پنل های فتوولتاییک خورشیدی : انواع ، مزایا و معایب هرکدام

به طور کلی پنل های فتوولتاییک خورشیدی که امروزه به صورت تجاری تولید می­شوند را می­توان به صورت زیر دسته­ بندی کرد:

الف) سلول‌های خورشیدی بر پایه سیلیکون کریستالی که خود شامل دو نوع هستند:

• پنل‌‌های فتوولتاییک مونوکریستال
• پنل های فتوولتاییک پلی کریستال هستند

ب) پنل‌‌های فتوولتاییک لایه نازک

پنل های فتوولتاییک خورشیدی بر پايه سيليکون کريستالی

در حال حاضر بيش از ۹۰% از سلول‌‌های فتوولتاييک از انواع گوناگون سيليکون ساخته می‌شوند. در سال ۲۰۱۱ حدود ۹۵ درصد از پنل‌هايی که برای اجرای سيستم‌‌های فتوولتاييک خانگی در ايالات متحده امریکا فروخته شد، از نوع سيليکون کريستالی بود. از سيليکون برای ساخت پنل‌‌های فتوولتاييک به شکل‌‌های گوناگون استفاده می‌شود. مهم‌ترين تفاوت در میزان خلوص سيليکون مورد استفاده است. سيليکون کريستالی پايه و اساس ساخت سلول‌‌های خورشيدی مونوکريستال و پلی کريستال است.

پنل های فتوولتاییک مونوکریستال

سلول‌‌های خورشیدی مونوکریستال یا تک‌کریستالی از کریستال خالص تهیه می‌شوند. رنگ یکپارچه آن‌ها به سادگی پنل‌‌های دارای این تکنولوژی را از دیگر پنل‌ها متمایز می‌کند. در ساخت این نوع پنل‌ها از کریستال‌‌های سیلیکون با گوشه‌‌های گرد استفاده می‌شود که این مشخصه نیز باعث تمایز آن‌ها از پنل‌‌های پلی کریستالی از لحاظ شکل ظاهری می‌شود.

مزایای پنل‌‌های مونوکریستال

• بالاترین بازده در بین پنل‌ها (حدود 21 درصد) با توجه به کیفیت ساخت بالا و خلوص بالای سیلیکون
• پنل‌‌های مونوکریستال در بهره‌برداری از فضا بیشترین کارایی را دارند و فضای کمتری برای نصب نیاز دارند و در نتیجه برای مکان‌‌هایی که مشکل کمبود فضا وجود دارد یا قیمت زمین گران است، بهترین انتخاب هستند.
• بالاترین طول عمر در بین پنل‌ها را دارند و به همین دلیل بیشتر تولیدکنندگان ضمانتی بیش از 20 سال را برای این نوع از پنل‌ها دارند.
• در شرایط نور کم در مقایسه با پنل‌‌های پلی‌کریستال عملکرد و بازده بهتری دارند.

معایب پنل‌‌های مونوکریستال

• با توجه با ساخت چند مرحل‌های و پیچیده، گران‌ترین نوع پنل‌‌های خورشیدی هستند.
• در صورتی که سایه بر روی قسمتی از پنل بیافتد یا پنل کثیف و غبار آلود شود یا برف و تگرگ روی پنل بنشیند، کل پنل از کار می‌افتد و توانی را تولید نمی‌کند.
• با توجه به روش ساخت این نوع از پنل‌، ضایعات زیادی به هنگام ساخت آن‌ها ایجاد می‌شود.
• در دمای بالا (معمولا بالاتر از 30 درجه سانتیگراد) بازده این نوع از پنل‌ها افت می‌کند.

پنل های فتوولتاییک پلی کریستال

نخستین پنل‌‌های خورشیدی بر پایه سیلیکون چندکریستالی در سال 1981 ساخته شدند که به عنوان پلی سیلیکون (P-Si) یا سیلیکون مولتی کریستال (mc-Si) نیز شناخته می‌شوند. فرآیند ساخت این نوع از پنل‌ها ساده‌تر بوده و قیمت نهایی کمتری دارند. به همین دلیل فروش این نوع از پنل بیشتر از پنل‌‌های مونوکریستال بوده است.

