انواع پنل‌های خورشیدی

کشف انواع انرژی و کنترل آن‌ها توسط انسان ستون اصلی است که امروزه بشر با استفاده از آن با سرعت هرچه‌ تمامتر رو به جلو حرکت می‌کند. بدون انرژی هیچکدام از داشته‌های امروزمان از جلمه مسکن، خودرو، آب، تلویزیون، موبایل، ارتباطات و تنوع غذایی امکان پذیر نبود. همیشه تامین انرژی از دیرباز بعنوان یکی از اولین اولویت‌های مردم است. با افزایش نیاز به انرژی‌های پاک و تجدیدپذیر، پنل‌های خورشیدی به عنوان یکی از بهترین راهکارهای تولید برق بدون آلودگی محیط زیست مطرح شده‌اند. امروز انرژی‌های تجدیدپذیر مخصوصا انرژی خورشیدی ارزانترین شیوه تامین انرژی از بین تمامی شیوه‌هاست. اما تمام پنل‌های خورشیدی یکسان نیستند، این تکنولوژی‌ طی سالیان اخیر از گرانترین شیوه تولید انرژی به ارزانترین آن تبدیل شده است و به سرعت در حال پیشرفت و تغییر تکنولوژی است. در این مقاله با انواع مختلف پنل‌های خورشیدی، مزایا و معایب هرکدام و کاربردهای آن‌ها آشنا می‌شویم تا بتوانید بهترین گزینه را برای منزل، کسب‌وکار یا نیروگاه خود انتخاب کنید.

تولید انرژی از خورشید به سه شیوه اصلی استفاده از پنل خورشیدی Photovoltaic (فوتوولتائیک)، پنل‌های خورشیدی حرارتی (Solar Thermal) ، و پنل‌های هیبریدی که ترکیبی از دو مدل فوتوولتائیک و حرارتی است انجام می‌شود. در این نوشتار هدف بررسی پنل‌های خورشیدی فوتوولتائیک است.

پنل‌های خورشیدی فوتوولتائیک

این پنل‌ها رایج‌ترین نوع پنل‌های خورشیدی در بازار هستند و نور خورشید را مستقیماً به برق تبدیل می‌کنند. این نوع پنل‌ها با استفاده از اثر فوتوولتائیک بخشی از انرژی تابیده شده به سطح خود را به برق DC تبدیل می‌کند. ایده بهره‌برداری از انرژی خورشید برای تولید برق، برای اولین بار در سال ۱۸۳۹ توسط فیزیکدان فرانسوی، الکساندر ادمون بکرل، با کشف پدیده “اثر فوتوولتائیک” مطرح شد. با این وجود، اولین سلول خورشیدی عملی از جنس سیلیکون، در سال ۱۹۵۴ در آزمایشگاه‌های بل (Bell Labs) توسط دارل چاپین، کالوین فولر و جرالد پیرسون ساخته شد. این فناوری در ابتدا به دلیل هزینه سرسام‌آور، تنها در زمینه‌های خاصی مانند تأمین انرژی ماهواره‌های فضایی در دهه ۱۹۶۰ مورد استفاده قرار گرفت. با گذر زمان، پیشرفت‌های فناوری و افزایش بحران‌های انرژی در دهه‌های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰، انگیزه لازم برای توسعه و تجاری‌سازی پنل‌ها را ایجاد کرد و در نهایت منجر به تبدیل آن‌ها به یک منبع انرژی مقرون‌به‌صرفه و در دسترس برای استفاده‌های مسکونی و تجاری در جهان امروز شد.

