پانل های خورشیدی لایه نازک چیست؟

1. پانل های خورشیدی لایه نازک چیست؟

برخلاف سلول‌های خورشیدی نسل اول که از سیلیکون تک یا چند کریستالی ساخته شده‌اند، صفحات خورشیدی لایه نازک با استفاده از یک یا چند لایه از عناصر PV روی سطحی متشکل از انواع شیشه، پلاستیک یا فلز برای تبدیل تولید می‌شوند. نور خورشید به برق تبدیل می شود و متداول ترین موارد مورد استفاده برای فناوری خورشیدی لایه نازک عبارتند از تلورید کادمیوم (CdTe)، گالیم سلنید مس ایندیم (CIGS)، سیلیکون آمورف (a-Si) و آرسنید گالیم (GaAs).

2 ساختار صفحات خورشیدی لایه نازک

پانل های خورشیدی لایه نازک از تعداد زیادی سلول خورشیدی لایه نازک تشکیل شده اند و از انرژی نور (فوتون) خورشید برای تولید برق از طریق اثر فتوولتائیک استفاده می کنند. همچنین شامل لایه ها، صفحه پشتی و جعبه اتصال است که همه آنها با هم کار می کنند تا از عملکرد طبیعی پنل های خورشیدی اطمینان حاصل کنند.

سلول های خورشیدی لایه نازک چیست؟

سلول های خورشیدی لایه نازک دستگاه های الکترونیکی هستند که نور خورشید را با اثر فتوولتائیک به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. سلول های لایه نازک تمایل به استفاده از مواد بسیار کمتری دارند - ناحیه فعال سلول معمولاً تنها 1 تا 10 میکرومتر ضخامت دارد. همچنین، سلول های لایه نازک معمولاً می توانند در یک فرآیند بزرگ تولید شوند که می تواند یک فرآیند تولید خودکار و مداوم باشد.

علاوه بر این، پانل های خورشیدی لایه نازک از یک لایه نازک از یک اکسید رسانای شفاف مانند اکسید قلع برای کار استفاده می کنند. در حالی که سلول های لایه نازک از بسیاری از دانه های کریستالی ریز از مواد نیمه هادی ساخته شده اند تا میدان الکتریکی را با رابطی به نام هتروجانکشن بهتر ایجاد کنند. عموماً این نوع از دستگاه های لایه نازک را می توان به صورت یک واحد - یعنی به صورت یکپارچه - با لایه به لایه که به طور متوالی بر روی برخی از بسترها از جمله رسوب یک پوشش ضد انعکاس و اکسید رسانای شفاف رسوب می کند ساخته شود.

لایه ها چیست؟

معمولاً پانل خورشیدی لایه نازک دارای یک لایه بسیار نازک (کمتر از 0.1 میکرون) در بالای آن است که لایه "پنجره" نامیده می شود تا انرژی نور را فقط از انتهای طیف پر انرژی جذب کند. باید به اندازه کافی نازک باشد و دارای فاصله باند کافی (2.8 eV یا بیشتر) باشد تا تمام نور موجود را از طریق رابط (هتروجانکشن) به لایه جذب کننده برساند. لایه جاذب زیر پنجره، معمولا از نوع p دوپ شده، مجهز به قابلیت جذب بالا (قابلیت جذب فوتون) برای جریان بالا و شکاف باند مناسب برای تامین ولتاژ خوب.

بک شیت چیست؟

به عنوان یک پلیمر یا ترکیبی از پلیمرها با افزودنی های مختلف، صفحه پشتی برای ایجاد مانعی بین سلول های خورشیدی و محیط بیرون طراحی شده است. که از آن می‌توانیم ببینیم که صفحه پشتی یک جزء حیاتی در دوام، کارایی و طول عمر یک پنل خورشیدی است.

جعبه اتصال چیست؟

جعبه اتصال به عنوان یک محفظه الکتریکی که برای قرار دادن و محافظت از اتصالات الکتریکی استفاده می شود، به طور ویژه طراحی شده است تا یک محیط امن و مطمئن برای اتصالات الکتریکی فراهم کند تا از تماس تصادفی با سیم های برق جلوگیری کند و تعمیر و نگهداری یا تعمیرات بعدی را ساده کند. معمولا یک جعبه اتصال PV به پشت پنل خورشیدی متصل می شود و به عنوان رابط خروجی آن عمل می کند. اتصالات خارجی برای اکثر ماژول های فتوولتائیک از کانکتورهای MC4 برای تسهیل اتصالات ضد آب و هوا به بقیه سیستم استفاده می کنند. یک رابط برق USB نیز می تواند استفاده شود.

