا مونوکریستالی خیلی پرهزینه هستند. اگر روی بام فضای زیادی وجود داشته باشد، استفاده از سیستم صفحه خورشیدی هیبریدی توصیه نمی‌‌شود، زیرا در مقایسه با تولید همان مقدار توان الکتریکی توسط صفحات خورشیدی کریستالی، منجر به هزینه بیشتری می‌شوند.