اثر فوتوولتائیک – شیوه تولید انرژی توسط پنل خورشیدی

اثر فوتوولتائیک، فرآیند فیزیکی بنیادینی است که در آن انرژی نور خورشید مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این پدیده هنگامی رخ می‌دهد که فوتون‌های نور با انرژی کافی به یک ماده نیمه‌رسانا، عمدتاً سیلیکون، برخورد می‌کنند. برخورد فوتون‌ها به الکترون‌های لایه ظرفیت اتم‌های سیلیکون، انرژی لازم برای گسستن پیوندهای اتمی و آزادسازی الکترون‌ها را فراهم می‌آورد. در این مرحله، زوج‌های الکترون-حفره ایجاد می‌شوند که عامل اصلی تولید جریان الکتریکی هستند.

کلید تبدیل این حامل‌های بار آزاد به جریان الکتریکی مفید، وجود یک میدان الکتریکی داخلی در محل اتصال نیمه‌هادی نوع-P و نوع-N است. این میدان الکتریکی ذاتی، به عنوان یک نیروی محرکه عمل کرده و الکترون‌های آزاد شده را به سمت ناحیه نوع-N و حفره‌ها را به سمت ناحیه نوع-P سوق می‌دهد. هنگامی که الکترودهای سلول به یک مدار خارجی متصل شوند، این جدایش بارها منجر به ایجاد جریان الکتریکی مستقیم (DC) می‌شود. این مکانیسم هوشمندانه که بدون نیاز به هیچ جزء متحرکی عمل می‌کند، پایه و اساس عملکرد کلیه پنل‌های خورشیدی فوتوولتائیک را تشکیل می‌دهد.

کارایی این فرآیند مستقیماً به عوامل متعددی وابسته است. انرژی فوتون‌های ورودی باید از شکاف انرژی (Band Gap) نیمه‌رسانا بیشتر باشد تا بتواند الکترون‌ها را به نوار رسانایی منتقل کند. همچنین، کیفیت بلور سیلیکون، خلوص مواد و طراحی اتصال P-N در تعیین بازده نهایی سلول نقش حیاتی ایفا می‌کنند. پیشرفت‌های اخیر در فناوری نیمه‌رساناها و مهندسی سطوح، امکان دستیابی به بازده‌های تبدیل بالاتر( Efficiency) را فراهم ساخته و زمینه را برای توسعه نسل جدیدی از سلول‌های خورشیدی با کارایی بهبودیافته هموار کرده است.

اجزای اصلی پنل‌های خورشیدی فوتوولتائیک

سلول‌های خورشیدی

سلول‌های خورشیدی که معمولاً از ویفرهای سیلیکونی ساخته می‌شوند که هسته اصلی تولید برق در پنل محسوب می‌شوند. این سلول‌های نازک نیمه‌رسانا که ضخامتی در حدود ۲۰۰ میکرون دارند، مسئول تبدیل مستقیم انرژی فوتون‌های نور به الکتریسیته از طریق اثر فوتوولتائیک هستند. سلول‌ها به صورت سری و موازی به یکدیگر متصل شده تا ولتاژ و جریان مورد نیاز را ایجاد کنند. بازده هر سلول به طور جداگانه معمولاً بین ۱۵ تا ۲۲ درصد است که در کنار هم قرار گرفتن آن‌ها در یک ماژول، توان قابل توجهی تولید می‌کند.

لایه محافظ و encapsulation

سیستم encapsulation معمولاً از دو لایه پلیمر EVA (اتیلن وینیل استات) تشکیل شده که سلول‌ها را به طور کامل در بر می‌گیرد. این لایه‌ها در فرآیند لامینیت تحت حرارت و خلأ، به صورت یکپارچه درآمده و نقش عایق رطوبتی و الکتریکی را ایفا می‌کنند. EVA با چسبانده شدن به سطح سلول‌ها و پر کردن فضای بین آن‌ها، از نفوذ رطوبت و اکسیژن جلوگیری کرده و ضمن افزایش استحکام مکانیکی، از تخریب سلول‌ها در برابر عوامل محیطی ممانعت به عمل می‌آورد. کیفیت این لایه تأثیر مستقیمی بر طول عمر پنل دارد.

