تولید سلول خورشیدی از ویفر تا پنل

در این مقاله به بررسی فرآیند تولید سلول خورشیدی از ویفر تا پنل خورشیدی پرداخته شده است. سلول خورشیدی یکی از اجزای کلیدی در تولید انرژی پاک و تجدیدپذیر به شمار می‌رود. در حالی‌که بسیاری از شرکت‌ها تنها به مونتاژ پنل خورشیدی بسنده می‌کنند، تولید کامل سلول خورشیدی از ویفر سیلیکونی تا پنل نهایی نیازمند دانش فنی پیشرفته، تجهیزات تخصصی و سرمایه‌گذاری هدفمند است.

تولید ویفر سیلیکونی؛ گام نخست در تولید سلول خورشیدی

اولین مرحله در تولید سلول خورشیدی، تهیه ماده اولیه یعنی ویفر سیلیکونی است. سیلیکون، به عنوان فراوان‌ترین عنصر در پوسته زمین، ماده‌ای نیمه‌رسانا با قابلیت تبدیل نور خورشید به برق است. برای این منظور ابتدا سیلیکون خالص در قالب شمش‌های بزرگ ذوب و بلورسازی می‌شود. این شمش‌ها سپس با دقت بالا به صفحات بسیار نازک به نام ویفر برش داده می‌شوند. این مرحله تأثیر مستقیمی بر کیفیت نهایی سلول خورشیدی دارد.

ساخت سلول خورشیدی از ویفر خام

در مرحله دوم، ویفرهای سیلیکونی برای تبدیل به سلول خورشیدی آماده می‌شوند. ابتدا با فرایند دوپینگ (آلایش) لایه‌هایی از فسفر یا بور به سطح ویفر تزریق می‌شود تا پیوند p-n تشکیل شود؛ این پیوند هسته عملکرد سلول خورشیدی برای تولید جریان برق است. پس از آن، لایه‌ای ضد بازتاب روی ویفر اعمال می‌شود تا نور بیشتری جذب شود. در ادامه، الکترودهای فلزی روی سطح سلول چاپ می‌شوند تا مسیر جمع‌آوری جریان فراهم گردد. نهایتاً سلول‌ها تحت آزمون‌های دقیق برای سنجش بازده و عملکرد قرار می‌گیرند.

مونتاژ سلول‌ها و تولید پنل خورشیدی

در گام سوم، سلول‌های خورشیدی تولید شده به یکدیگر متصل می‌شوند تا یک پنل خورشیدی تشکیل شود. این مرحله شامل اتصال سلول‌ها به صورت سری و موازی، چیدن آن‌ها روی شیشه، لمینیت‌سازی با استفاده از لایه EVA، نصب فریم آلومینیومی و جعبه اتصال (junction box) است. خروجی این مرحله، یک پنل خورشیدی آماده برای نصب و بهره‌برداری در سیستم‌های خورشیدی است.

اهمیت راه‌اندازی خط تولید سلول خورشیدی در داخل کشور

با افزایش تقاضای جهانی برای انرژی‌های تجدیدپذیر، بسیاری از کشورها به‌دنبال بومی‌سازی فناوری تولید سلول خورشیدی هستند. در ایران نیز با وجود پتانسیل بالای تابش خورشید، توسعه خطوط تولید داخلی می‌تواند وابستگی به واردات را کاهش دهد، اشتغال‌زایی ایجاد کند و زمینه صادرات به کشورهای همسایه را فراهم آورد. علاوه بر این، تولید سلول خورشیدی در داخل، امکان کنترل کیفی بهتر و کاهش قیمت تمام‌شده را به‌همراه دارد.

