انواع سلول های خورشیدی + بررسی جامع عملکرد آنها

در این مقاله آموزشی قصد داریم با انواع سلول ها و پنل های خورشیدی آشنا شده و به کاربرد، عملکرد و تفاوت هر یک بپردازیم و آنها را از جوانب مختلف با یکدیگر مقایسه می کنیم.

سلول های خورشیدی انرژی تابشی خورشید را دریافت کرده و از طریق پدیده فتوالکتریک به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. نیمه هادی هایی همچون سیلیکون، گالیم آرسنید، کادمیوم تلوراید یا دی سلنید ایندیوم مس در ساخت سلول های خورشیدی استفاده می شود.

هر پنل خورشیدی از قطعات کوچکتری بنام سلول خورشیدی تشکیل می شود، سلول های خورشیدی کریستالی بیشترین سهم بازار را به خود اختصاص می دهند.

انواع سلول های خورشیدی

همانطور که می دانیم با توجه به سرعت روز افزون پیشرفت تکنولوژی، سلول های خورشیدی با استفاده از مواد اولیه و تکنولوژی های متفاوت پا به عرصه حضور میگذارند که برخی از آنها هم اکنون به لحاظ اقتصادی قابل استفاده می باشند که از آنها با نام سلول ها و ماژول های خورشیدی تجاری نام می برند و برخی دیگر که هم اکنون به بلوغ تکنولوژی خود نرسیده اند و استفاده از آنها در حال حاضر توجیه اقتصادی ندارد و صرفا در مراحل آزمایشگاهی قرار دارند که با تکنولوژی های نو ظهور نام می برند.

با توجه به اینکه بیش از 90 درصد از سهم بازار در سیستم های فتوولتائیک مربوط به ماژول های سیلیکون کریستالی است، تمرکز در مباحث را روی این ماژول ها خواهیم داشت.

بصورت کلی سلول های خورشیدی به شکل زیر دسته بندی می شوند :

• سیلیکون کریستال شامل دو دسته مونو کریستال ها و پلی کریستال ها
• فیلم نازک
• پلیمری و ارگانیک
• چنداتصالی یا چندلایه
• متمرکز کننده ها

پنل های خورشیدی مونو کریستال

فرآیند ژورچالسکی برای تولید سیلیکون تک کریستالی در سلول های خورشیدی بکار گرفته می شود. در این فرآیند، مواد اولیه پلی کریستال در یک بوته آزمایش کوارتز ذوب می شود که دمائی در حدود 1420 سانتی گراد دارد. هسته کریستال با یک جهت مشخص به داخل سیلیکون مذاب فرو برده می شود و به آرامی به خارج از مذاب کشیده می شود.

در طول این فرآیند، کریستال به مقدار یک مونو کریستال استوانه ای تا قطر 30 سانتی متر و چندین متر در طول، رشد خواهد کرد. سپس به صورت لایه لایه یا همان ویفر بریده می شود. قلب سلول خورشیدی که یک اتصال PN می باشد تهیه شد، بعد از آن پوشش ضدانعکاس با نام مخفف AR و سپس خطوط عبور جریان روی آن چاپ می شود. سرانجام، برای جلوگیری از اتصال کوتاه، عملیات کلیشه سازی انجام می شود که لبه های لایه های P و N به صورت مجزا مشخص باشند.

پنل های خورشیدی پلی کریستال

در فرآیند تولید سلول های خورشیدی پلی کریستال، ابتدا سیلیکون در بوته آزمایش کوارتز ذوب می شود و در قالب هایی به شکل مکعب قالب گیری می شود. حین کنترل گرمایش و سرمایش، قالب را بصورت تک جهتی سرد می کنند. هدف از این جامدسازی یک طرفه، شکل دادن تعداد زیادی کریستال های سیلیکونی تا حد امکان همگن در سایزهای چند میلی متر تا چندسانتی متر می باشد.

دانه های کریستالی ایجاد شده در جهات مختلف شکل گرفته اند که باعث پایین تر بودن بازدهی آنها نسبت به سلول های خورشیدی مونوکریستال می باشد. سایر مراحل تولید مانند سلول های خورشیدی مونو کریستال خواهد بود.