شیشه محافظ

شیشه محافظ که معمولاً از نوع سکوریت و با ضخامت ۳٫۲ تا ۴ میلی‌متر است، به عنوان بیرونی‌ترین لایه در سمت جلوی پنل نصب می‌شود. این شیشه علاوه بر محافظت مکانیکی در برابر برخورد تگرگ، سنگ‌ریزه و باران، باید دارای ضریب عبور نور بسیار بالا (بیش از ۹۱٪) باشد تا حداکثر نور خورشید به سلول‌ها برسد. سطح این شیشه اغلب با پوشش‌های ضد انعکاس (AR) پوشانده می‌شود تا تلفات نوری به حداقل برسد و بازده پنل افزایش یابد.

قاب آلومینیومی

قاب آلومینیومی که دور تا دور پنل را احاطه می‌کند، استحکام ساختاری لازم برای تحمل بارهای باد و برف را فراهم می‌آورد. این قاب ضمن محافظت از لبه‌های شکننده پنل، امکان نصب آسان را روی سازه‌های مختلف فراهم می‌کند. طراحی قاب معمولاً به گونه‌ای است که آب باران به راحتی از سطح پنل تخلیه شده و از جمع شدن گرد و غبار جلوگیری می‌کند. آلومینیوم به دلیل سبکی، مقاومت در برابر خوردگی و استحکام بالا، ماده ایده‌آلی برای این کاربرد محسوب می‌شود.

جعبه اتصال (Junction Box)

جعبه اتصال که در پشت پنل نصب می‌شود، نقش مرکز کنترل الکتریکی پنل را بر عهده دارد. این جعبه حاوی دیودهای بای‌پس است که در صورت سایه‌اندازی روی بخشی از پنل، مسیر جریان را منحرف کرده و از overheating جلوگیری می‌کنند. همچنین، این جعبه محل اتصال کابل‌های خروجی پنل بوده و معمولاً دارای درجه حفاظت IP67 یا IP68 برای مقاومت در برابر نفوذ آب و گرد و غبار است. طراحی این جعبه باید به گونه‌ای باشد که Heat Dissipation مناسبی داشته باشد تا از کاهش بازده پنل جلوگیری کند.

انواع پنل‌های خورشیدی فوتولتائیک  Photovoltaic

پنل‌های خورشیدی معمولا در دو  دسته کلی پنل‌های کریستالی و پنل‌های Thin-Film دسته بندی می‌شوند. پنل‌های مونو کریستالی( تک کریستال) و پولی کریستال ( چند کریستالی) از انواع پنل‌های کریستالی هستند. همچنین CdTe، CIGS، سیلیکون آمورف (a-Si)  از انواع پنل‌های Thin-film (فیلم نازک) هستند.

پنل‌های پلی کریستال (Poly-Crystalline Silicon)

پنل‌های پلی‌کریستال با فرآیند نسبتاً ساده‌تری نسبت به نمونه‌های مونوکریستال تولید می‌شوند. در این روش، سیلیکون خام ذوب شده و در قالب‌های مربعی شکل ریخته می‌شود تا به آرامی خنک شده و به صورت بلورهای چندگانه درآید. این فرآیند که به “casting” معروف است، منجر به تشکیل ساختار کریستالی ناهمگون با جهت‌گیری‌های متعدد می‌شود که مشخصه ظاهری این پنل‌ها – رنگ آبی متالیک و طرح ابلق – است. برش این بلورهای بزرگ به ویفرهای مربعی شکل، باعث می‌شود حداقل ضایعات سیلیکونی در فرآیند تولید ایجاد شود که همین امر به کاهش قیمت تمام‌شده پنل کمک می‌کند.

