چگونه نوع سلول خورشیدی — تک‌کریستالی، چندکریستالی یا لایه نازک — بازده و هزینه را تعیین می‌کند

نصاب‌های مسکونی سیلیکون تک‌کریستالی را در سال ۲۰۲۶ تنها گزینه عملی می‌دانند و به بازده ۲۳ درصدی و از بین رفتن اختلاف قیمت آن اشاره می‌کنند. اما توسعه‌دهندگان در مقیاس نیروگاهی و اپراتورهای تجاری در اقلیم‌های شدید معتقدند که ساختارهای لایه نازک و آرایه‌های چندکریستالی قدیمی، با احتساب گرما و نور پراکنده، همچنان هزینه سطح‌بندی شده انرژی (LCOE) بهتری ارائه می‌دهند. این تصمیم، فضای فیزیکی، سرمایه اولیه مورد نیاز و بازده کل ۲۵ ساله سیستم را تعیین می‌کند.[1][2][4]

برای سقف‌های مسکونی با فضای محدود، تک‌کریستالی برنده قطعی است، زیرا بیشترین کیلووات ساعت را در هر متر مربع تولید می‌کند. با این حال، برای آرایه‌های تجاری نصب شده روی زمین یا تأسیسات در مناطقی که دمای محیط در تابستان از ۴۰ درجه سانتی‌گراد (۱۰۴ درجه فارنهایت) فراتر می‌رود، پایداری حرارتی مواد لایه نازک اساساً بازده سرمایه‌گذاری را تغییر می‌دهد.[1][4]

تفاوت ساختاری از شمش (ingot) آغاز می‌شود. سلول‌های تک‌کریستالی با استفاده از روش چُکرالسکی (Czochralski) ساخته می‌شوند، که در آن یک بلور بذر از ظرفی حاوی سیلیکون مذاب با خلوص بالا بیرون کشیده می‌شود تا یک استوانه کریستالی پیوسته و واحد تشکیل شود.

از آنجا که ساختار اتمی کاملاً تراز شده است، الکترون‌ها با حداقل مقاومت جریان می‌یابند. طبق گزارش فوتوولتائیک Fraunhofer ISE در سال ۲۰۲۶، «بازده ماژول‌های سیلیکونی تجاری طی ده سال گذشته از حدود ۱۷٪ به کمی کمتر از ۲۵٪ بهبود یافته است»، و سلول‌های تک‌کریستالی آزمایشگاهی اکنون به ۲۷.۹٪ رسیده‌اند.[4]

در مقابل، پنل‌های چندکریستالی ریخته‌گری می‌شوند. تولیدکنندگان قطعات سیلیکون را ذوب کرده و در قالبی مربع شکل می‌ریزند و موزاییکی از بلورهای متمایز ایجاد می‌کنند. مرزهای بین این بلورها مقاومت ایجاد کرده و تحرک الکترون را محدود می‌کنند و بازده تجاری را تقریباً در ۱۵٪ تا ۱۷٪ متوقف می‌سازند. اگرچه فرآیند تولید انرژی کمتری می‌برد و از لحاظ تاریخی ارزان‌تر بوده است، بازده پایین‌تر به این معنی است که یک آرایه چندکریستالی برای تولید همان ۶ کیلووات توان، ۱۵٪ تا ۲۰٪ فضای فیزیکی بیشتری نسبت به سیستم تک‌کریستالی نیاز دارد.[2][4]

ساختارهای لایه نازک به طور کامل ویفرهای سیلیکونی را کنار می‌گذارند. در عوض، موادی مانند کادمیوم تلورید یا مس ایندیوم گالیوم سلنید در لایه‌های میکروسکوپی روی بسترهای شیشه، پلاستیک یا فلز رسوب داده می‌شوند. مصرف مواد تقریباً یک بیست و پنجم پنل سیلیکون کریستالی است. در حالی که بازده پایه پایین‌تر است (معمولاً ۱۰٪ تا ۱۳٪ برای ماژول‌های تجاری)، هزینه تولید به ازای هر وات کمترین در صنعت است و بستر انعطاف‌پذیر امکان استقرار روی سطوح منحنی یا سقف‌های تجاری با تحمل بار کم را فراهم می‌کند.[4]

شکاف هزینه بین ساختارهای سیلیکونی تا حد زیادی از بین رفته است. طبق معیارهای هزینه سیستم فوتوولتائیک خورشیدی وزارت انرژی در سال ۲۰۲۴، مزیت قیمتی تاریخی پنل‌های چندکریستالی به دلیل تولید انبوه تک‌کریستالی از بین رفته است. ماژول‌های تک‌کریستالی اکنون تنها با ۰.۰۵ دلار به ازای هر وات گران‌تر از معادل‌های چندکریستالی معامله می‌شوند. در یک دوره استاندارد ۱۵ ساله که توسط OSTI مستند شده است، هزینه سطح‌بندی شده انرژی تک‌کریستالی به قدری کاهش یافته که چندکریستالی به ندرت برای ساخت و سازهای مسکونی جدید توصیه می‌شود.[2][3]

