تفاوت پنل های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال و پلی کریستال به طور کلی در ساختار میکروسکوپی سلولهای فتوولتائیک تشکیلدهنده آنها نهفته است. سلولهای خورشیدی سیلیکونی، که به عنوان رایج ترین انواع سلول های نسل اول به شمار میروند، عمدتاً در دو فرم متمایز مونوکریستال (تکبلور) و پلیکریستال (چندبلور) تولید میشوند. هر یک از این دو نوع سلول، دارای مشخصات فیزیکی و عملکردی منحصربهفردی هستند که آنها را برای کاربردهای خاصی متمایز میسازد.
با در نظر گرفتن مزایای متعددی که این فناوری ارائه میدهد، هر دو نوع سلول خورشیدی سیلیکونی پلیکریستال و مونوکریستال به طور فزایندهای در طیف گستردهای از پروژههای استحصال انرژی خورشیدی، از سامانههای کوچک مسکونی گرفته تا نیروگاههای بزرگ-مقیاس، به کار گرفته شدهاند. اگرچه میتوان گفت در حال حاضر، پنل های خورشیدی مونوکریستال سهم غالب بازار را به خود اختصاص دادهاند.
در این مقاله، به بررسی دقیق تفاوت های ساختاری و عملکردی دو نوع پنل خورشیدی مونوکریستال و پلی کریستال با یکدیگر خواهیم پرداخت.
تفاوت سلول خورشیدی مونوکریستال و پلی کریستال در فرآیند ساخت
تولید سلول های خورشیدی مونوکریستالی سیلیکونی، که عمدتاً از طریق فرآیند چاخرالسکی (Czochralski) صورت میگیرد، با ذوب کردن پلیسیلیکون با خلوص بالا (معمولاً 9N) در کورههای مخصوص CZ در دمایی حدود ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد آغاز میشود. در این مرحله، یک بذر کریستالی کوچک با دقت در مذاب فروبرده شده و به آرامی چرخانده و بیرون کشیده میشود تا یک شمش سیلیکونی مونوکریستال با ساختار اتمی منظم و پیوسته تشکیل گردد.
پس از رشد شمش مونوکریستالی، این شمشها به ورقههای فوقالعاده نازکی با ضخامت تقریبی ۱۰۰ تا ۱۸۰ میکرون برش داده میشوند که به آنها ویفر سیلیکونی گفته میشود. این ویفرها، هسته اصلی ساختار سلول خورشیدی را تشکیل میدهند. در نهایت، ویفرهای برشخورده تحت مجموعهای از فرآیندهای تخصصی و پیچیده سطحی قرار میگیرند که شامل مراحل لایهنشانی، دوپینگ و متالیزاسیون میشود تا خواص الکتریکی لازم برای تبدیل نور خورشید به الکتریسیته را کسب کرده و به یک سلول خورشیدی کارآمد تبدیل شوند.
در فرآیند حساس برش شمش به ویفر، به دلیل ضخامت بسیار کم و شکنندگی ذاتی سیلیکون، لبههای تیز میتوانند به نقاط تمرکز تنش مکانیکی تبدیل شده و مستعد ایجاد ترک و شکستگی باشند. این آسیبپذیری به ویژه در طول مراحل بعدی ساخت سلول و مونتاژ پنلهای خورشیدی، میتواند منجر به کاهش عملکرد و طول عمر سلول شود. برای مقابله با این چالش، در گوشههای ویفرهای مونوکریستالی برشهای مورب و کوچکی ایجاد میشود. این برشها به طور مؤثر تنشهای مکانیکی را توزیع کرده و خطر آسیب دیدگی را به میزان قابل توجهی کاهش میدهند.
گرچه این برشها با دقت بالایی برای به حداقل رساندن میزان ضایعات انجام میشوند، اما در گذشته، در مقایسه با سلول های پلی کریستال، فرآیند تولید سلولهای مونوکریستال (به ویژه با روشهای قدیمیتر) ضایعات بیشتری را به همراه داشت. با این حال، پیشرفتهای چشمگیر در فناوری تولید ویفر، از جمله تغییر رویکرد از برشهای سنتی مربعی به برشهای مستطیلی و بهینهسازی روشهای برش، منجر به کاهش چشمگیر ضایعات و افزایش چشمگیر بهرهوری در تولید سلول های خورشیدی مونوکریستال در حال حاضر شده است.