3 تاریخچه توسعه صفحات خورشیدی لایه نازک

تاریخچه صفحات خورشیدی لایه نازک به دهه 1970 برمی گردد، زمانی که محققان اولین کاوش خود را در مورد استفاده از لایه نازک (a-Si) نیمه هادی ها برای مهار انرژی خورشیدی آغاز کردند، در آن زمان علاقه به فناوری لایه نازک برای استفاده تجاری مورد توجه قرار گرفت. و کاربردهای هوافضا توسعه دستگاه های خورشیدی لایه نازک سیلیکونی آمورف را ترویج می کنند.

در دهه 1980، پیشرفت‌های فناوری، گسترش مواد لایه نازک موجود را به مواد جدید، مانند تلورید کادمیوم (CdTe) و گالیوم سلنید مس ایندیم (CIGS) تسهیل کرد، که بازده تبدیل بالاتر و هزینه‌های تولید پایین‌تری دارد.

دهه‌های 1990 و 2000 زمان پیشرفت‌های قابل توجهی در اکتشاف مواد خورشیدی نسل سوم جدید با پتانسیل غلبه بر محدودیت‌های بازده نظری برای مواد حالت جامد سنتی بود. محصولات جدیدی مانند سلول های خورشیدی حساس به رنگ، سلول های خورشیدی نقطه کوانتومی توسعه یافتند.

در دهه 2010 و اوایل دهه 2020، نوآوری در فناوری خورشیدی لایه نازک شامل تلاش هایی برای گسترش فناوری خورشیدی نسل سوم به کاربردهای جدید و کاهش هزینه های تولید شده است. در سال 2004، آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (NREL) رکورد جهانی راندمان 19.9٪ را برای یک ماژول لایه نازک CIGS به دست آورد. در سال 2022، سلول های خورشیدی لایه نازک آلی انعطاف پذیر در پارچه ادغام شدند.

امروزه، سلول‌های خورشیدی لایه نازک آلی انعطاف‌پذیر که در تولیدات ادغام شده‌اند، آنها را به انتخاب بهتری نسبت به پانل‌های سیلیکونی سنتی تبدیل کرده است. و فناوری لایه نازک تقریباً 19٪ از کل ایالات متحده را به خود اختصاص داده است. سهم بازار در همان سال، شامل 30 درصد از تولید در مقیاس ابزار.

4. انواع پنل های خورشیدی

انواع مختلفی از مواد برای ساخت سلول های خورشیدی لایه نازک وجود دارد که بر اساس مواد اولیه آنها می توان آنها را به چهار نوع تقسیم کرد. 

l پانل های لایه نازک کادمیوم تلوراید (CdTe) نوعی پنل خورشیدی هستند که از لایه نازکی از تلورید کادمیوم که بر روی یک ماده زیرلایه، مانند شیشه یا فولاد ضد زنگ، به عنوان ماده نیمه رسانا قرار گرفته است، استفاده می کند. نه تنها سبک وزن و نصب آسان، بلکه در شرایط کم نور نیز تولید انرژی بالایی دارند، به این معنی که حتی در هوای ابری یا ابری نیز می توانند برق تولید کنند. تخمین زده می شود که پانل های خورشیدی لایه نازک CdTe تحت شرایط استاندارد تست (STC) به بازده 19 درصدی رسیده اند، اما سلول های خورشیدی منفرد بازده 22.1 درصد را به دست آورده اند. با این حال، نگرانی هایی در مورد سمیت کادمیوم وجود دارد، زیرا این فلز سنگینی است که اگر به درستی دفع نشود، می تواند به محیط زیست آسیب برساند.

l پانل های لایه نازک گالیوم سلنید مس ایندیم (CIGS) با قرار دادن یک لایه الکترود مولیبدن (Mo) بر روی بستر از طریق فرآیند کندوپاش ساخته می شوند. در مقایسه با سایر فناوری‌های PV، راندمان بالایی دارند و می‌توانند در آینده به راندمان نظری 33 درصد دست یابند. علاوه بر این، آنها کمتر در معرض ترک یا شکستن هستند و به راحتی قابل استفاده هستند. با این حال، با وجود این مزایا، هزینه نسبتاً گران‌تر از سایر فناوری‌ها است که ممکن است توسعه بیشتر آنها را مختل کند.

