ساخت پنل‌های خورشیدی

پنل‌های خورشیدی تجهیزاتی هستند که از اثر فتوولتائیک (Photovoltaic Effect) برای تبدیل انرژی نورانی خورشید به برق جریان مستقیم (DC) استفاده می‌کنند. این فرآیند در قلب سلول‌های خورشیدی ساخته شده از مواد نیمه‌هادی مانند سیلیکون رخ می‌دهد. در این مقاله، به بررسی مراحل ساخت پنل‌های خورشیدی با تأکید بر جنبه‌های الکتریکی و فنی پرداخته می‌شود.

پنل خورشیدی چیست؟

پنل خورشیدی دستگاهی است که با استفاده از سلول‌های فتوولتائیک (PV) نور خورشید را به برق تبدیل می‌کند. سلول‌های PV از موادی ساخته می‌شوند که هنگام قرار گرفتن در معرض نور، الکترون‌های تحریک‌شده تولید می‌کنند. این الکترون‌ها از طریق یک مدار جریان می‌یابند و برق جریان مستقیم (DC) تولید می‌کنند که می‌تواند برای تامین انرژی دستگاه‌های مختلف یا ذخیره در باتری‌ها استفاده شود. پنل‌های خورشیدی با نام‌های پنل‌های سلول خورشیدی، پنل‌های برق خورشیدی یا ماژول‌های PV نیز شناخته می‌شوند.

مراحل ساخت پنل‌های خورشیدی

ساخت پنل‌های خورشیدی فرآیندی پیچیده است که در کارخانه‌های تخصصی انجام می‌شود. با این حال، درک مراحل کلی ساخت آن‌ها می‌تواند به شما در درک بهتر این فناوری کمک کند. مراحل اصلی ساخت پنل‌های خورشیدی به شرح زیر است:

1. مواد اولیه و آماده‌سازی نیمه‌هادی‌ها
2. ساخت سلول های خورشیدی
3. مونتاژ پنل خورشیدی
4. آزمایش الکتریکی و کنترل کیفیت
5. ملاحظات طراحی الکتریکی

در ادامه هر کدام از مراحل ساخت پنل خورشیدی را دقیق‌تر توضیح می‌دهیم.

مواد اولیه و آماده‌سازی نیمه‌هادی‌ها

ماده اصلی ساخت سلول‌های خورشیدی، سیلیکون با خلوص بسیار بالا (99.9999%) است که در دو نوع تک‌کریستالی (Monocrystalline) یا چندکریستالی (Polycrystalline) تهیه می‌شود. انتخاب نوع سیلیکون بر راندمان الکتریکی پنل تأثیر مستقیم دارد:

• سیلیکون تک‌کریستالی: دارای ساختار منظم، راندمان بیش‌تر (تا 22%) و قیمت بالاتر
• سیلیکون چندکریستالی: دارای نقص‌های کریستالی، راندمان کم‌تر (حدود 18%) و قیمت پایین‌تر

تولید شمش سیلیکونی

تولید شمش سیلیکونی به شرح زیر است:

• سیلیکون خام در کوره‌ای با دمای حدود 1400 درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود.
• سیلیکون تک‌کریستالی با روش چکرالسکی (Czochralski Process) ساخته می‌شود که در آن یک کریستال اولیه در سیلیکون مذاب غوطه‌ور و به آرامی کشیده می‌شود تا به شکل یک شمش استوانه‌ای درآید.
• سیلیکون چندکریستالی، با ریخته شدن سیلیکون مذاب در قالب و سرد شدن تدریجی آن تشکیل می‌شود.

برش ویفرها

شمش‌ها با اره‌های سیمی الماسه به صورت ویفرهایی با ضخامت 180-200 میکرومتر برش داده می‌شوند. ضخامت پایین ویفرها موجب کاهش مقاومت اهمی و افزایش جذب نور می‌شود.

ساخت سلول‌های خورشیدی: مهندسی الکتریکی

سلول خورشیدی یک دیود پیوند PN است که از اتصال دو لایه نیمه‌هادی با خواص الکتریکی متفاوت تشکیل می‌شود. مراحل ساخت این دیود به شرح زیر است:

زبر کردن سطح (Texturing)

سطح ویفر با محلول‌های شیمیایی (مانند هیدروکسید پتاسیم) برای کاهش بازتاب نور و افزایش جریان فوتوالکتریک (Photocurrent)  زبر می‌شود.

