انواع الخلايا الشمسية و مميزات و عيوب كل نوع منها

انواع الخلايا الشمسية

يوجد حاليا  3 أنواع مختلفة من التكنولوجيا المستخدمة في صناعة الخلايا الشمسية و المتوفرة في السوق. الخلايا الشمسية أحادية البلور monocrystalline ، الخلايا الشمسية متعددة البلور polycrystalline، و الخلايا الشمسية ذو الغشاء الرقيق غير المتبلور thin film amorphous. الخلايا الشمسية أحادية و متعددة البلور مصنوعة من السيليكون البلوري crystalline Silicon. تقريبا عند التفكير في شراء الألواح الشمسية لمنزلك ستستخدم الألواح الشمسية البلورية.

لفترة طويلة ، كان النوع الأكثر شيوعًا من الألواح الشمسية المستخدمة في المنشئات السكنية في أمريكا هو الألواح الشمسية أحادية البلور monocrystalline. ومع ذلك ، في السنوات الأربع الماضية ، أصبحت الألواح الشمسية متعددة البلور polycrystalline solar panels أكثر الألواح الشمسية استخدامًا في المنشآت السكنية.

تتشابه كل من الخلايا الشمسية أحادية البلور و عديدة البلور في الأداء. أما الخلايا الشمسية ذو الأغشية الرقيقة thin film amorphous فهي تقنية مختلفة تمامًا. على الرغم من أنه يعمل بكفاءة أقل بكثير من الانواع الاخرى إلا أن ميزته الكبرى هي أنه يعمل بشكل أفضل في ظروف الإضاءة المنخفضة، مثلا عندما يكون هناك غيوم أو ظل جزئي للنظام أو في حتى في أجواء الحرارة الشديدة.

سنستعرض في ما يلي عرض موجز للأنواع الثلاثة:

الخلايا الشمسية أحادية البلور Monocrystalline

هذا النوع من الالواح الشمسية يعتبر الأقدم والأكثر تطوراً مقارنتا بالتقنيات الأخرى. كما يوحي الاسم يتم إنشاء و صنع هذه الالواح من هيكل بلوري مستمر واحد continuous crystal structure. يمكن التعرف على الالواح الشمسية أحادية البلور من خلال مظهرها الذي يبدو على شكل ذو لون  واحد مسطح.

شكل 1. الالواح الشمسية احادية البلور Monocrystalline

بنية الخلايا الشمسية أحادية البلور Monocrystalline

يتم تصنيعها من خلال  Czochralski method حيث يتم وضع بلورة السيليكون” البذرة”  في وعاء من السيليكون المصهور. يتم بعد ذلك رسم البلورة ببطء مع السيليكون المصهور الذي يشكل بنية بلورية صلبة حول البلورة تعرف بال سبيكة ingot. ثم يتم تقطيع سبيكة السليكون البلوري الصلب المتشكل إلى سبيكة ما يعرف باسم رقاقة السيليكون silicon wafer. ثم يتم تحويلها إلى خلية شمسية. تؤدي عملية Czochralski إلى انتاج سبائك أسطوانية كبيرة. يتم قطع أربعة جوانب من السبائك لصنع رقائق السيليكون. كمية كبيرة من السيليكون الأصلي ينتهي بها المطاف كنفايات.