l پانل های لایه نازک سیلیکون آمورف (a-Si) با پردازش صفحات شیشه ای یا بسترهای انعطاف پذیر، همراه با پیکربندی p-i-n یا n-i-p تولید می شوند. از مزایای پنل های لایه نازک a-Si می توان به انعطاف پذیری و ساختار سبک آنها اشاره کرد که آنها را برای استفاده در برنامه های قابل حمل مانند کمپینگ یا تامین انرژی سنسورهای از راه دور ایده آل می کند. با این حال، از آنجایی که شیشه رسانای این پانل ها گران است و فرآیند کند است، قیمت آن تقریباً 0.69 دلار در وات است.

l پانل های لایه نازک گالیم آرسنید (GaAs) پیچیده تر از سلول های خورشیدی لایه نازک معمولی در فرآیند تولید هستند. شایان ذکر است راندمان بالایی تا 39.2% بدست می آورند و در برابر حرارت و رطوبت مقاومت بیشتری دارند. با این وجود، زمان ساخت، هزینه مواد و مواد رشد بالا، آن را به یک انتخاب کمتر قابل دوام تبدیل می کند.

5. کاربردهای پانل های خورشیدی لایه نازک

به عنوان یک کلاس نوظهور جایگزین برای فتوولتائیک های سیلیکونی، پانل های خورشیدی لایه نازک عمدتاً در زمینه های زیر استفاده می شوند.

l فتوولتائیک یکپارچه ساختمان (BIPV)

از آنجایی که پانل های PV فیلم نازک می توانند تا 90٪ سبک تر از پانل های سیلیکونی باشند، یکی از کاربردهایی که در سراسر جهان به طور گسترده ای محبوب شده است BIPV است که در آن پانل های خورشیدی به کاشی های سقف، پنجره ها، سازه های ضعیف و غیره متصل می شوند. علاوه بر این،  برخی از انواع PV لایه نازک را می توان نیمه شفاف ساخت که به حفظ زیبایی خانه ها و ساختمان ها کمک می کند و در عین حال امکان تولید انرژی خورشیدی را فراهم می کند.

l برنامه های فضایی

با توجه به مزایای سبک وزن، بسیار کارآمد، دمای وسیع در محدوده عملیاتی و حتی مقاومت در برابر آسیب در برابر تشعشع، صفحات خورشیدی لایه نازک، به ویژه پانل های خورشیدی CIGS و GaAs، برای کاربردهای فضایی ایده آل بوده اند.

l وسایل نقلیه و کاربردهای دریایی

یکی از کاربردهای رایج پانل های خورشیدی لایه نازک، نصب ماژول های PV انعطاف پذیر بر روی پشت بام خودروها (به ویژه RVs یا اتوبوس ها) و عرشه قایق ها و کشتی های دیگر است که می تواند برای تامین برق و در عین حال زیبایی شناسی استفاده شود.

l برنامه های قابل حمل

قابل حمل بودن و اندازه آن توسعه پایداری را در بخش الکترونیکی کوچک و اینترنت اشیاء (IoT) برای آن فراهم کرده است که انتظار می رود در سال های آینده رشد قابل توجهی داشته باشد. و با پیشرفت آن، ممکن است در مکان‌های دوردست با پانل‌های خورشیدی تاشو، پاوربانک‌های خورشیدی، لپ‌تاپ‌های خورشیدی و غیره بیشتر استفاده شود.

6. روند توسعه صفحات خورشیدی لایه نازک

با استقبال روزافزون انرژی خورشیدی در سراسر جهان، اجرای محدودیت های شدید انرژی و تلاش های فزاینده دولت برای ادغام منابع سبز در شبکه، انتظار می رود پنل های خورشیدی لایه نازک تا سال 2030 به حدود 27.11 میلیارد دلار برسد با CAGR قابل توجه 8.29٪ از 2022 تا 2030 این افزایش به دلیل مزایای آن است و R&D، از آنجایی که آنها بسیار مقرون به صرفه هستند و به راحتی ایجاد می شوند، از مواد کمتری استفاده می کنند و زباله کمتری تولید می کنند. و R&D برای افزایش استقامت و عملکرد سلول های خورشیدی نیز فرصت های جدیدی برای رشد بازار ایجاد می کند.

با این حال، فرصت ها با چالش همراه می شوند. سطوح بالای رقابت، تغییر محیط نظارتی و همچنین در دسترس بودن منابع مالی و منابع کمیاب به این معنی است که در حال حاضر ممکن است آنها نتوانند بخش قابل توجهی از سهم بازار جهانی را به خود اختصاص دهند.

