با پیشرفتهای تکنولوژیکی و مقیاسپذیری صنعت، هزینه تولید برق فتوولتائیک (PV) همچنان در حال کاهش است و آن را به عنوان یک منبع انرژی محوری برای توسعه پایدار در آینده قرار میدهد.
اجزای کلیدی فناوری فتوولتائیک
جزء اصلی فناوری تولید برق فتوولتائیک، سلول فتوولتائیک خورشیدی است. تکامل سلولهای فتوولتائیک خورشیدی را میتوان به سه نسل طبقهبندی کرد. نسل اول شامل سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون است؛ نسل دوم شامل سلولهای خورشیدی لایه نازک است؛ و نسل سوم شامل فناوریهای جدیدی مانند سلولهای فتوولتائیک با غلظت بالا (HCPV)، سلولهای خورشیدی آلی، سلولهای خورشیدی انعطافپذیر و سلولهای خورشیدی حساس به رنگ است. در حال حاضر، سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون بر بازار تسلط دارند، در حالی که سلولهای لایه نازک به تدریج سهم بازار را به دست میآورند. اکثر سلولهای نسل سوم، به جز HCPV، هنوز در مرحله تحقیق هستند.
سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون
در میان سلولهای خورشیدی مبتنی بر سیلیکون، فناوری سیلیکون تکبلوری از همه بالغتر است. راندمان و هزینه این سلولها در درجه اول تحت تأثیر فرآیند تولید است که شامل مراحلی مانند ریختهگری شمش، برش ویفر، انتشار، بافتدهی، چاپ صفحهای و پخت است. سلولهای خورشیدی تولید شده از طریق این فرآیند مرسوم معمولاً به راندمان تبدیل فوتوالکتریک ۱۶ تا ۱۸ درصد میرسند.
سلولهای خورشیدی سیلیکونی تکبلوری بالاترین راندمان تبدیل را دارند، اما گرانترین نیز هستند. سلولهای خورشیدی سیلیکونی چندبلوری با تولید مستقیم شمشهای سیلیکونی مربعی بزرگ و مناسب برای تولید انبوه، کاهش هزینه خوبی را ارائه میدهند. این فرآیند سادهتر است، در مصرف برق صرفهجویی میکند، مواد سیلیکونی را حفظ میکند و به کیفیت مواد پایینتری نیاز دارد.
کاهش هزینه سلولهای خورشیدی میتواند از طریق دو استراتژی اصلی حاصل شود: کاهش مصرف مواد (مثلاً کاهش ضخامت ویفر سیلیکونی) و افزایش راندمان تبدیل. روشهای افزایش راندمان شامل افزایش جذب نور (مثلاً بافتدهی سطح، پوشش ضد انعکاس، کاهش عرض الکترود جلویی)، کاهش بازترکیب حاملهای تولید شده توسط نور (مثلاً غیرفعالسازی امیتر) و به حداقل رساندن مقاومت (مثلاً آلایش موضعی، فناوری میدان سطح پشتی) است.
بالاترین راندمان تبدیل ثبت شده برای سلولهای خورشیدی سیلیکونی تکبلوری، ۲۴.۷ درصد است که توسط سلول خورشیدی ساختار PERL از دانشگاه نیو ساوت ولز به دست آمده است. ویژگیهای کلیدی فناوری شامل غلظت کم آلایش فسفر روی سطح سیلیکون برای کاهش نوترکیبی سطح، انتشار با غلظت بالا در زیر الکترودهای سطحی جلو و عقب برای تشکیل تماسهای اهمی خوب و استفاده از فوتولیتوگرافی برای باریک کردن الکترودهای سطحی جلو و افزایش ناحیه جذب نور است. با این حال، این فناوری هنوز صنعتی نشده است.
از دیگر تکنیکهای بهبود راندمان میتوان به سلولهای بافتدار شیاردار سطحی شرکت BP Solar و فناوری تماس از پشت (EWT) اشاره کرد. مورد اول از طریق شیارزنی لیزری به راندمان ۱۸.۳٪ دست مییابد که عرض الکترودهای جلویی را کاهش داده و جذب نور را افزایش میدهد. مورد دوم با آوردن الکترودهای جلویی به عقب و افزایش ناحیه جذب نور، به راندمان ۲۱.۳٪ دست مییابد.
