انواع پنل های خورشیدی موجود

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)

1) سلولهای مونوکریستالی (Mono-Crystalline):
جنس تمامی سلولهای خورشیدی رایج در سطح تولید تجاری، سیلیکون می باشد که برای افزایش کارایی و بازدهی، مواد دیگری از طریق فرآیند تغلیظ (Doping) بدان افزوده می گردد. فرآیند تولید سلولهای مونو به این صورت می باشد که یک دانه (Seed) اولیه کوچک سیلیکون طی یک فرآیند کند و تدریجی به یک شمش (Ingot) بزرگ تا طول 2 متر و وزن صدها کیلوگرم رشد داده می شود.سپس این شمش به شکل ویفرهای بسیار نازک سیلیکون با ضخامت چند صد میکرون به شکلهای مختلف (عموماً هشت ضلعی یا مربع) برش داده می شود و شکل آشنای سلولهای مونو را تشکیل می دهد.یک پنل سولار مونو به این صورت ساخته می شود که ابتدا سلولها به صورت ماتریسی از سلولهای سری (برای افزایش ولتاژ) و موازی (برای افزایش جریان) به هم متصل می شوند. سپس داخل یک قاب فلزی مستحکم نصب گردیده و یک پوشش شیشه‌ای شفاف و ضخیم برای حفاظت در برابر ضربات فیزیکی روی سلولها نصب می شود و خروجی الکتریکال پنل توسط دو کابل با کانکتور قفل‌دار به بیرون هدایت می گردد. اصلی ترین ویژگی یک پنل توان ماکزیمم آن و سپس ولتاژ و جریان در بار ماکزیمم می باشد.سلولهای مونو دارای بالاترین بازده و همچنین بیشترین قیمت بین سایر انواع می باشند.بازده این نوع سلولها در انواع خاص در رده کاربری نظامی تا %25 نیز می رسد. اما انواع رایج در بازار ایران دارای بازدهی بین %16 تا %20 می‌باشند. (تکنولوژی فعلی سال 2015)