از نظر عملکردی، بازده پنل‌های پلی‌کریستال معمولاً بین ۱۵ تا ۱۷ درصد است که پایین‌تر از پنل‌های مونوکریستال محسوب می‌شود. این کاهش بازده عمدتاً به دلیل مرزهای بین بلورهای مختلف و ناخالصی‌های بیشتر در ساختار کریستالی است که حرکت الکترون‌ها را با محدودیت مواجه می‌کند. با این حال، این پنل‌ها از نظر هزینه تولید به صرفه‌تر بوده و برای پروژه‌هایی با محدودیت بودجه و فضاهای وسیع که نیاز به حداکثر بازده در واحد سطح ندارند، گزینه اقتصادی مناسبی به شمار می‌روند. همچنین عملکرد آن‌ها در دمای بالا کمی بهتر از پنل‌های مونوکریستال است که این ویژگی می‌تواند در مناطق گرمسیری مزیت محسوب شود. 

پنل‌های مونو کریستال (Mono-Crystalline Silicon)

پنل‌های مونوکریستال از خالص‌ترین فرم سیلیکون و از یک بلور یکپارچه ساخته می‌شوند. فرآیند تولید این پنل‌ها که به روش چکرالسکی (Czochralski) انجام می‌گیرد، مستلزم کشیدن یک بلور سیلیکون استوانه‌ای تک‌کریستال از مذاب سیلیکون است. این فرآیند پیچیده و هزینه‌بر، منجر به ایجاد ساختاری بسیار منظم و یکدست می‌شود که مشخصه ظاهری آن، رنگ مشکی یکنواخت و لبه‌های برش‌خورده گرد است. برش ویفرها از این شمش استوانه‌ای موجب هدررفت بیشتر مواد خام نسبت به روش پلی‌کریستال می‌شود که یکی از دلایل اصلی قیمت بالاتر این پنل‌ها محسوب می‌شود.

از نظر عملکردی، ساختار اتمی منظم و خلوص بالای سیلیکون در پنل‌های مونوکریستال، به حرکت آزادانه‌تر الکترون‌ها منجر شده و بالاترین بازده تبدیل انرژی را در بین فناوری‌های رایج فراهم می‌آورد. بازده این پنل‌ها معمولاً بین ۱۸ تا ۲۲ درصد است که امکان تولید برق بیشتر در مساحت کمتر را فراهم می‌کند. همچنین این پنل‌ها عملکرد بهتری در شرایط نور کم و زوایای تابش غیرمستقیم از خود نشان می‌دهند و طول عمر مفید آن‌ها معمولاً بیش از ۲۵ سال است. این ویژگی‌ها، پنل‌های مونوکریستال را به گزینه‌ای ایده‌آل برای فضاهای محدود مانند پشت‌بام‌های مسکونی و پروژه‌هایی که حداکثر تولید برق در کمترین فضا مدنظر است، تبدیل کرده است. 

با بهره‌گیری از این فناوری‌های پیشرفته، بازده پنل‌های مونوکریستال در نمونه‌های تجاری به ۲۳-۲۴ درصد و در نمونه‌های آزمایشگاهی حتی به ۲۶-۲۷ درصد نیز رسیده است. این پیشرفت چشمگیر، تولید انرژی بیشتر در کوچکترین سطح ممکن را ممکن ساخته و باعث کاهش Levelized Cost of Energy (LCOE) شده است. این ویژگی‌ها، همراه با طول عمر بالای بیش از ۳۰ سال و عملکرد برتر در شرایط مختلف آب‌وهوایی، پنل‌های مونوکریستال پیشرفته را به گزینه‌ای بهینه برای نیروگاه‌های مقیاس بزرگ و پروژه‌هایی با محدودیت فضا تبدیل کرده است.

پنل‌های خورشیدی Thin Film

پنل‌های خورشیدی نازک یا آمورف از لایه‌های نازک مواد مختلفی ساخته می‌شوند که دارای خواص فتوولتائیک هستند. این مواد می‌توانند شامل سیلیکون آمورف، تلورید کادمیوم یا گالیم باشند. این نوع پنل‌ها برخلاف مدل‌های کریستالی، ساختار بلوری منظمی ندارند و به‌صورت لایه‌های پیوسته و نازک روی سطوح مختلف قرار می‌گیرند. این ویژگی باعث می‌شود که پنل‌های نازک از نظر شکل‌پذیری و وزن، نسبت به سایر انواع پنل‌ها انعطاف‌پذیرتر و سبک‌تر باشند.