شمش سیلیکونی مونوکریستال
سلول های خورشیدی پلی کریستال نیز مانند سلول های خورشیدی مونوکریستال، از بلورهای سیلیکون ساخته میشوند. اما در فرآیند تولید سلول های پلی کریستال، پلی سیلیکون ذوب شده در دمای بالا به جای اینکه به صورت یک بلور منظم تک جهتی رشد داده شود، درون قالبهای بزرگی خود به خود خنک شده و به شکل مکعب های متشکل از بلورهای چندجهتی در میآید. به عبارتی دیگر، این بلوکهای مکعبی از بلورهای متعدد سیلیکون تشکیل شدهاند که به صورت تصادفی کنار هم قرار گرفتهاند. در مقابل، شمشهای مونوکریستال تنها از یک بلور واحد ساخته میشوند.
در مرحله بعدی از فرآیند تولید، بلوکهای پلی کریستالی حاصل به دقت به ورقههای بسیار نازک برش داده میشوند که به آنها ویفرهای سیلیکونی پلی کریستالی گفته میشود. یکی از تمایزات بارز بین فرآیندهای ساخت سلول های مونوکریستال و پلی کریستال، ضخامت ویفرها است؛ به طور معمول، ویفرهای پلیکریستال ضخامت بیشتری نسبت به ویفرهای مونوکریستال دارند.
پس از آمادهسازی ویفرها، مجموعهای از فرآیندهای تخصصی و پیچیده بر روی سطح آنها اعمال میشود. این فرآیندها، که شامل مراحلی چون پاکسازی سطح، ایجاد پیان (p–n) جانکشن از طریق نفوذ مواد ناخالص، لایهنشانی لایه ضدبازتاب، و ایجاد شبکههای فلزی تماسی (متالیزاسیون) هستند، به گونهای مهندسی شدهاند تا ویفرهای خام را به سلولهای خورشیدی فعال تبدیل کنند.
شمش سیلیکونی پلی کریستال
مقایسه راندمان سلول خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال و پلی کریستال
سلول های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال نسبت به پلی کریستال، عملکرد و راندمان بالاتری دارند. این نوع سلولها از نظر تئوری دارای راندمان ۲۹ درصد هستند که به معنای تبدیل درصد قابل قبولی از نور خورشید به انرژی الکتریکی است. سلول های پلی کریستال معمولاً راندمانی بین ۱۷ تا ۱۹ درصد دارند و به دلیل ساختار بلوری غیر یکنواخت، بازدهی کمتری در تبدیل نور به انرژی از خود نشان می دهند.
یکی از عوامل تاثیرگذار بر راندمان سلولهای پلیکریستالی، ساختار بلوری آنهاست. همانطور که اشاره شد در این نوع سلولها، بلورهای سیلیکون به صورت غیرمنظم کنار هم قرار میگیرند، که باعث میشود حرکت الکترونها را داخل ساختار سلول تحت تاثیر قرار دهد. این امر میتواند به کاهش کارایی در تبدیل انرژی نور خورشید به برق منجر گردد.
با این حال، سلولهای پلیکریستال مزایای خاص خود را نیز دارند. فرآیند تولید آنها نسبت به سلول های مونوکریستال سادهتر و کمهزینهتر است. این ویژگی باعث میشود که قیمت نهایی این سلولها کمتر باشد.
مزایا و معایب پنل خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال
+ راندمان بالا
+ اشغال فضای نصب کمتر
+ طول عمر مفید بالا (۲۵ تا ۳۰ سال)
+ مقاومت بالا در برابر شرایط جوی
- فرآیند پیچیده تولید
- هزینه بالاتر
مزایا و معایب پنل خورشیدی سیلیکونی پلی کریستال
+ فرآیند ساخت سادهتر
+ هزینه پایین تر
- راندمان پایینتر
- نیاز به فضای بیشتر
- عملکرد ضعیفتر در شرایط کم تابش
- افت راندمان بیشتر در دماهای بالا
کاربردها و سهم پنل خورشیدی مونوکریستال و پلی کریستال از بازار
پنل های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال به دلیل بهرهوری بالاتر و طراحی بهینه خود، سهم قابل توجهی از بازار انرژیهای تجدیدپذیر را به خود اختصاص دادهاند. تحولات فناوری در صنعت فتوولتائیک به طور فزایندهای بر استفاده از ویفرهای مونوکریستالی متمرکز شده است، چرا که این ویفرها بستر مناسبی برای پیادهسازی جدیدترین نوآوریها و دستیابی به حداکثر بازدهی را فراهم میآورند.
