با پیشرفت فناوری، پنل های خورشیدی امروزی پرتوهای بیشتری نسبت به قبل جذب می کنند و میزان انرژی برق بیشتری تولید می شود. محققان فن آوری های زیادی را توسعه داده اند که کارایی سلول های فتوولتائیک (Photo Voltaic) را افزایش می دهد. خوشبختانه برای مصرف کنندگان آگاه به انرژی، این موارد در حال تبدیل شدن به ویژگی های استاندارد در بسیاری از برند های پنل خورشیدی هستند که سلول های خورشیدی نسل اول و دوم را عرضه کرده و به فروش می رسانند.

فن آوری های پنل خورشیدی برای افزایش کارایی

در اینجا نگاهی کوتاه به پیشرفت‌های فناوری PV در بهره‌وری تا به امروز با نگاهی اجمالی به آینده فتوولتائیک‌ها نیز داریم:

1. فناوری PERC (Passivated Emitter Rear Cell)

همانطور که فناوری لایه نازک در دهه 80 توسعه یافت، PERC یک فناوری الحاقی است که هدف آن بهبود کارایی در سلول‌های خورشیدی نسل اول است. در این فناوری، دو لایه در پشت سلول سیلیکونی کریستالی در نظر گرفته می شودکه میزان حرکت الکترون ها را در سلول افزایش می دهند. تاثیر فناوری PERC افزایش 1% کارایی می باشد که در حالت متوسط ​​قرار دارد. البته باید اشاره کرد که، سلول‌های خورشیدی با فناوری PERC در معرض تخریب ناشی از نور و دمای بالا هستند که با گذشت زمان موجب می شود تا کارایی آنها کاهش می‌دهد. یک مطالعه نشان داد که در طولانی مدت، کاهش 20٪ کارایی را می توان در 2-3 سال در سلول های خورشیدی با PERC را شاهد بود. همواره اشاره شده است که، در زمان خرید پنل های خورشیدی ضمانت نامه خود را بررسی کنید تا ببینید آیا ضمانت شامل افت کارایی و به موجب آن، کاهش میزان انرژی برق تولید شده هم می شود یا خیر.

2. فناوری HJT (Heterojunction)

تلاش برای افزایش کارایی و توان خروجی سلول های فوتوولتائیک، برند Sanyo (که بعداً Panasonic نام گرفت) فناوری های HJT را در دهه 1980 توسعه داد. در سال 2010 که حق امتیاز آن منقضی شد، بسیاری از شرکت های تحقیقات خورشیدی، فناوری HJT را برای بهبود کارایی پانل های تولیدی خود بکار گرفتند تا از مزایای این فناوری هم در پیشرفت محصولات خود استفاده کنند. بسیاری از پنل های با کارایی و راندمان بالا در بازار امروز، مانند سری Alpha از گروه تولیدی REC، از این فناوری استفاده می کنند. در فناوری HJT، یک لایه نازک آمورف-Si، (a-SI)، – بدون ساختار کریستالی منظم – در هر دو طرف یک ویفر (Wafer) مونو کریستال سیلیکونی (Mono-Si) یا پلی کریستال سیلیکونی (Poly-Si) اضافه می شود. این لایه های اضافی از مواد فوتوولتائیک می توانند انرژی پرتوی های خورشیدی ای که ویفر سیلیکونی جذب نکرده، دریافت کنند. بنابراین، انرژی خورشیدی بیشتری دریافت شده و می توان به میزان برق بیشتری در اختیار داشت. در عمل، تولید لایه های نازک (Thin Layout) آسان است و نسبت به سلول های خورشیدی نسل اول هزینه کمتری دارد. البته به خودی خود، آنها بسیار کارآمد نیستند و در حدود 12٪ بالاتر هستند. اما هنگامی که آنها در فناوری HJT استفاده شوند، بازده کلی پنل فوتوولتائیک به بیش از 21٪ افزایش می یابد که با بهترین پنل های خورشیدی موجود در بازار امروز قابل مقایسه است. خوشبختانه، فناوری HJT به مراحل تولید کمتری نسبت به سایر فناوری‌های مورد استفاده برای افزایش کارایی نیاز دارد و بنابراین از نظر اقتصاد مهندسی، هزینه تولیدی ارزان‌تری نسبت به بسیاری از فناوری‌ها از جمله PERC دارد. طبق تجربه می توان اشاره کرد که پانل های کریستال سیلیکونی (Si) در گرمای زیاد عملکرد خوبی ندارند، این در حالی است که سیلیکون آمورف (Amorphous-Si) در دمای بالا نیز بخوبی عملکرد خود را حفظ می کند. این مسئله موجب شده تا در فناوری HJY به عامل اصلی برای افزایش کارایی تبدیل شود. با این وجود، کماکان فناوری PERC بر اثر تاثیرات نور و گرما دچار کاهش راندمان و تخریب می شود.