پنل‌های آمورف معمولاً راندمان پایین‌تری دارند و بازدهی آن‌ها در حدود ۷ تا ۱۳ درصد است که به‌مراتب کمتر از پنل‌های مونوکریستالین و پلی‌کریستالین محسوب می‌شود. همچنین طول عمر آن‌ها نیز کوتاه‌تر است. برای تولید میزان مشخصی از برق، این پنل‌ها به فضای بیشتری نیاز دارند. با این حال، یکی از ویژگی‌های مهم آن‌ها قیمت پایین‌ترشان است. به همین دلیل، اغلب در پروژه‌های بزرگ مانند تأسیسات عمومی، ساختمان‌های صنعتی یا کاربردهای با مقیاس بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ جایی که هزینه پایین نسبت به بازدهی پایین اولویت دارد. همچنین نصب و حمل‌ونقل آسان این پنل‌ها آن‌ها را برای برخی پروژه‌های خاص به گزینه‌ای مناسب تبدیل کرده است.

انواع تکنولوژی‌های موجود در پنل‌های خورشیدی

صنعت فوتوولتائیک در سال‌های اخیر شاهد تحولات چشمگیری بوده است. با نزدیک شدن به محدودیت‌های تئوریک بازده در سلول‌های سیلیکونی مرسوم، تمرکز پژوهش‌ها به سمت تکنولوژی‌های نسل جدید معطوف شده است. این فناوری‌های پیشرفته نه تنها مرزهای بازده را جابجا کرده‌اند، بلکه راهکارهای نوینی برای کاهش هزینه‌های انرژی خورشیدی ارائه می‌دهند. در این میان، سه تکنولوژی HJT، TOPCon و IBC به عنوان پیشگامان این تحول شناخته می‌شوند.

تکنولوژی TopCon

فناوری TOPCon با ارائه یک راه‌حل مهندسی هوشمندانه، مسیر جدیدی در بهینه‌سازی سلول‌های خورشیدی گشوده است. این فناوری با افزودن یک لایه اکسید سیلیسون فوق‌نازک به ضخامت ۱-۲ نانومتر در پشت سلول، recombination حامل‌های بار را به حداقل می‌رساند.
TOPCon امکان دستیابی به بازده‌های مشابه HJT با هزینه تولید پایین‌تر را فراهم می‌کند و در حال حاضر با بازده ۲۳-۲۴.۵ درصدی، به عنوان جانشین برتر تکنولوژی PERC در مقیاس انبوه در نظر گرفته می‌شود. این فناوری همچنین از زیرساخت‌های موجود تولید سلول‌های PERC بهره می‌برد.
پذیرش گسترده این تکنولوژی در صنعت، موجب کاهش سریع هزینه‌ها و بهبود مستمر عملکرد آن شده است. انتظار می‌رود TOPCon تا سال ۲۰۲۵ سهم غالب بازار فوتوولتائیک را به خود اختصاص دهد.

تکنولوژی HJT

فناوری HJT با ایجاد یک ساختار ناهمگون پیشرفته، مرزهای بازده در سلول‌های خورشیدی را جابجا کرده است. این فناوری با ترکیب لایه‌های نازک سیلیکون آمورف و کریستالی، یک اتصال ناهمگون ایجاد می‌کند که موجب کاهش چشمگیر تلفات حرارتی و افزایش بازده به ویژه در دمای بالا می‌شود.
از مزایای کلیدی این تکنولوژی می‌توان به ضریب دمایی پایین (۰.۲۵- درصد/°C)، بازده بالای ۲۳-۲۵ درصد، دوام فوق‌العاده و نرخ تخریب بسیار پایین اشاره کرد. این ویژگی‌ها باعث شده HJT به عنوان یک گزینه ایده‌آل برای مناطق گرمسیری و پروژه‌های با نیاز به عملکرد بلندمدت مطرح شود.
اگرچه هزینه تولید اولیه این تکنولوژی نسبت به نمونه‌های مرسوم بالاتر است، اما عملکرد برتر آن در شرایط واقعی و طول عمر بیشتر، این سرمایه‌گذاری را به صرفه می‌سازد. پیش‌بینی می‌شود با توسعه خطوط تولید انبوه، هزینه این فناوری به طور قابل توجهی کاهش یابد.