7 تجزیه و تحلیل سرمایه گذاری پانل های خورشیدی لایه نازک

به نظر می‌رسد بازار سلول‌های خورشیدی لایه نازک در سال‌های اخیر در حال توسعه است که عوامل متعددی بر آن تأثیر می‌گذارد.

l تجزیه و تحلیل نوع محصول

در سال 2018، CdTe برق را با قیمتی تولید کرد که به طور قابل توجهی کمتر یا همتراز با منابع انرژی سوخت فسیلی معمولی بود. به دلیل غیرسمی بودن، ارزان بودن هزینه‌های عملیات و تولید، در حال حاضر رده تلورید کادمیوم بر بازار جهانی سلول‌های خورشیدی لایه نازک تسلط دارد و پیش‌بینی می‌شود که در طول دوره پیش‌بینی با سریع‌ترین سرعت به رشد خود ادامه دهد.

l تجزیه و تحلیل کاربر نهایی

توسعه روزافزون و تحقیقات برای کاهش هزینه‌های نصب و نگهداری ممکن است نیازهای مصرف‌کننده را افزایش دهد. در سال 2022، بازار برق بر بازار جهانی سلول‌های خورشیدی لایه نازک تسلط یافت و پیش‌بینی می‌شود که در طول دوره پیش‌بینی با سریع‌ترین سرعت به توسعه خود ادامه دهد. . از آنجایی که صفحات خورشیدی لایه نازک با سرعت بسیار کمتری تخریب می شوند، جایگزین بالقوه ای برای پنل های خورشیدی سنتی c-Si هستند.

l تجزیه و تحلیل منطقه ای

آسیا-اقیانوسیه بزرگترین منطقه در جهان برای سلول های خورشیدی لایه نازک در سال 2022 بود و پیش بینی می شود که با بالاترین نرخ گسترش یابد، که این امر تحت تأثیر عوامل زیادی است. به عنوان مثال، چین به عنوان بزرگترین بازار PV خورشیدی در سراسر جهان، هدف انرژی های تجدیدپذیر را تا سال 2030 از 20 درصد به 35 درصد افزایش خواهد داد. و تأسیسات فتوولتائیک خورشیدی در مقیاس کاربردی در چین عمدتاً از فناوری لایه نازک استفاده می کنند. علاوه بر این، ژاپن نیز اعلام کرده است که قصد خود را برای استفاده از نیروی پایدار در آینده دارد.

8 مواردی که باید برای پنل های خورشیدی لایه نازک با کیفیت بالا در نظر بگیرید

در خرید پنل های خورشیدی نه تنها باید قیمت و کیفیت را در نظر گرفت، بلکه باید عوامل دیگری را نیز در نظر داشت.

l بهره وری: راندمان بالا می تواند انرژی بیشتری از خورشید را به الکتریسیته تبدیل کند. به طور کلی داشتن غلظت بالاتر حامل های بار می تواند با افزایش رسانایی، کارایی سلول خورشیدی را افزایش دهد. افزودن یک متمرکز کننده به سلول خورشیدی نه تنها به افزایش کارایی کمک می کند، بلکه می تواند فضا، مواد و هزینه مورد نیاز برای تولید سلول را نیز کاهش دهد.

l دوام و طول عمر: برخی از ماژول های لایه نازک نیز در شرایط مختلف دارای مشکلاتی با تخریب هستند. در بین تمام مواد، CdTe بهترین مقاومت را در برابر تخریب عملکرد با دما نشان می دهد. و بر خلاف سایر مواد لایه نازک، CdTe نسبت به شرایط محیطی مانند دما و رطوبت نسبتاً انعطاف پذیر است، اما پانل های CdTe انعطاف پذیر ممکن است تحت تنش ها یا کرنش های اعمال شده دچار تخریب عملکرد شوند.

l وزن: این به چگالی صفحه خورشیدی لایه نازک اشاره دارد. به طور کلی پنل های خورشیدی لایه نازک وزن کمی دارند، بنابراین نباید از اعمال وزن مرده بر روی سقف خود ترسید. با این وجود، هنوز هم باید وزن را در هنگام انتخاب در نظر گرفت تا اطمینان حاصل شود که برای نصب بیش از حد بارگذاری نمی شود.

l دما: این به معنای حداقل و حداکثر دمایی است که پنل خورشیدی فیلم نازک می تواند در آن کار کند. به طور کلی بهترین پنل های خورشیدی لایه نازک حداقل دمای 40- درجه سانتی گراد و حداکثر دمای 80 درجه سانتی گراد در نظر گرفته می شود.