3. فناوری نیمه سلولی

سایه انداختن روی یک پنل خاص و اتلاف انرژی برق ناشی از آن مشکل فناوری های فوتوولتائیک است. همانطور که مشاهده می شود، اگر پدیده سایه (Shadow Effect) 20 تا 30 درصد سطح پنل را پوشش دهد، می تواند توان خروجی یک آن را تا 40 درصد کاهش دهد! که برای سرمایه گذار و یا مصرف کننده عادی هم موجب از دست رفتن سرمایه و کاهش میزان صرفه جویی در انرژی شود. هر چند که مسئله، مشابه افتادن سایه بر روی چندین پانل نیست. حل این مشکل به چیزی مانند میکرواینورتر (Micro Inverter) نیاز دارد. دیودهای بای پس (Bypass Diode) به مسئله بازده یا اتلاف توان ناشی از سایه زدن روی یک سلول کمک می کند که در فناوری نیمه سلولی (Half Cell) فراهم شده است. فناوری نیمه سلولی، بر این اصل استوار است که سلول های فوتوولتائیک، مقاومت کمتری در برابر جریان الکترون ها در مدار دارند؛ (به عنوان مثال، یک ماژول معمولی 60 سلولی دارای 120 نیم سلول – هر یک به دو قسمت تقسیم شده – با تنها نیمی از مقاومت خواهد بود). این مسئله موجب می شود تا در کل، مقاومت کمتر در برابر جریان الکتریکی بوجود بیاید و نهایتا بازده را تا حدود 2-3٪ افزایش یابد. از زمانی که استفاده از انرژی خورشیدی به یک گزینه انرژی تجدیدپذیر قابل دوام و پایدار تبدیل شد، جستجو برای راه‌هایی برای افزایش راندمان و توان خروجی آرایه‌های فوتوولتائیک ضمن توجه به روند کاهش هزینه‌ها (هم در زمینه تولید و هم در زمینه قیمت تمام شده)، ادامه دارد. با تشدید بحران آب و هوایی اقلیمی، بررسی فناوری‌هایی که بر محیط زیست تأثیر منفی نمی‌گذارند نیز در اولویت قرار گرفته است. بنابراین، کشف طیف گسترده‌ای از کاربردهای فتوولتائیک که امروزه وارد بازار می‌شوند، قابل انتظار است. در ادامه چند مورد از پیشرفت های فناوری های انرژی خورشیدی ارائه می شود که برای کابردهای خانگی و غیر صنعتی می تواند، به تنهایی یا در ترکیب با سایر پیشرفت های خورشیدی تهیه گردد که استفاده از آنها در بهره برداری از انرژی تابشی برای تولید برق مصرفی، نوید زیادی دارد.

4. پنل های خورشیدی دو طرفه (Bifacials)

پنل های از نوع مونو کریستال سیلیکونی (Mono-Si) یا پلی کریستال سیلیکونی (Poly-Si)، معمولا از یک طرف در معرض نور خورشید قرار می گیرند. تحقیقات در دهه 1960 در مورد استفاده از طرف پنل فوتوولتائیک آغاز شد اما در عمل، سال 2010 شروع به ساخت و تولید نمونه های آزمایشی صورت گرفت. بکمک پنل های دوطرفه و با داشتن امکان ردیابی خورشیدی (Solar Tracking) ممکن است راندمان تا 40٪ در مقایسه با پانل های یک طرفه افزایش یابد، اما در بیشتر موارد بهبود 6-9٪ اتفاق می افتد (ردیابی خورشیدی شامل تنظیم مداوم زاویه پانل های فوتوولتائیک برای گرفتن بیشترین میزان انرژی خورشیدی در طول روز است). در پنل خورشیدی دو طرفه، ورقه پشتی که بطور سنتی تیره رنگ است با یک ماده شفاف (معمولاً شیشه)، جایگزین می شود و قاب آلومینیومی نیز اغلب کنار گذاشته می شود. سیستم‌های خورشیدی دو طرفه معمولاً روی زمین نصب می‌شوند تا بکمک فضایی را برای پرتوهای نوری که قبلاً از آن عبور کرده‌اند، اجازه دهند بر روی پانل‌های پشتی منعکس شوند. در سال‌های اخیر، هزینه‌های مربوط به پنل های دو طرفه کاهش یافته و قابل رقابت با پنل‌های تک طرفه شده است (با همان نوع و کیفیت). در حال حاضر آنها حدود 5-6 سنت به ازای هر وات بیشتر از همتایان معمولی خود هزینه بیشتری دارند.