دوپینگ (Doping)

• لایه بالایی ویفر برای تولید بار منفی با فسفر (N-Type) دوپ شده و لایه پایینی نیز برای تولید بار مثبت با بور (P-Type)  دوپ می‌شود.
• به طور معمول این فرآیند در کوره‌هایی با دمای بالا (حدود 800-1000 درجه سانتی‌گراد) و با پخش گازهای دارای ماده دوپانت انجام می‌شود.

پوشش ضد انعکاس (Anti-Reflective Coating)

لایه‌ای نازک از نیترید سیلیکون (Si₃N₄) یا اکسید تیتانیوم (TiO₂) با ضخامت حدود 70-80 نانومتر، بر سطح پنل قرار داده می‌شود و با کاهش بازتاب نور، راندمان تبدیل فوتون به الکترون را افزایش می‌دهد.

متالیزاسیون (Metallization)

• خطوط شبکه‌ای (Grid Lines) از نقره با تکنیک چاپ سیلک‌اسکرین بر سطح بالایی ویفر و لایه‌ای از آلومینیوم نیز بر سطح پایینی آن اعمال می‌شود.
• این اتصالات الکتریکی جریان تولیدشده را جمع‌آوری می‌کنند.

مونتاژ پنل خورشیدی: اتصالات و بهینه‌سازی الکتریکی

مونتاژ پنل خورشیدی شامل بخش های زیر است:

اتصال سلول‌ها

سلول‌ها (به طور معمول 60 یا 72 واحد) با نوارهای مسی روکش‌دار (Busbars) و برای افزایش ولتاژ کل به صورت سری به یکدیگر متصل می‌شوند.

کپسوله‌سازی

سلول‌ها بین دو لایه از ماده اتیلن وینیل استات (EVA) قرار گرفته و تحت خلأ و دمای 140-150 درجه سانتی‌گراد لمینت می‌شوند.

نصب لایه‌های محافظ

• شیشه جلویی (Tempered Glass) با ضخامت 3-4 میلی‌متر، مقاومت مکانیکی بالا و انتقال نور مناسبی را فراهم می‌کند.
• لایه پشتی (Back Sheet) از پلیمرهایی مانند PET ساخته شده و کیفیت عایق الکتریکی پشت پنل را تضمین می‌کند.

جعبه اتصال (Junction Box)

• از دیودهای بای‌پس (Bypass Diodes) تشکیل شده که در زمان افتادن سایه روی بخشی از پنل، از افت ولتاژ کل جلوگیری می‌کنند.
• خروجی آن به طور معمول از کابل‌های MC4 و با ولتاژ نامی 600-1000 ولت DC است.

 آزمایش الکتریکی و کنترل کیفیت

پس از اتمام ساخت پنل خورشیدی تست های زیر جهت اطمینان از عملکرد پنل بر روی آن انجام می‌شود:

• اندازه‌گیری: IV Curve منحنی جریان-ولتاژ برای تعیین بالاترین میزان توان (P_Max) تحت شرایط استاندارد اندازه‌گیری می‌شود.
• تست عایق الکتریکی: مقاومت عایق (Insulation Resistance) با اعمال ولتاژ بالا مورد بررسی قرار می‌گیرد.
• آزمون فلاش :(Flash Test) نور مصنوعی برای شبیه‌سازی خورشید و تأیید راندمان الکتریکی بر سطح پنل اعمال می‌شود.

 ملاحظات طراحی الکتریکی

در طراحی الکتریکی پنل های خورشیدی بهتر است به نکات زیر توجه نمایید:

• تلفات اهمی: مقاومت سری و موازی (R_S) و (R_SH) باید بهینه شوند تا عامل پرکنندگی (Fill Factor)  بالا بماند.
• دما: افزایش دما ولتاژ را کاهش می‌دهد.
• سازگاری با اینورتر: پنل‌ها باید با ولتاژ ورودی اینورتر هماهنگ باشند.

سخن پایانی ساخت پنل‌های خورشیدی

فرآیند ساخت پنل‌های خورشیدی شامل چندین مرحله کلیدی است که از تهیه مواد اولیه آغاز می‌شود و تا تولید سلول‌های خورشیدی، مونتاژ، آزمایش و بسته‌بندی پنل‌ها ادامه می‌یابد. این فرآیند نیازمند دقت بالا و استفاده از فناوری‌های پیشرفته است تا پنل‌هایی با بازدهی بالا و دوام طولانی تولید شوند. برای طراحی و نصب پنل خورشیدی و سیستم‌های خورشیدی بصورت بهینه و متناسب با نیازهای خود، می‌توانید از خدمات نیکسا جهت طراخی و  ساخت نیروگاه خورشیدی متناسب با نیازهای شما بهره‌مند شوید.