بازار جهانی پنل های خورشیدی مونوکریستال، همگام با افزایش توجه به انرژیهای تجدیدپذیر و ضرورت مقابله با تغییرات اقلیمی، رشد چشمگیری را تجربه میکند. پیشرفتهای مستمر تکنولوژیکی و کاهش مستمر هزینههای تولید، به تدریج جایگاه سلولهای خورشیدی تککریستالی را به عنوان یک گزینه محبوب و مقرونبهصرفه در بازار انرژی تثبیت کرده است.
با وجود اینکه در گذشته سلولهای پلیکریستالی به دلیل قیمت پایینتر در برخی مناطق، به ویژه در کشورهای در حال توسعه یا پروژههای با محدودیت بودجه، کاربرد داشتند، اما در حال حاضر، جهتگیری غالب در صنعت فتوولتائیک به سمت استفاده انحصاری از فناوری مونوکریستال تغییر یافته است. نوآوریها در فرآیندهای تولید، از جمله کاهش ضایعات و افزایش بازدهی، موجب شده است که سلولهای مونوکریستال نه تنها عملکرد بهتری داشته باشند، بلکه از حیث مقرونبهصرفه بودن نیز به گونهای تکامل یابند که عملاً سهم پلی کریستالها از بازار را به حداقل ممکن رسانده و تولیدکنندگان به طور فزایندهای بر تولید پنلهای خورشیدی با استفاده از تکنولوژی مونوکریستال متمرکز شدهاند.
نتیجه گیری:
تفاوت پنل های خورشیدی مونوکریستال و پلی کریستال
اگر چه در طول این مقاله به صورت پراکنده به تفاوت سلول و پنل های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال و پلی کریستال اشاره کرده ایم، اما میتوانیم جمع بندی زیر را برای مقایسه این دو نوع سلول از نسل اول اختصاص دهیم.
- پنل های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال و پلی کریستال هر دو از سیلیکون ساخته شده اند، اما تفاوت های اساسی در ساختار، عملکرد و هزینه ها دارند که بر انتخاب آنها تأثیر می گذارد.
- سلول های مونوکریستال از یک بلور یکنواخت سیلیکونی تشکیل شدهاند. در مقابل، سلول های خورشیدی پلی کریستال از چندین بلور سیلیکونی تشکیل شدهاند که به صورت تصادفی در کنار هم قرار گرفتهاند.
- ساختار یکنواخت سلول های مونوکریستال باعث افزایش کارایی آنها می شود و همانطور که اشاره شد راندمان بالاتری دارند.
- فرآیند تولید سلول های پلی کریستال ساده تر است. اما سلول های مونوکریستال به دلیل فرآیند تولید پیچیدهتر و نیاز به مواد اولیه با کیفیت بالا، هزینه تولید بالاتری نیز دارند.
- پنل های خورشیدی مونوکریستال به دلیل کارایی بالاتر، فضای کمتری برای نصب نیاز دارند و در شرایط نوری کم نیز عملکرد بهتری از خود نشان میدهند.
- پنل های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال به دلیل طراحی و ساختار خاص خود، در شرایط دمای بالا عملکرد بهتری دارند، در حالی که نوع پلیکریستال ممکن است در دماهای بالا دچار افت کارایی شوند.
- اگرچه لحاظ کردن تفاوت ظاهری سلول ها برای تشخیص نوع تکنولوژی ساخت آنها صحیح و علمی نمیباشد، اما تفاوت ظاهری سلول های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال و پلی کریستال در بازار خورشیدی به وفور به کار میرود. سلول های سیلیکونی مونوکریستال معمولاً رنگ تیرهتری دارند و بهصورت یکدست و با رنگی یکنواخت به نظر میرسند در حالی که سلول های پلیکریستال دارای رنگ آبی روشن تری هستند و الگوی بلوری مشخصی ندارند.
- در نمونه های قدیمیتر، برش لبه ها (چمفر) در چهارگوشه سلول های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال نیز از تفاوت های ظاهری بارز این دو نوع سلول بوده است. اما امروزه به دلیل روی کار آمدن برش مستطیلی ویفرها، چمفر گوشه ها و ایجاد ضایعات در تولید این سلول ها نیز به شدت کاهش یافته و این تفاوت ظاهری بین سلول های خورشیدی سیلیکونی مونو کریستال و پلی کریستال به اندازه گذشته وجود ندارد.