پنل های خورشیدی فیلم نازک (تین فیلم)

از سال 1990 تاکنون، تکنولوژی فیلم نازک یا تین فیلم شناخته شده و مورد بهره برداری قرار گرفته است. در این تکنولوژی از نیمه هادی های حساس به نور استفاده شده است که در لایه های نازک با قیمت پایین می باشد. سیلیکون آمورف، دی سلنید ایندیوم، کادمیوم تلوراید، ژرمانیوم و غیره به عنوان مواد اولیه استفاده شده اند.

بخاطر جذب بالای نور این مواد، ضخامت لایه های کمتر از 0.001 میلی متر نیز می توانند تبدیل نور به الکتریسیته را انجام دهد. در مقایسه با درجه حرارت مورد نیاز برای تولید سلول های کریستالی که حدود 1500 درجه سانتی گراد است، در این تکنولوژی بین 200 تا 600 درجه سانتی گراد برای تولید سلول خورشیدی فیلم نازک نیاز می باشد. برای تولید سلول و ماژول های فیلم نازک هیچ محدودیتی برای سایز سلول وجود ندارد.

پنل های خورشیدی پلیمری و ارگانیک

تکنولوژی سلول های خورشیدی ارگانیک و پلیمری هم اکنون در مراحل آزمایشگاهی و تحقیقاتی هستند، اما در آینده موثر و کاربردی خواهند بود. به دلایل زیر سلول های خورشیدی ارگانیک و پلیمری هم می توانند در صنعت فتوولتائیک در آینده حرف هایی برای گفتن داشته باشند :

1. وزن سبک و مواد اولیه کمی مصرف می کنند چرا که به راحتی به لایه های بسیار نازک تبدیل می شوند و شکل آنها قابل انعطاف و هزینه مواد اولیه اندک است.
2. قابل تلفیق با سایر موادی مثل پوشاک، سیستم های قابل انعطاف و …

تفاوت بین سلول خورشیدی، پنل و آرایه خورشیدی چیست؟

اگر به تصویر بالا توجه کنید، می بینید که هر ماژول یا پنل خورشیدی از تعدادی سلول خورشیدی تشکیل شده است. این سلول های خورشیدی با اتصال سری در کنار هم قرار گرفته اند مگر در ماژول های خاص، و نهایتا یک خروجی دارند.

آرایه خورشیدی نیز از مجموعه ماژول (پنل) ها در کنار یکدیگر به صورت چیدمان فیزیکی تشکیل می شود که مستقل از اتصال الکتریکی بین آنهاست و ماژول های خورشیدی می توانند باهم اتصال سری، موازی و یا ترکیبی از آنها داشته باشند.

مقایسه بازدهی و کاربرد انواع سلول های خورشیدی

بازدهی یا Efficiency انواع سلول های خورشیدی مونو کریستال، پلی کریستال و فیلم نازک را به صورت تقریبی در شکل بالا مشاهده می کنید، پنل های خورشیدی مونو کریستال بصورت حدودی 2 تا 3 درصد بازدهی بیشتری نسبت به پلی کریستال ها دارند، اما قیمت آنها نیز حدودا 10 تا 15 درصد گران تر می باشد.

در سیستم های فتوولتائیک متصل به شبکه، عموما از پنل های خورشیدی مونو کریستال یا پلی کریستال استفاده می شود. بازدهی کمتر پنل های خورشیدی پلی کریستال در مقایسه با قیمت کمترش نسبت به پنل های خورشیدی مونوکریستال، آنها را در این سیستم ها به لحاظ مقدار مصرف کاربران، برابر می کند.

پنل های خورشیدی فیلم نازک از آنجا که ابعاد بزرگتری در توان یکسان نسبت به پنل های خورشیدی کریستالی دارند، در سیستم های خورشیدی مستقل از شبکه در توان های نه چندان بالا و در سیستم های خورشیدی متصل به شبکه با ظرفیت پایین مورد استفاده واقع می شوند.

تست های مختلف روی پنل های خورشیدی و اخذ استاندارد IEC 61215

استاندارد IEC 61215، مهمترین استاندارد برای تاییدیه فنی یک پنل خورشیدی کریستالی است که شامل انجام 18 تست بر روی پنل خورشیدی است که از بازرسی ظاهری پنل گرفته تا تست قایقی، تست نقطه داغ، تست تگرگ، تست ضربه، تست دمای کارکرد سلول، تست حرارتی دیود بایپس، NOCT، STC و غیره را شامل می شود.