5. فناوری BIPV (Building-integrated photovoltaics)

رایج ترین نمونه BIPV، ** خورشیدی (Solar Shingles) است که برای اولین بار در سال 2005 به صورت تجاری در دسترس قرار گرفت که هر یک به راحتی می توانند انرژی برقی در حدود 60 وات تولید کرده و حتی در برخی از برندها، تا 100 وات هم بدست می آید. ** خورشیدی از نظر ساختاری ممکن است بصورت تک کریستال سیلیکن (Mono-Si) یا پلی کریستال سیلیکن (Poly-Si) باشند. فناوری های لایه نازک نیز در BIPV استفاده می شود. در حال حاضر، **  خورشیدی مقرون به صرفه نیستند، مگر اینکه آماده تعویض سقف خود باشید. ** خورشیدی ممکن است 2.83 دلار در هر وات قیمت داشته باشد.

6. فناوری CPV (Concentration Photovoltaic Cell)

فناوری CPV با استفاده از کلکتورهای نوری (Optical Collectors) (مانند لنزها و آینه ها)، نور خورشید را بر روی یک سلول فتوولتائیک کوچک متمرکز می کند. با توجه به مسئله که اصالتا سلول خورشیدی برای کاربردهای فضایی یا نظامی طراحی و برای تحمل گرمای زیاد در نظر گرفته شده است، می توان برای بالاترین راندمان (تاکنون حدود 30 درصد در شرایط محیطی و اما تا 43 درصد در شرایط آزمایشگاه)، از سلول های خورشیدی چند اتصالی (Multi-Junction) استفاده شود. برای اینکه این سیستم در وضعیت بیشترین میزان تابش مستقیم کار کند، به یک دستگاه ردیاب خورشیدی دو محوره (Double-Axis Solar Tracking) با خنک کننده فعال (Active Cooling) برای جلوگیری از آسیب حرارتی (Thermal Damage) نیاز است. باید توجه داشت که پرتوهای نور ورودی باید همیشه در حالت عمود بر عدسی تابیده شود. فناوری CPV علیرغم کارایی باورنکردنی که دارد، به دلایل زیادی برای مصارف مسکونی بسیار محبوب نیست؛ به عنوان مثال، هزینه نصب حدود 2.5 تا 4 برابر بیشتر از پنل های سیلیکونی سنتی است، فقط در روزهای روشن و آفتابی به خوبی کار می کند، ردیاب ها به فضای زیادی نیاز دارند و هزینه های نگهداری نیز بالاست.

بهبود کارایی پنل خورشیدی در تحقیقات سال 2021

پنل های خورشیدی نسل سوم و چهارم به سرعت در حال توسعه هستند؛ زیرا دانشمندان در تلاش برای دستیابی به بازدهی بالاتر از حد تئوری 33 درصد سلول های فوتوولتائیک سیلیکونی هستند و امیدوارند که هزینه ها (هم مواد و هم محیط زیست) را به حداقل برسانند. از جمله پرطرفدارترین ها می توان به مجموعه وسیعی از سلول های خورشیدی چند اتصالی (Multi-Junction) و پروسکایت ها (Perovskites) اشاره کرد.