مزایای پنل‌‌های پلی‌کریستال :

• فرآیند تولید سیلیکون پلی کریستال ساده‌تر و کم هزینه‌تر است.
• میزان ضایعات سیلیکون در مقایسه با تولید سیلیکون مونوکریستال کمتر است.
• پنل های فتوولتاییک خورشیدیپلی کريستال از نظر تحمل دما در مقايسه با پنل‌‌های مونوکريستال تحمل دمايی کمتری دارند؛ اگرچه این اثر بسیار ناچیز است و قابل چشم­پوشی می باشد.

معایب پنل‌‌های پلی‌کریستال :

• با توجه به خلوص کمتر سیلیکون بازده کمتری (حدود 16 درصد) نسبت به پنل‌‌های مونوکریستال دارند.
• با توجه به راندمان کمتر در مقایسه با پنل‌‌های مونوکریستال در یک توان ثابت به فضای بیشتری از پنل‌‌های پلی‌کریستال نیاز است. پس برای مکان‌‌های دارای محدودیت فضا و زمین گران مناسب نیستند.
• در مقایسه با پنل‌‌های مونوکریستال و لایه نازک با توجه به نامنظم بودن سیلیکون آن‌ها از زیبایی کمتری برخوردار هستند.

پنل های فتوولتاییک لایه نازک

به بیان ساده، فناوری پنل های فتوولتاییک لایه نازک روشی برای تولید سلول ‌های خورشیدی است که طی آن یک یا چند لایه نازک از ماده فتوولتاییک روی یک بستر قرار ‌می‌دهند. انواع گوناگون سلول‌‌های لایه نازک را می‌توان بر اساس ماده‌ی فتوولتاییک مورد استفاده به صورت زیر تقسیم بندی کرد:

• آمورفوس سیلیکون(aSi)
• کادمیم تلوراید(CdTe)
• مس ایندویوم گالیوم سلناید(CIS/CIGS)
• سلول‌های فتولتاییک ارگانیک(OPC)

با توجه به تحقیقات انجام شده و سرمایه‌گذاری بخش خصوصی بر روی تحقیقات و توسعه این فناوری، در چند سال اخیر راندمان پنل‌‌های لایه نازک در بخش تحقیقاتی و آزمایشگاهی افزایش یافته است؛ به طوری که بازده این پنل‌ها از حدود 10 درصد به 14 درصد رسیده است.

مزایای پنل‌‌های خورشیدی لایه نازک:

• توليد انبوه ساده؛ اين پنل‌ها را می‌توان با هزينه‌ی کمتری نسبت به پنل‌‌های بر پايه سيليکون کريستالی توليد نمود.
• ساختمان ظاهری هم شکل و رنگ يکپارچه به اين پنل‌ها جذابيت بيشتری در کاربرد‌‌های شهری می‌بخشد.
• ماژول‌‌های لایه نازک را می‌توان به صورت انعطاف پذير توليد نمود که اين ويژگی باعث ايجاد پتانسيل‌‌های کاربردی بسياری می‌گردد.
• دمای بالا و سايه کمترين تاثير را بر روی عملکرد اين پنل‌ها دارد.
• با توجه به بازده کمتر نسبت به پنل‌‌های کریستال سیلیکون در مکان‌‌هایی که مشکل کمبود فضا وجود ندارد بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

معایب پنل‌‌های خورشیدی لایه نازک:

• با توجه به راندمان پایین‌تر نسبت به دیگر پنل‌ها برای پروژه‌‌های خانگی و مکان‌‌های با فضای محدود مناسب نیستند.
• با توجه با کمتر بودن راندمان پنل‌ها در بهره‌برداری از فضا، هزینه تجهیزات مانند سازه و کابل‌ها افزایش می‌یابد. اما با توجه به این که بخش عمده هزینه سرمایه‌گذاری مربوط خود پنل‌ها هست و قیمت پنل‌‌های لایه نازک کمتر است، هزینه کلی کاهش می‌یابد.
• در مقایسه با پنل‌‌های کریستال سیلیکون زودتر دچار افت بازده می‌شوند. البته در سال‌‌های اخیر با پیشرفت‌‌های حاصل شده این مشکل به شکل قابل ملاحظ‌های مرتفع شده است. به طوری که ضمانت این نوع از پنل‌ها دقیقا همسان با پنل‌‌های کریستال سیلیکونی است.
• امروز پنل‌‌های لایه نازک با فناوری CdTe و CIGS در ایجاد نیروگاه‌‌های خورشیدی بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پنل‌‌ های خورشیدی کادمیم تلوراید

پنل های فتوولتاییک خورشیدیکادميم تلورايد تنها پنل‌‌های لایه نازک هستند که به دلیل بازدهی بالاتر نسبت به سایر پنل­‌های لایه نازک، قابل مقايسه با پنل‌‌های کريستال سيليکون هستند و در عين حال سهم قابل توجهی در بازار سيستم‌‌های برق تجديدپذير چند کيلوواتی را به خود اختصاص داده اند. بهره عملکرد پنل های فتوولتاییک خورشیدیکادميم تلورايد در نمونه‌‌های تجاری ساخته شده برابر 15 درصد است.

مزایای پنل‌‌ های خورشیدی کادمیم تلوراید:

• راندمان بالا نسبت به قیمت آن‌ها
• این نوع پنل‌ها کمترین تأثیرپذیری از دمای محیط را دارند.

معایب پنل‌‌ های خورشید کادمیم تلوراید:

• تولید این نوع پنل‌ها تنها منحصر به دو شرکت خاص است؛ بطوریکه در حال حاضر تنها دو شرکت First Solar امریکا و شرکت Calyxo آلمان به صورت تجاری اقدام به ساخت این نوع از پنل‌ها کرده‌اند.
• کادمیوم یک عنصر سمی‌است و پخش شدن این ماده سمی ‌پس از پایان طول عمر پنل‌ها در طبیعت، نگرانی‌‌هایی را برای فعالان محیط زیست به دنبال داشته است. شرکت First Solar یک طرح جامع بازیافت پنل‌‌های خورشیدی را پیاده کرده است. به طوری که تا 95 درصد مواد نیمه‌هادی و 90 درصد شیشه‌‌های مورد استفاده از پنل‌ها بازیافت شده و برای ساخت دوباره پنل از آن‌ها استفاده می‌شود.
• تلوریوم که از آن یون‌‌های تلوراید ساخته می‌شود، عنصری کمیاب و آزمایشگاهی است که باعث می‌شود تولید انبوه این تکنولوژی در آینده با مشکلات اقتصادی مواجه شود.

سلول‌‌ های خورشيدی مس اينديوم گاليوم سلنايد (CIGS)

این نوع از سلول‌ها دارای بازده بالا هستند، اما هنوز به صورت عمده و تجاری در دنیا تولید نمیشوند. در مقایسه با سلول‌‌های کادمیم تلوراید، عاری از مواد سمی ‌هستند، اما دمای هوا تأثیر منفی بیشتری روی عملکرد آن‌ها می‌گذارد. در سال‌‌های اخیر پیشرفت‌‌های زیادی در بهبود بازده این پنل‌ها رخ داده است، به طوری که هم اکنون بازده این پنل‌ها به حدود 15 درصد رسیده است.

تولید تجاری این پنل‌ها در سال 2011 در آلمان شروع شده و هم اکنون نیز در کشور چین چند تولیدکننده اقدام به ساخت این نوع پنل‌ها کرده‌اند. پیش بینی می‌شود که در سال‌‌های آینده با پیشرفت در تکنولوژی ساخت این نوع پنل‌ها و با توجه به عدم وجود مشکل سمی‌بودن مواد نیمه‌هادی در این نوع پنل‌ها، استفاده از این پنل‌ها افزایش یابد.