۶ نکته طلایی درباره سلول های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال

سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال، که به عنوان یکی از کارآمدترین انواع سلول‌های خورشیدی نسل اول شناخته شده‌اند، از سیلیکون کریستالی خالص و یکپارچه ساخته می‌شوند. این سلول‌ها به دلیل ساختار کریستالی منظم خود، توانایی بالایی در تبدیل نور خورشید به برق دارند. فرآیند تولید این سلول‌ها شامل ذوب پلی‌سیلیکون در دماهای بالا و سپس شکل‌دهی آن به شکل بلورهای تک جهتی است. با توجه به مزایای متعدد، سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال به طور فزاینده‌ای در پروژه‌‎هایی با مقیاس‌های مختلف برای بهره‌برداری از انرژی خورشیدی، همچون سامانه‌های خورشیدی خانگی تا نیروگاه­های بزرگ، مورد استفاده قرار می­گیرند و نقش مهمی در دستیابی به اهداف پایدار جهانی ایفا می­کنند.

۱. تکنولوژی ساخت سلول خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال

در فرآیند تولید این سلول‌ها که با نام فرآیند Czochralskiشناخته می‌شود، کلوخه‌های پلی‌سیلیکون با خلوص 9N را داخل کوره‌های CZ با دمای حدود ۱،۵۰۰ درجه سانتی‌گراد ریخته و شمش مونوکریستال را در آن رشد می‌دهند. سپس شمش‌های سیلیکونی مونوکریستال حاصل، به ورق‌های نازک برش داده می‌شود که به آنها ویفر سلیکونی می‌گویند. در نهایت به عنوان آخرین گام‌های تولید سلول، فرآیندهای تخصصی ویژه و متعددی روی سطح ویفرها اعمال می‌شود که آن را به سلول خورشیدی تبدیل می‌کند.
با پیشرفت تکنولوژی، در حال‌حاضر ویفرهای مونوکریستال دارای ضخامتی در حدود ۱۰۰ تا ۱۸۰ میکرون می‌باشند که در آینده ممکن است حتی به ضخامت‌های کمتر از ۱۰۰ میکرون هم در سطح صنعتی برسند. بنابراین در فرآیند برش شمش و تولید ویفرها به دلیل اینکه گوشه‌های تیز می‌تواند مستعد ترک و شکستگی باشد، به ویژه در طول پروسه ساخت سلول و مونتاژ پنل، در طی فرآیند تولید ویفر گوشه‌های ویفر برش­های مورب و کوچکی داده می­شود که به کاهش استرس مکانیکی و خطر آسیب به آن کمک می‌کند.  اگرچه این برش­ها به دقت انجام می‌شوند تا کمترین ضایعات ممکن به وجود آید، اما در سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال(به ویژه در روش های قدیمی‌تر)، ضایعات بیشتری نسبت به سلول‌های پلی‌کریستال ایجاد می شود. البته امروزه نوآوری در فرآیندهای تولید ویفر همچون برش مستطیلی آنها به جای برش‌های مربعی سابق، منجر به کاهش ضایعات و افزایش بهره‌وری شده است.

۲. راندمان سلول خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال

سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال به عنوان یکی از انواع سلول در صنعت انرژی خورشیدی، عملکرد و راندمان بالایی 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. این ویژگی، آنها را به گزینه‌ ای جذاب برای کاربردهای مختلف، از سیستم‌‌های خانگی تا نیروگاه‌‌های بزرگ تبدیل کرده است.
در مقایسه با سلول‌های سیلیکونی پلی‌کریستال، سلول های خورشیدی مونوکریستال عملکرد بهتری ارائه می‌دهند. سلول‌های پلی‌کریستال 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 می‌دهند. سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال در مقایسه با دیگر سلول‌های خورشیدی هم نسل خود یعنی سلول‌های مبتنی بر GaAs، اگرچه راندمان پایین‌تری دارد اما از قیمت بسیار کمتر و به صرفه‌تری برای اجرای پروژه‌های خورشیدی برخوردار است. همچنین در صنعت خورشیدی، علاوه بر قیمت عامل تعیین کننده در فراگیر شدن یک تکنولوژی، قابل اجرا بودن آن در مقیاس صنعتی است. در بین تکنولوژی‌های موجود، سلول‌‎های خورشیدی مونوکریستال جزو غالب‌ترین تکنولوژی‌ها در صنعت خورشیدی می‌باشند.
می‌توان گفت انتخاب بین انواع مختلف سلول‌های خورشیدی به نیازهای خاص پروژه، بودجه و شرایط محیطی بستگی دارد. با توجه به راندمان بالای سلول‌های مونوکریستال در مقیاس صنعتی و پیشرفت‌های تکنولوژیکی در این زمینه، انتظار می‌رود که این نوع سلول‌ها همچنان در آینده جایگاه بالایی در بازار انرژی خورشیدی داشته باشند.