تکنولوژی IBC

فناوری IBC با طراحی انقلابی خود، تحول اساسی در معماری سلول‌های خورشیدی ایجاد کرده است. در این فناوری، تمام اتصالات الکتریکی در پشت سلول قرار گرفته‌اند که این امر موجب حذف کامل سایه‌اندازی ناشی از الکترودهای جلویی و افزایش حداکثری سطح جذب نور می‌شود.
پنل‌های IBC با بازده ۲۴-۲۶ درصدی، currently پیشرفته‌ترین تکنولوژی در مقیاس تجاری محسوب شده و توسط شرکت‌های پیشرویی مانند SunPower برای کاربردهای خاص و با نیاز به بازده بسیار بالا به کار می‌روند. این فناوری همچنین از نظر زیبایی‌شناسی مزیت دارد.
اگرچه هزینه تولید IBC در حال حاضر بالاست، اما پیشرفت‌های اخیر در فرآیندهای تولید، امکان کاهش تدریجی هزینه‌ها را فراهم کرده است. این تکنولوژی به ویژه برای فضاهای محدود و پروژه‌های premium که حداکثر بازده در اولویت است، ایده‌آل محسوب می‌شود.

پنل‌های Perovskite-Silicon Tandem

این تکنولوژی انقلابی، با ترکیب سلول‌های پروسکایت و سیلیکون، از طیف وسیع‌تری از نور خورشید استفاده می‌کند. پروسکایت نور آبی را جذب می‌کند، mientras que سیلیکون نور قرمز و مادون قرمز را جذب می‌نماید. رکورد بازده این تکنولوژی در آزمایشگاه به ۳۳.۹ درصد رسیده و پیش‌بینی می‌شود تا ۲۰۲۵ به تولید انبوه برسد. چالش اصلی این تکنولوژی، پایداری طولانی‌مدت و مقیاس‌پذیری تولید است.

پنل‌های Bifacial + PERC

ترکیب تکنولوژی بیفشیال با PERC، امروزه به استاندارد صنعت تبدیل شده است. این پنل‌ها قادرند از نور منعکس شده از سطح زمین استفاده کرده و تا ۳۰ درصد برق بیشتری تولید کنند. نسل جدید این پنل‌ها با بهره‌گیری از شیشه‌های ضد بازتاب و قاب‌های بدون فلز، بهره‌وری را further افزایش داده‌اند.

تکنولوژی‌های هوشمند (Smart Panels)

پنل‌های هوشمند مجهز به micro-inverter یا power optimizer در پشت هر پنل هستند. این فناوری امکان مانیتورینگ انفرادی هر پنل، بهینه‌سازی عملکرد در شرایط سایه‌اندازی و افزایش امنیت را فراهم می‌آورد. شرکت‌هایی مانند Enphase و SolarEdge پیشتاز این عرصه هستند.

پنل‌های شفاف (Transparent Solar Panels)

این تکنولوژی نوظهور، پنجره‌ها و سطوح شیشه‌ای را به مولد برق تبدیل می‌کند. با استفاده از مواد نیمه‌هادی شفاف یا پروسکایت‌های نیمه‌شفاف، می‌توان بدون کاهش محسوس در شفافیت، برق تولید کرد. این فناوری پتانسیل transform کردن ساختمان‌ها به نیروگاه‌های عمودی را دارد.