سلولهای خورشیدی لایه نازک
در حالی که سلولهای خورشیدی سیلیکونی کریستالی به دلیل راندمان بالای خود غالب هستند، کاهش قابل توجه هزینه آنها به دلیل قیمت بالای مواد سیلیکونی چالش برانگیز است. سلولهای خورشیدی فیلم نازک که از مواد کمتری استفاده میکنند، به عنوان یک جایگزین مقرون به صرفه ظهور کردهاند. انواع اصلی سلولهای فیلم نازک شامل سلولهای فیلم نازک مبتنی بر سیلیکون، سلولهای تلورید کادمیوم (CdTe) و سلولهای سلنید گالیوم ایندیوم مس (CIGS) هستند.
سلولهای لایه نازک مبتنی بر سیلیکون تنها ۲ میکرومتر ضخامت دارند و حدود ۱.۵٪ از ماده سیلیکون مورد نیاز برای سلولهای سیلیکونی کریستالی را استفاده میکنند. بسته به تعداد اتصالات PN، این سلولها میتوانند تک اتصالی، دو اتصالی یا چند اتصالی باشند که هر کدام قادر به جذب طول موجهای مختلف نور خورشید هستند. بالاترین راندمان برای سلولهای تک اتصالی حدود ۷٪ است، در حالی که سلولهای دو اتصالی میتوانند به ۱۰٪ برسند.
سلولهای لایه نازک CdTe به دلیل خواص جذب نور خوب، راندمان بالاتری (تا ۱۲٪) ارائه میدهند. با این حال، ماهیت سرطانزای کادمیوم و ذخایر طبیعی محدود تلوریم، چالشهای توسعه بلندمدت را ایجاد میکنند.
سلولهای لایه نازک CIGS آینده فناوری لایه نازک با راندمان بالا محسوب میشوند. با تنظیم فرآیند تولید، میتوان جذب نور آنها را بهبود بخشید و منجر به راندمان تبدیل بالاتر شد. در حال حاضر، راندمان آزمایشگاهی به 20.1٪ میرسد، در حالی که محصولات تجاری به 13-14٪ میرسند که آنها را به کارآمدترین در بین سلولهای لایه نازک تبدیل میکند.
سلولهای نسل سوم
از لحاظ تئوری، سلولهای نسل سوم میتوانند به راندمان تبدیل بالایی دست یابند. به جز HCPV، اکثر آنها هنوز در مرحله تحقیق هستند. سلولهای HCPV معمولاً از مواد نیمههادی III-V استفاده میکنند که مقاومت حرارتی بالاتری دارند و راندمان تبدیل بالایی را در زیر نور زیاد حفظ میکنند. ساختارهای چند اتصالی به این سلولها اجازه میدهند تا با طیف خورشیدی مطابقت نزدیکی داشته باشند و راندمان تئوری آنها تا 68٪ باشد. تولید تجاری میتواند به راندمان بالای 40٪ دست یابد.
سلولهای خورشیدی در ماژولها کپسوله میشوند و کاربردهای آنها به ویژگیها و تقاضای بازار بستگی دارد. کاربردهای اولیه شامل ایستگاههای پایه ارتباطی و ماهوارهها بود که بعداً به مناطق مسکونی مانند پشت بامهای خورشیدی گسترش یافت. در این سناریوها، مناطق نصب محدود و نیاز به چگالی انرژی بالا، ماژولهای سیلیکونی کریستالی را ترجیح میداد. با توسعه نیروگاههای خورشیدی در مقیاس بزرگ و فتوولتائیکهای یکپارچه با ساختمان (BIPV)، ملاحظات هزینه منجر به افزایش کاربردهای سلولهای فیلم نازک شده است. شرایط محیطی و آب و هوایی نیز بر پذیرش فناوریهای مختلف تأثیر میگذارد.
کاربردهای فناوری فتوولتائیک خورشیدی
تبدیل تابش خورشیدی به برق قابل استفاده نیاز به یک سیستم کامل فتوولتائیک خورشیدی دارد. سلولهای فتوولتائیک خورشیدی پایه و اساس این سیستم را تشکیل میدهند که شامل اینورترها، باتریها، سیستمهای نظارتی و سیستمهای توزیع نیز میشود.
طبقهبندی و ترکیب سیستم فتوولتائیک
سیستمهای فتوولتائیک خورشیدی به دو دستهی مستقل از شبکه (off-grid) و متصل به شبکه (grid-tied) طبقهبندی میشوند. سیستمهای مستقل از شبکه میتوانند مستقل یا ترکیبی باشند.