۳. مزایا و معایب استفاده از سلول خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال

سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال به عنوان یکی از پیشرفته‌ترین و پرکاربردترین فناوری‌ها در تولید انرژی تجدیدپذیر، مزایا و معایب خاص خود را دارند که در انتخاب نوع سلول برای سیستم‌های خورشیدی باید مدنظر قرار گیرد.
از مزایای اصلی سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال، می­توان به راندمان بالای آن­ها نسبت به سلول‌های خورشیدی پلی‌کریستال اشاره کرد. بنابراین به دلیل راندمان بالا، این سلول‌ها از نظر فضای موردنیاز برای نصب، گزینه‌ای مناسب برای نصب در نیروگاه خانگی یا صنعتی هستند؛ به ویژه در مقایسه با دیگر رقیب نسل اول خود (پلی‌کریستال)، فضای کمتری را اشغال می­کنند. طول عمر این سلول­ها، حدود ۲۵ تا ۳۰ سال است. این ویژگی‌ها باعث می‌شود که سلول خورشیدی‌های سیلیکونی مونوکریستال گزینه­ای مناسب برای سیستم‌های خورشیدی بزرگ و کوچک باشند.
علاوه بر راندمان، عواملی مانند مقاومت در برابر شرایط جوی و طول عمر نیز در تحلیل عملکرد این سلول‌های خورشیدی مؤثرند. سلول‌ها به دلیل ساختار یکنواخت و کیفیت بالای مواد اولیه، معمولاً طول عمر بیشتری دارند و کمتر تحت تأثیر عوامل محیطی قرار می‌گیرند.
با این حال، معایب این سلول‌ها نیز نباید نادیده گرفته شوند. می‌توان گفت تنها چالش استفاده از این نوع سلول‌ها، هزینه بالای تولید آنهاست. به دلیل فرآیند پیچیده تولید آن، قیمت سلول‌های سیلیکونی مونوکریستال نسبت به انواع دیگر مانند پلی­کریستال بیشتر است. این موضوع ممکن است برای برخی از مصرف‌کنندگان جهت خرید سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال یک مانع به شمار رود. هر چند با روند پیشرفت تکنولوژی و عرضه زیاد، این موضوع هم در بازار حل شده و در سال‌های اخیر قیمت این سلول‌ها کاهش چشمگیری داشته است.
در نهایت، انتخاب نوع سلول خورشیدی بستگی به نیازها و شرایط خاص هر پروژه دارد. اگرچه سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال دارای مزایای چشمگیری هستند، اما هزینه و بودجه نیز باید در نظر گرفته شود تا بهترین تصمیم ممکن اتخاذ گردد.

۴. کاربردها و سهم سلول خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال از بازار

سلول‌های مونوکریستال به دلیل کارایی بالا و طراحی بهینه، کاربردهای عملی گسترده و سهم قابل توجهی از بازار انرژی تجدیدپذیر دارند. به دلیل رقابتی بودن بازار صنعت خورشیدی، جدیدترین تکنولوژی‌های روز در حوزه سلول خورشیدی بر روی ویفرهای مونوکریستال که کارایی بالاتری دارند، اعمال می‌شوند. در نتیجه پنل‌های مونتاژ شده با این سلول‌ها از برترین گزینه‌ها برای مصارف خانگی و صنعتی هستند.
با توجه به پویایی تولیدکنندگان پنل‌های خورشیدی برای ارتباط با مشتری، بسته به نوع کاربرد پنل‌ها (خانگی، صنعتی، بزرگ مقیاس)، پنل‌هایی با سایزهای مختلف تولید و به بازار عرضه می­شود تا نیاز طیف وسیعی از مشتریان را پوشش دهند.
بازار فروش این سلول‌ها با افزایش توجه به انرژی‌های تجدیدپذیر و تغییرات اقلیمی به سرعت در حال رشد است. دولت‌ها در بسیاری از کشورها با ارائه مشوق ها و یارانه‌ها، به ترویج استفاده از این فناوری کمک می‌کنند. همچنین، با پیشرفت‌های تکنولوژیکی و کاهش هزینه‌های تولید، انتظار می‌رود که این گروه از سلول‌های خورشیدی به گزینه‌‌ای محبوب‌تر و مقرون به صرفه‌تر در بازار انرژی تبدیل شوند.