با این حال، بازده پایه در شرایط استاندارد تست ۲۵ درجه سانتی‌گراد (۷۷ درجه فارنهایت) بازده واقعی در دنیای واقعی را تعیین نمی‌کند. با گرم شدن پنل‌های خورشیدی، مقاومت الکتریکی افزایش یافته و ولتاژ کاهش می‌یابد. این جریمه عملکرد با ضریب دمایی اندازه‌گیری می‌شود. پنل‌های تک‌کریستالی معمولاً دارای ضریب دمایی ۰.۳۸٪- به ازای هر درجه سانتی‌گراد هستند، به این معنی که به ازای هر درجه بالاتر از خط پایه ۲۵ درجه سانتی‌گراد، ۰.۳۸٪ از توان نامی خود را از دست می‌دهند.[1][5]

در مناطق گرم و خشک، این جریمه حرارتی شدید است. یک تحلیل تجربی توسط MDPI که فناوری‌های فوتوولتائیک را در شرایط کویری ارزیابی کرد، نشان داد که دمای سطح پنل به طور معمول در ماه‌های تابستان به ۶۵ درجه سانتی‌گراد (۱۴۹ درجه فارنهایت) می‌رسد. در ۴۰ درجه بالاتر از خط پایه تست، یک آرایه تک‌کریستالی ۱۵.۲٪ کاهش در کل توان خروجی را متحمل می‌شود. یک پنل ۴۰۰ واتی عملاً در اوج تابش بعد از ظهر به عنوان یک پنل ۳۳۹ واتی عمل می‌کند.[1]

ساختارهای لایه نازک دارای مزیت حرارتی متمایزی هستند. پنل‌های کادمیوم تلورید دارای ضریب دمایی تقریباً ۰.۲۵٪- به ازای هر درجه سانتی‌گراد هستند. تحت همان شرایط عملیاتی ۶۵ درجه سانتی‌گراد، یک آرایه لایه نازک تنها ۱۰.۰٪ از توان نامی خود را از دست می‌دهد. در حالی که پنل تک‌کریستالی همچنان توان مطلق بیشتری در هر متر مربع تولید می‌کند، آرایه لایه نازک درصد بالاتری از بازده نظری خود را حفظ می‌کند و شکاف هزینه سطح‌بندی شده را در اقلیم‌های شدید کاهش می‌دهد.[1][5]

تخریب طولانی‌مدت نیز این ساختارها را از هم جدا می‌کند. پروژه عمر فوتوولتائیک آزمایشگاه ملی راکی، کاهش عملکرد سالانه آرایه‌های نصب شده را پیگیری می‌کند. پنل‌های تک‌کریستالی بالاترین دوام را نشان می‌دهند و با نرخی بین ۰.۳٪ تا ۰.۵٪ در سال تخریب می‌شوند. پس از ۲۵ سال، یک سیستم تک‌کریستالی با کیفیت بالا همچنان ۸۵٪ تا ۹۰٪ از توان خروجی اولیه روز اول خود را تولید خواهد کرد.

پنل‌های چندکریستالی کمی سریع‌تر تخریب می‌شوند و سالانه بین ۰.۵٪ تا ۰.۸٪ از بازده خود را از دست می‌دهند و در سال ۲۵ تقریباً ۸۰٪ ظرفیت دارند. پنل‌های لایه نازک با شیب تخریب تندتری روبرو هستند و اغلب ۱٪ یا بیشتر در سال از دست می‌دهند. در نتیجه، سیستم‌های لایه نازک معمولاً برای طول عمر عملیاتی ۱۵ تا ۲۰ ساله مدل‌سازی می‌شوند و در مقایسه با آرایه‌های سیلیکون کریستالی، نیاز به تعویض یا بازسازی زودتری دارند.

متغیر نهایی، عملکرد در نور پراکنده است. ماژول‌های لایه نازک طیف وسیع‌تری از نور را نسبت به سیلیکون کریستالی جذب می‌کنند و به آن‌ها اجازه می‌دهد در روزهای ابری، هنگام طلوع یا غروب، برق را مؤثرتر تولید کنند. برای اپراتورهای در مقیاس نیروگاهی که بارهای شبکه را متعادل می‌کنند، این پنجره تولید گسترده می‌تواند بازده اوج پایین‌تر را جبران کند و منحنی توان یکنواخت‌تر و قابل پیش‌بینی‌تری را در طول روز فراهم سازد.[1][4]