ايجابيات و سلبيات الخلايا الشمسية أحادية البلور Monocrystalline

1. تتمتع الألواح الشمسية أحادية البلور بأعلى معدلات الكفاءة لأنها مصنوعة من السيليكون عالي الجودة. حيث أنه في عام 2016، أعلنت شركة باناسونيك أنها طورت أكثر الألواح الشمسية كفاءة في العالم. تحول الألواح الجديدة أكثر من 22.5٪ من ضوء الشمس إلى كهرباء.
2. الألواح الشمسية أحادية البلور فعالة أيضا من حيث المساحة. على الرغم من أن هذا النوع من الألواح الشمسية تنتج أعلى مقدار من الطاقة ، فإنها تتطلب أقل قدر من المساحة مقارنة بالأنواع الأخرى. أيضا تنتج الألواح الشمسية أحادية البلور طاقة أكبر لكل قدم مربع من المساحة المستخدمة .
3. تتمتع الألواح أحادية البلور بعمر طويل. تضع معظم الشركات المصنعة للألواح الشمسية ضمانًا لمدة 25 عامًا على الألواح الشمسية أحادية البلور. نظرًا لأن هذا النوع من الألواح الشمسية مصنوع من السيليكون البلوري ، الذي يعتبر مادة خاملة للغاية ومستقرة ، فمن المحتمل جدًا أن تستمر هذه الألواح الشمسية لفترة أطول بكثير من فترة الضمان التي تبلغ 25 عامًا.
4. تميل الألواح الشمسية أحادية البلور إلى أن تكون أكثر كفاءة في الطقس الدافئ. مع كل الخلايا الشمسية ، ينخفض ​​إنتاج الكهرباء مع ارتفاع درجة الحرارة. ومع ذلك ، فإن هذا التدهور في إنتاج الطاقة أقل حدة في الألواح الشمسية أحادية البلور من الألواح الشمسية متعددة البلور. المستوى الذي ينخفض ​​فيه إنتاج الطاقة من الألواح الشمسية مع زيادة درجة الحرارة يسمى معامل درجة الحرارة ويتم نشره مع مواصفات كل خلية شمسي.

• واحدة من سلبيات الألواح الشمسية أحادية البلور هي غلا سعرها مقارنة بأسعار الالواح الشمسية الاخرى.

الخلايا الشمسية متعددة البلور Polycrystalline

الالواح الشمسية متعدد البلورات هي تقنية أحدث و عملية التصنيع الخاصة بها نوعا ما مختلفة. إنشاء و تصنيع هذا النوع من الالواح يبدأ بوضع بلورة السيليكون على شكل “بذرة” في وعاء من السيليكون المصهور. ومع ذلك، فبدلاً من سحب بذرة بلورة السيليكون كما هو الحال مع خلايا إحادية البلور، يُسمح ببساطة لوعاء السيليكون بالتبريد. و هذا ما يشكل الحواف المميزة والحبيبات في الخلية الشمسية.

كان يُعتقد سابقًا أن الخلايا متعددة البلور أقل شأناً من الخلايا احادية البلور لأنها كانت أقل كفاءة قليلاً. ومع ذلك ، وبسبب الطريقة الأرخص التي يمكن من خلالها إنتاج هذا النوع من الخلايا – إلى جانب الكفاءة القليلة نوعا ما – فقد أصبح هذا النوع من الخلايا الآن المهيمن في سوق الألواح الشمسية. و في الاونه الأخيرة أصبحت كفاءة الخلايا متعددة البلور قريبة جدًا من كفاءة الخلايا أحادية البلور.

شكل 2. الالواح الشمسية متعددة البلور Polycrystalline

ايجابيات و سلبيات الخلايا الشمسية متعددة البلور Polycrystalline

1. إن العمليات المستخدمة لصنع السيليكون متعدد البلور بسيطة و قليلة التكلفة. كمية نفايات السليكون أقل مقارنة بالبلورات الأحادية.
2. تميل الألواح الشمسية متعددة البلور إلى تحمل ارتفاع درجة الحرارة بشكل طفيف مقارنة بتحمل الألواح الشمسية أحادية البلور.

أما السلبيات

• عادة ما تكون كفاءة الألواح الشمسية متعددة البلور 14-16 ٪. نظرًا لانخفاض نقاء السليكون فيها. و لهذا السبب فإن الألواح الشمسية متعددة البلور ليست بنفس كفاءة الألواح الشمسية أحادية البلور.
• كفاءة أقل في المساحة. تحتاج بشكل عام إلى تغطية سطح أكبر لإخراج نفس الطاقة الكهربائية التي يخرجها لوح شمسي مصنوعة من السيليكون أحادي البلور.
• تميل الألواح الشمسية أحادية البلور و الالواح الشمسية ذو الأغشية الرقيقة إلى أن تكون أكثر إرضاءً من الناحية الجمالية لأنها تتمتع بمظهر أكثر تناسقًا مقارنة بتصميم الالواح الشمسية متعددة البلور.

الخلايا الشمسية ذو الغشاء الرقيق Thin Film

تعتبر تكنولوجيا تصنيع الخلايا الشمسية ذو الغشاء الرقيق مختلفة تمامًا عن تكنولوجيا تصنيع الخلايا أحادية و متعددة البلور. لكن لا تعتبر تقنية ناضجة كفاية حيث من المتوقع إجراء تحسينات كبيرة في هذه التكنولوجيا في السنوات العشر القادمة. يمكن التعرف على الالواح الشمسية ذو الغشاء الرقيق بمظهرها الأسود الصلب.