۵. تأثیر شرایط جوی بر عملکرد سلول خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال

شرایط جوی به طور مستقیم بر عملکرد این سلول‌ها تأثیر می‌گذارد و درک این تأثیرات برای بهینه‌سازی تولید انرژی اهمیت زیادی دارد. یکی از عوامل کلیدی، تابش خورشید است؛ در روزهای آفتابی این سلول‌ها به دلیل طراحی بهینه و کارایی بالا، بهترین عملکرد را دارند و می‌توانند از نظر تئوری تا ۲۹ درصد از تابش نور را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند.
بارش باران و سایه ابرها نیز می‌توانند تأثیر قابل توجهی بر کارایی این سلول‌‎ها داشته باشند. در شرایط ابری تولید انرژی کاهش می‌یابد، اما باران می‌تواند به تمیز کردن سطح سلول‌ها کمک کند و بهبود عملکرد را در روزهای بعدی به دنبال داشته باشد.
دما نیز عامل مهمی است؛ گرما می‌تواند کارایی سلول های خورشیدی را کاهش دهد زیرا افزایش دما باعث کاهش توان خروجی می‌شود، البته سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال در قیاس با سلول‌های پلی‌کریستال افت راندمان ناشی از افزایش دمای کمتری دارند.
سرما و یخبندان نیز می‌توانند بر عملکرد سلول‌های سیلیکونی مونوکریستال تأثیر بگذارند. در حالی که دماهای پایین می‌توانند باعث افزایش کارایی آنها شوند، یخ زدگی ممکن است به آسیب دیدن سلول های خورشیدی منجر شود. بنابراین در طراحی و نصب سیستم‌های خورشیدی، توجه به شرایط جوی منطقه و انتخاب مکان مناسب نصب، اهمیت زیادی دارد تا از حداکثر کارایی این فناوری بهره‌برداری شود.

۶. تفاوت‌های سلول سیلیکونی مونوکریستال و پلی‌کریستال

اگر چه در طول این مقاله به صورت پراکنده به تفاوت سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال و پلی‌کریستال اشاره کردیم، اما می‌توانیم جمع‌بندی زیر را برای مقایسه این دو نوع سلول از نسل اول اختصاص دهیم.

• سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مونوکریستال و پلی کریستال هر دو از سیلیکون ساخته شده‌اند، اما تفاوت‌های اساسی در ساختار، عملکرد و هزینه‌ها دارند که بر انتخاب آنها تأثیر می‌گذارد.

• سلول‌های مونوکریستال از یک بلور یکنواخت سیلیکونی تشکیل شده‌اند. این ساختار یکنواخت باعث افزایش کارایی آن‌ها می‌شود و همان‌‎طور که اشاره شد راندمان بالایی دارند. از طرفی به دلیل فرآیند تولید پیچیده‌تر و نیاز به مواد اولیه با کیفیت بالا، هزینه تولید این سلول‌ها بیشتر است. با این حال به دلیل کارایی بالاتر، فضای کمتری برای نصب نیاز دارند و در شرایط نوری کم نیز عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند. در مقابل، سلول‌های خورشیدی سیلیکونی پلی کریستال از چندین بلور سیلیکونی تشکیل شده‌اند که به صورت تصادفی در کنار هم قرار گرفته‌اند که این ساختار باعث کاهش کارایی آنها می شود. فرآیند تولید این سلول‌ها ساده‌تر است و هزینه کمتری نسبت به مونوکریستال‌ها دارد. این ویژگی آنها را به گزینه‌ای مناسب برای پروژه‌های اقتصادی تبدیل کرده است.

• همچنین سلول‌های 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 سلول‌ها برای تشخیص نوع تکنولوژی ساخت آنها صحیح و علمی نمی‌باشد، اما تفاوت‌های ظاهری سلول‌های سیلیکونی مونوکریستال و پلی‌کریستال در بازار خورشیدی به وفور به کار می‌رود. سلول‌های سیلیکونی مونوکریستال معمولاً رنگ تیره‌تری دارند و به‌صورت یک‌دست و با رنگی یکنواخت به نظر می‌رسند در حالی که سلول‌های پلی‌کریستال دارای رنگ آبی روشن‌تری هستند و الگوی بلوری مشخصی ندارند (شکل زیر).

• در نمونه‌های قدیمی‌تر، برش لبه‌ها (چمفر) در چهارگوشه سلول‌های خورشیدی مونوکریستال نیز از تفاوت‌های ظاهری بارز این دو نوع سلول بوده است. اما امروزه به دلیل روی کار آمدن برش مستطیلی ویفرها، چمفر گوشه‌ها و ایجاد ضایعات در تولید این سلول‌ها نیز به شدت کاهش یافته و این تفاوت ظاهری بین سلول‌های خورشیدی سیلیکونی مونو‌کریستال و پلی‌کریستال به اندازه گذشته وجود ندارد.