2) سلولهای پلی کریستالی (Poly-Crystalline):
بر خلاف سلولهای مونوکریستال که از یک شمش با ساختار کریستالی یکنواخت برش می‌خورند، سلولهای پلی‌کریستال از برش شمشهایی که دارای ساختار غیر یکنواخت هستند بدست می‌آیند. برای تولید این نوع سلولها، سیلیکون مذاب به جای شکل گیری دور یک Seed اولیه به صورت یکپارچه، درون یک قالب طی یک فرآیند متالورژی ساده‌تر و سریعتر به شکل نواحی به شکل کاملاً مشخص (Grain) شکل گرفته و سپس به شکل ویفرهای سیلیکونی برش می خورد. ظاهر پوسته‌پوسته یا فلس (Flake) مانند این نوع سلولها نیز به سبب همین فرآیند خاص تولید می باشد.این فرآیند کم‌هزینه‌تر و سریعتر سبب ارزانتر بودن این نوع سلولها و در مقابل، پایین‌تر بودن راندمان آنها به نسبت سلولهای مونو می باشد.ساختار پنلهای پلی‌کریستال نیز دقیقاً مانند پنلهای مونو می باشد که شامل ماتریسی از سلولها درون یک قاب فلزی و دارای یک پوشش شیشه‌ای است.راندمان سلولهای پلی‌کریستال تجاری بین %12 تا %16 و در مراحل آزمایشگاهی و تحقیقاتی حدود %19 می باشد. (تکنولوژی فعلی سال 2015)هر دو نوع سلول فوق، نسل اول پنل خورشیدی را که بر پایه ویفر سیلیکون هستند، تشکیل می‌دهند که امروزه بیش از %90 بازار سلولهای خورشیدی را در اختیار دارند.
مزایا:
بازده خوب، پایداری خوب، استحکام فیزیکی خوب، عدم کاهش بازده در کوتاه مدت
معایب:
وزن زیاد، ضخامت زیاد، انعطاف‌ناپذیری، فرآیند تولید بسیار پرهزینه به دلیل نیاز به انرژی فراوان در فرآیند تولید
3) سلولهای خورشیدی فیلم نازک ( "Thin Film Solar Cell "TFSC):
این نوع سلولهای خورشیدی، نسل دوم سلولها را تشکیل می دهند که تکنولوژی ساخت آنها به چهار گروه زیر تقسیم می‌شود:
1) سیلیکون آمورف (a-Si)
2) تلورید کادمیوم/سولفید کادمیوم (CdTe/CdS)
3) سلنید گالیوم اینیدیوم مس (CIGS)
4) ارسنید گالیوم (GaAs)
فرآیند کلی تولید این نوع سلولها به صورت رسوب یا نشست (Deposition) یک لایه یا فیلم بسیار نازک از مواد فتوولتاییک با ضخامت چند نانومتر تا چند میکرون روی بستر (Substrate) با ضخامت کم از جنس شیشه، پلاستیک یا فلز می باشد. بازده این نوع سلولها در سطح تولید تجاری بین %10 تا %15 می باشد. اما بازده سلولهای بسیار گرانقیمت GaAs حدود %30 می‌باشد که به دلیل سبکی و بازده خوب، برای ساخت پنلهای خورشیدی فضاپیماها و ماهواره‌ها استفاده می‌شود که وزن و راندمان، فاکتورهای مهمتری از هزینه برایشان محسوب می‌گردد.انعطاف‌پذیری و شفافیت نسبی سلولهای فیلم نازک، کاربردهایی مانند نصب در نمای ساختمان یا استفاده در نماهای شیشه‌ای مات را ممکن ساخته است. همچنین، این نوع سلولها برای رسیدن به توان نامی نیازی به قرارگیری در معرض تابش مستقیم خورشید ندارند و بنابراین برای استفاده در فضاهای سرپوشیده مانند تغذیه ماشین‌حسابهای رومیزی نیز مناسب می باشند.
مزایا:
انعطاف‌پذیری، وزن کم، امکان تولید به صورت نیمه شفاف، فرآیند تولید کم هزینه‌تر، عدم نیاز به تابش مستقیم خورشید
معایب:
بازده و پایداری کمتر نسبت به سلولهای نسل اول، وابستگی به فلزات سنگین مضر برای محیط زیست (مانند کادمیوم Cadmium) یا عناصر کمیاب (مانند تلوریوم Tellurium)
سلولهای خورشیدی پلیمری یا ارگانیک (Polymerc/Organic Solar Cells):
به طور کلی، تمام انواع این نوع از سلولهای خورشیدی از حل کردن پلیمرها در حلالهای ارگانیک و قراردادن آنها روی بستر (Substrate) از جنس شیشه یا پلاستیک نوع پت (PET: Poly-Ethylene Terephthalate) توسط تکنیکهای مختلف چاپ یا پوشش می باشد.
ساختار سلولهای پلیمری از لایه های زیر تشکیل شده است:
1) لایه فعال (Active Layer):
کارکرد تمامی انواع سلولهای خورشیدی بر پایه تبدیل انرژی فوتونهای نور برای ایجاد زوج الکترون-حفره یا همان Exciton انجام می‌پذیرد که این عمل در همین لایه انجام می‌گردد.
2) لایه‌های انتقال (ETL (Electron Transport Layer و (HTL (Hole Transport Layer:
وظیفه اصلی این لایه‌ها، ایجاد مسیری برای جلوگیری از پدیده بازترکیب (Recombination) زودهنگام الکترونهای جداشده از حفره ها می‌باشد که این پدیده یکی از دلایل کاهنده بازده سلولهای خورشیدی است.
3) الکترودهای مثبت و منفی:
این الکترودها، ترمینالهای الکتریکی سلول برای عبور جریان به سمت مدار خارجی می باشند.
انواع چیدمان سلولهای پلیمری به صورت نرمال و معکوس (Inverted) می‌باشد. در نوع نرمال، نور پس از عبور از بستر شفاف شیشه‌ای یا پلاستیکی و الکترود مثبت شفاف و لایه انتقال حفره شفاف (HTL) به لایه فعال می‌رسد (مانند شکل پایین). اما در چیدمان معکوس، نور پس از عبور از بستر شیشه‌ای یا پلاستیکی شفاف و الکترود منفی شفاف و لایه انتقال الکترون شفاف (ETL) به لایه فعال می‌رسد. لایه فعال نیز از دو بخش «دهنده» (Donor) و «پذیرنده» (Acceptor) تشکیل شده است که که وظیفه آن، شکستن پیوند الکترون-حفره (Exciton Bond) و هدایت الکترون به سمت پذیرنده و حفره به سمت دهنده می باشد. برای جلوگیری از بازترکیب زوج الکترون-حفره که به سرعت انجام می‌پذیرد، فاصله دهنده و پذیرنده می‌بایست کمتر از 10 نانومتر باشد.چون در هر لایه فعال بسته به جنس ماده سازنده، فقط طول موجی خاصی از نور خورشید سبب تحریک الکترونها و ایجاد زوج الکترون-حفره می گردد و بقیه طیف طول موج به صورت گرما تلف می‌گردد، جهت افزایش بازده از ساختار متوالی (Tandem) دارای چند لایه فعال استفاده می‌گردد که تحریک الکترون و ایجاد Exciton در هر لایه توسط فوتونهای با طول موج متفاوت انجام شده و به زبان ساده، استفاده بیشتری از میزان ثابت نور ورودی به سلول جهت استخراج انرژی الکتریکی انجام می‌گردد. بازده این نوع سلولها در مراحل تجاری بین %6 تا %12 و در مراحل آزمایشگاهی تا %15 می باشد. (تکنولوژی فعلی سال 2015)
مزایا:
سبک، شفاف، انعطاف‌پذیر، هزینه مواد اولیه پایین، هزینه تولید پایین ، قابلیت چاپ با رنگها و طرحهای متنوع با استفاده از تکنیکهای متداول مانند چاپ رولی (Roll-to-Roll)
معایب:
بازده پایین، پایداری پایین، کاهش بازده به مرور زمان