پنل های خورشیدی 60 سلولی و 72 سلولی

پنل های خورشیدی که در اکثر نیروگاه های خورشیدی استفاده می شود عمدتا 60 سلولی و 72 سلولی می باشند که برای افزایش ولتاژ تولید شده، سلول ها با یکدیگر سری می شوند و هر سلول دارای ابعاد 15.6 * 15.6 سانتی متر می باشد.

پنل های 60 سلولی از از 6 ردیف 10 سلولی و پنل های 72 سلولی از 6 ردیف 12 سلولی تشکیل می شوند که برای هر دو ردیف یک دیود بایپس در جعبه تقسیم پنل دیده شده است، بنابراین هر دو پنل ها دارای سه دیود بایپس هستند.

ابعاد حدودی پنل های 60 سلولی 1.63 * 0.96 متر و پنل های 72 سلولی 1.96 * 0.96 متر می باشد، اگرچه برای تولید کنندگان متفاوت چند سانتی متر اختلاف وجود دارد. در حال حاضر پنل های 60 سلولی تا توان 310 وات و پنل های 72 سلولی تا توان 380 وات ساخته شده اند.

لازم به ذکر است که در حال حاضر پنل های 96 سلولی نیز توسط 3 تولید کننده ساخته شده اند که سلول ها در 8 ردیف 12 سلولی بوده و ابعادی معادل با 1.96 * 1.36 متر دارند که توان هایی تا 500 وات نیز از این پنل ها ساخته شده اند.

باسبار ها و مولتی وایر ها در سلول های خورشیدی کریستالی

اگر به ظاهر سلول های خورشیدی کریستالی توجه کرده باشید، قطعا آلیاژ های باریک نقره ای رنگ را روی سلول ها دیده اید که از بالا به پائین کشیده شده اند که به آنها باسبار می گویند. وظیفه این باسبار ها جمع آوری الکترون ها از سطح سلول و نهایتا رساندن به دو سر خروجی پنل است. بنابراین هر چه تعداد این باسبار ها بیشتر باشد (مشروط بر اینکه تلفاتشان هم کم باشد) جریان بیشتر و نهایتا توان بیشتری به دو سر پنل منتقل خواهد شد.

در گذشته سلول ها با 2 باسبار ساخته می شد و سپس 3 باسبار و هم اکنون با 4 تا 6 باسبار ساخته می شود. از طرفی همین باسبار ها روی سطح سلول، سایه می اندازند، بنابراین تکنولوژی جدیدتری مانند مولتی وایرها نیز وجود دارند که به عنوان مثال 12 مولتی وایر جای باسبار ها را گرفته اند که باعث افزایش توان تولیدی پنل می شوند. تصویر بالا بخشی از یک پنل با سلول های دارای 12 مولتی وایر را نشان می دهد.

دسته بندی پنل های خورشیدی به لحاظ قاب پنل

پنل های خورشیدی یا دارای قاب آلومینیومی به دور خود هستند و یا فاقد آن هستند. پنل های که فاقد قاب هستند برای موارد زیر کاربرد دارند :

• برای نصب در نماهای ساختمان به عنوان سیستم یکپارچه با ساختمان (BIPV)
• بکار رفتن در سیستم های متصل به ساختمان (BAPV)
• در مناطقی که دارای شن روان و یا ریز گرد های بسیار زیاد هستند، چرا که از تجمع گرد و خاک و آلودگی در لبه قاب پنل و ایجاد سایه بر روی سلول ها جلوگیری شود.

پنل هایی که دارای قاب هستند یا لبه های قاب بصورت پیچ شونده هستند و یا بصورت در هم قفل شونده، این قاب ها می تواند همان رنگ طبیعی آلومینیوم آنودایز شده باشد و یا به رنگ مشکی باشد که پنل های با قاب مشکی را برای مناطق سردسیر تولید می کنند که با جذب بیشتر حرارت، از یخ زدگی پنل ها جلوگیری شود.

سوالات متداول