تصنع ألواح الأغشية الرقيقة بوضع مادة كهروضوئية على سطح صلب مثل الزجاج. يوجد العديد من المواد الكهروضوئية المستخدمه في صناعة هذا النوع من الالواح الشمسية أمثلة على هذه المواد الكهروضوئية الأكثر استخدامًا هي:

1. السيليكون غير المتبلور Amorphous Silicon
2. تيلوريد الكادميوم CdTe) Cadmium Telluride)
3. سيلينيد نحاس إنديوم غاليوم CGIS) Copper indium gallium selenide)
4. خلية شمسية حساسة للأصباغ DSC) Dye-sensitized solar cell)

يُعرف كل ما سبق كأنواع مختلفة ولكن جميعها تقع تحت مظلة الالواح الشمسية ذو الغشاء الرقيق.

شكل 2. الألواح الشمسية ذو الغشاء الرقيق Thin Film

أداء الخلايا الشمسية ذو الغشاء الرقيق

تتمتع خلايا الأغشية الرقيقة بسمعة سيئة نوعا ما في تقنيات الألواح الشمسية لأنها تتمتع بكفاءة قليلة و تحتاج إلى مساحة أكبر لنفس المقدار من الطاقة المنتجه من الالواح الشمسية الاخرى. نظرًا لرخص ثمن الالواح الشمسية ذو الغشاء الرقيق بسبب انخفاض تكاليف المواد المطلوبة في عملية إنتاج الالواح ، فإنها سرعان ما أصبحت أفضل الانواع من الناحية الاقتصادية. قبل بضع سنوات ، كانت كفاءات الألواح الشمسية ذو الغشاء الرقيق قليلة. ومع ذلك ، حقق الباحثون مؤخرًا كفاءة بنسبة 23.4٪ باستخدام نماذج أولية رقيقة. وفي الوقت نفسه ، فإن كفائة الألواح الشمسية ذو الغشاء الرقيق المتوفرة تجارياً تكون بشكل عام في نطاق 10-15٪.

من المتوقع أن ينمو سوق الألواح الشمسية ذو الغشاء الرقيق بنسبة 23 ٪ بمعدل سنوي من 2020 إلى 2025. في عام 2013 ، استند ما يقرب من 5 ٪ من شحنات الوحدات الكهروضوئية الأمريكية إلمخصصة للقطاع السكني على الالواح ذو الغشاء الرقيق.

مزايا الخلايا الشمسية ذو الغشاء الرقيق

• الإنتاج الضخم و البسيط. وهذا يجعلها أرخص في التصنيع من الخلايا الشمسية المصنوعة من بلورة السيليكون.
• مظهرها المتجانس يجعلها تبدو أكثر جاذبية.
• مرونتها ، مما يفتح المجال للعديد من التطبيقات المحتملة الجديدة.
• تحملها و إنتاجها للطاقة في ظل درجات الحرارة العالية بالاضافة إلى أن الظل له تأثير أقل على أداء الألواح الشمسية.
• في الحالات التي لا يكون فيها عامل التواجد في الفضاء يولد مشكلة ، يمكن أن تكون الألواح الشمسية ذو الأغشية الرقيقة منطقية للإستعمال.

سلبيات الخلايا الشمسية ذو الغشاء الرقيق

• بشكل عام ، الألواح الشمسية ذو الأغشية الرقيقة ليست مناسبة لتطبيقات المنشئات السكنية. صحيح أنها رخيصة ،لكنها تتطلب أيضًا مساحة كبيرة. تنتج الألواح الشمسية أحادية البلور في SunPower ما يصل إلى أربعة أضعاف كمية الكهرباء مثل الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة لنفس المساحة.
• تميل الألواح الشمسية ذات الأغشية الرقيقة إلى التحلل بشكل أسرع من الألواح الشمسية أحادية و متعددة البلور ، وهذا هو السبب في أنها تأتي عادةً بضمان أقصر من ضمان الالواح الشمسية الاخرى.

تناولت هذه المقالة مزايا وعيوب أنواع الألواح الشمسية المختلفة. إذا كنت تريد معرفة المزيد عن الطاقة الشمسية بشكل عام ، فانتقل إلى تصنيبف الطاقة الشمسية في موقعنا.

المصدر:
1- Solarreviews