7. سلول های خورشیدی چند اتصالی (Multi-Junction Solar Cells)

سلول های خورشیدی چند اتصالی که سلول های انباشته نیز نامیده می شوند، کارایی بیشتری نسبت به سلول های تک اتصالی (Single-Junction) دارند. تا کنون، راندمان تقریباً 45٪ اغلب در شرایط آزمایشگاهی به دست آمده است. بنظر می رسد که آنها روزنه های درخشانی برای انقلاب انرژی پاک هستند و امروزه در حال یافتن برخی کاربردهای تجاری در فناوری فضایی هستند. با این حال، دستگاه های چند منظوره هنوز هم بسیار گران هستند و هنوز برای استفاده خانگی و غیر صنعتی در دسترس نیستند. سلول های فوتوولتائیک چند اتصالی بر این واقعیت استوار است که مواد نیمه رسانای مختلف، تابش خورشید را در طول موج های مختلف جذب می کنند. با این حال، برای اینکه آنها با هم کار کنند، صرفاً روی هم چیدن (Stacking) دو، سه یا بیشتر مواد کافی نیست و اغلب از نظر ساختاری بسیار متفاوت هستند. تا کنون، محققان دو راه حل برای انجام سلول های انباشته (Stacked Cells) ارائه کرده اند (به عنوان مثال، آنها ممکن است اتصالات تونلی (Tunnel Junctions) را از طریق لایه هایی که الکترون ها در آن حرکت می کنند ایجاد کنند یا ممکن است از مواد نیمه رسانای مختلفی استفاده کنند که به راحتی می توانند از نظر شیمیایی به یکدیگر متصل شوند. انرژی از طریق اتصالات شیمیایی به گردش در می آید و باعث می شود که مواد به صورت الکتریکی نیز به هم متصل شوند). تا به امروز بالاترین راندمان سلول فوتوولتائیک چند اتصالی، در شرایط آزمایشگاهی و با استفاده از شش اتصال چندگانه (Six Multi-Junctions) به 47.1 درصد رسیده است.

8. سلول های خورشیدی پروسکایت (Perovskite Solar Cells)

به بیان علمی، پروسکایت ها یک نام عمومی برای گروه بزرگی از ترکیبات شیمیایی با ساختاری شبیه به یک ماده طبیعی به نام تیتانات کلسیم (Calcium Titanate) است. تولید آنها آسان و ارزان بوده و بسیاری از آنها ویژگی های فتوولتائیک خیلی خوبی دارند. در سال 2012 اولین پروسکایت لایه نازک (Thin-Film Perovskite) با بازده 10 درصد ساخته شد که با پیشرفت های سریع در شرایط آزمایشگاهی بازدهی به 25 درصد رسید. سلول هایی با ساختار پروسکایت بر روی سیلیکون (Perovskite on Silicon) با بازده 29.1 درصد رکوردها را می شکند و هیچ پایانی برای آن قابل مشاهده نیست. در تست نمونه اولیه، این سطح از راندمان به مدت 300 ساعت حفظ شد. با توجه به اینکه پروسکایت های فعلی به هیچ وجه پایداری حرارتی ندارند، این مدت زمان فوق العاده به شمار می رود. البته، پروسکایت‌ها راه طولانی در پیش دارند تا بتوانند با سلول‌های سیلیکونی (Si) نسل اول که بیش از 25 سال دوام می‌آورند، رقابت کنند (با حداقل تخریب و کاهش کارآیی).

جمع بندی: فناوری های پنل خورشیدی که برای افزایش کارایی طراحی شده اند

در حالی که سلول های خورشیدی از دهه 1950 به طور جدی در حال توسعه بودند، چندین فناوری که بطور خاص برای افزایش کارایی پانل ها طراحی شده بودند نیز در آزمایشگاه مورد آزمایش قرار گرفتند. بسیاری از این بهبودهای بهره وری چندین دهه بعد به تولید تجاری تبدیل شدند. امروزه معمولاً در سلول های فوتوولتائیک نسل اول و دوم استفاده می شود. این پیشرفت‌ها با افزایش راندمان از 1% تا 10% هر کدام، انرژی تابشی بیشتری را به برق قابل استفاده تبدیل می‌کنند. آنها ممکن است با هم یا جداگانه استفاده شوند.

در اینجا نمونه هایی از کارآمدترین فناوری های PV برای افزایش کارایی آورده شده است:

• HJT
• نیم سلولی
• دو طرفه

اخیراً، سلول‌های خورشیدی چند پیوندی و پروسکایت‌ها پتانسیل زیادی در دستیابی به راندمان بیشتر در پانل‌های فوتوولتائیک دارند.