سیستمهای مستقل معمولاً در مناطق دورافتاده، ایستگاههای پایه ارتباطی و چراغهای خورشیدی خیابانها استفاده میشوند و کاملاً به انرژی خورشیدی متکی هستند. این سیستمها شامل ماژولهای خورشیدی، اینورترها، کنترلکنندهها، باتریها، سیستمهای توزیع و حفاظت در برابر صاعقه هستند. باتریها و کنترلکنندهها به طور قابل توجهی بر هزینه و طول عمر سیستم تأثیر میگذارند. سیستمهای هیبریدی انرژی خورشیدی را با منابع دیگری مانند ژنراتورهای دیزلی یا توربینهای بادی ترکیب میکنند.
سیستمهای متصل به شبکه، که معمولاً برای پشت بامهای خورشیدی و نیروگاههای فتوولتائیک در مقیاس بزرگ استفاده میشوند، نیازی به تجهیزات ذخیرهسازی ندارند و هزینهها را کاهش میدهند. این سیستمها شامل ماژولهای خورشیدی، اینورترها، سیستمهای توزیع، حفاظت در برابر صاعقه و سیستمهای نظارتی هستند. در حال حاضر، سیستمهای متصل به شبکه ۸۰٪ از کل کاربردهای خورشیدی را تشکیل میدهند.
سایر فناوریهای تولید برق فتوولتائیک
علاوه بر فناوری سلولهای خورشیدی فتوولتائیک، فناوری اینورتر، ادغام شبکه، ذخیرهسازی و نظارت هوشمند برای سیستمهای تولید برق فتوولتائیک بسیار مهم هستند:
توان خروجی سلول خورشیدی با شدت تابش خورشید تغییر میکند و باعث تناوب میشود. ادغام شبکه در مقیاس بزرگ میتواند بر شبکه تأثیر بگذارد و کنترل شبکه و حفاظت از جزیرهای شدن را ضروری میکند.
خروجی ماژول خورشیدی جریان مستقیم (DC) است که نیاز به تبدیل با کیفیت بالا به جریان متناوب (AC) از طریق اینورتر دارد.
توان خروجی ماژول میتواند تحت تأثیر عواملی مانند دما و سایه قرار گیرد و نیاز به نظارت بر سیستم و سیستمهای هشدار دهنده را ایجاب کند.
فناوری کنترل از راه دور برای نیروگاههای فتوولتائیک در مناطق دورافتاده حیاتی است.
چین از نظر کیفیت و مقیاس، در تولید ماژولهای خورشیدی پیشرو است. حوزههای پربازده در زنجیره صنعت شامل خالصسازی سیلیکون، اینورترها، سیستمهای نظارتی و تولید تجهیزات فتوولتائیک است. دستیابی به پیشرفتهای چشمگیر در این حوزههای کلیدی، چالشی برای صنعت فتوولتائیک چین است.
وضعیت فعلی و چشمانداز آینده تولید برق خورشیدی فتوولتائیک
به دلیل هزینههای بالا، تولید برق خورشیدی فتوولتائیک تا پایان قرن گذشته توسعه گستردهای نداشت. با ورود به قرن بیست و یکم، با بهبود راندمان و کاهش سریع هزینهها، تولید برق خورشیدی فتوولتائیک رشد سریعی را تجربه کرده است و ظرفیت نصب شده سالانه افزایش مییابد. ظرفیت نصب شده سالانه جهانی از ۱.۴ گیگاوات در سال ۲۰۰۰ به ۲۲.۸ گیگاوات در سال ۲۰۰۹ افزایش یافت. کشورهای اروپایی مانند آلمان، ایتالیا و اسپانیا بازارهای اصلی هستند و اتحادیه اروپا قصد دارد سهم انرژی خورشیدی را تا سال ۲۰۲۰ به ۱۲٪ از کل برق افزایش دهد. کشورهای در حال توسعه مانند چین و هند نیز برنامههای توسعه خورشیدی را آغاز کردهاند. فراتر از ایستگاههای پایه ارتباطی، پشت بامهای خورشیدی و نیروگاههای فتوولتائیک، تولید برق خورشیدی فتوولتائیک اکنون به طور گسترده در دستگاههای مختلف تلفن همراه مورد استفاده قرار میگیرد.
فناوری فتوولتائیک خورشیدی، به عنوان یک منبع انرژی مکمل و جایگزین، به سرعت در حال توسعه است و هزینههای تولید آن رو به کاهش است. با پیشرفتهای مداوم فناوری، انرژی خورشیدی، به عنوان یک منبع پاک و تجدیدپذیر، آماده است تا به یک منبع انرژی کلیدی برای توسعه پایدار تبدیل شود.