مرحله اول: تولید ویفر سیلیکونی و آماده‌سازی مواد اولیه

تولید سلول خورشیدی از پایه با فرآیند تولید ویفر سیلیکونی آغاز می‌شود؛ این مرحله به‌عنوان زیربنای عملکرد سلول‌های خورشیدی، تأثیر مستقیمی بر بازده و دوام آن‌ها دارد. کیفیت مواد اولیه در این مرحله، تعیین‌کننده‌ی عملکرد نهایی پنل‌های خورشیدی خواهد بود.

استخراج و خالص‌سازی سیلیکون

ماده‌ی اولیه‌ی اصلی برای تولید سلول خورشیدی، سیلیکون است که به‌وفور در پوسته زمین وجود دارد. با این حال، سیلیکونی که در صنایع نیمه‌رسانا و انرژی خورشیدی استفاده می‌شود باید درجه‌ی خلوص بسیار بالایی داشته باشد. برای این منظور، ابتدا سیلیس (SiO₂) از شن و ماسه استخراج می‌شود و سپس طی فرایندهایی مانند کاهش با کربن در کوره قوس الکتریکی، به سیلیکون متالورژیکی تبدیل می‌شود. در ادامه، از طریق روش‌هایی مانند «فرآیند زیمنس»، این ماده به سیلیکون با خلوص بالا (۹۹.۹۹۹۹٪) تصفیه می‌شود که برای ساخت ویفر و سلول خورشیدی مناسب است.

تولید شمش سیلیکونی (Ingot)

سیلیکون خالص‌شده برای شکل‌گیری به فرم جامد، وارد مرحله‌ی بلورسازی می‌شود. در این مرحله، دو نوع اصلی ساخت شمش وجود دارد:

شمش مونوکریستال (تک‌بلوری): با استفاده از روش Czochralski، یک بلور سیلیکونی در یک جهت مشخص رشد داده می‌شود که ساختار یکنواخت‌تری دارد و در نتیجه بازده بالاتری برای سلول خورشیدی فراهم می‌کند.

شمش پلی‌کریستال (چندبلوری): از روش ریخته‌گری استفاده می‌شود که بلورهای متعدد به صورت تصادفی درون شمش شکل می‌گیرند. این روش ارزان‌تر است اما بازده سلول‌ها نسبت به مونوکریستال کمتر است.

برش شمش به ویفر سیلیکونی

در مرحله بعد، شمش‌های بلوری به صفحات نازکی به نام ویفر بریده می‌شوند. این کار معمولاً با استفاده از اره‌های سیمی مخصوص (wire saw) انجام می‌گیرد. ضخامت ویفرها معمولاً در بازه‌ی ۱۵۰ تا ۲۰۰ میکرومتر است. هرچه برش دقیق‌تر و صاف‌تر انجام شود، تلفات کمتر شده و عملکرد سلول خورشیدی بالاتر خواهد بود. پس از برش، ویفرها شست‌وشو داده می‌شوند تا اثرات خراش، گرد و غبار و ناخالصی‌ها برطرف شود.

مرحله دوم: فرآیند ساخت سلول خورشیدی از ویفر خام

در این مرحله، ویفر سیلیکونی که از شمش برش خورده و آماده شده است، وارد فرآیند اصلی تولید سلول خورشیدی می‌شود. هدف این فرآیند، ایجاد ساختاری الکترونیکی در سطح ویفر است که بتواند نور خورشید را جذب و آن را به جریان الکتریسیته تبدیل کند. این مرحله شامل مجموعه‌ای از فرایندهای فیزیکی و شیمیایی حساس و دقیق است که هرکدام تأثیر مستقیمی بر عملکرد نهایی سلول دارند.

دوپینگ و ایجاد پیوند p-n

مهم‌ترین اصل عملکرد سلول خورشیدی، وجود پیوند p-n است که با افزودن ناخالصی‌ها به سطح ویفر ایجاد می‌شود. این کار با فرایندی به نام “دوپینگ” انجام می‌شود که طی آن اتم‌های فسفر (برای لایه n) یا بور (برای لایه p) به ویفر سیلیکونی اضافه می‌شوند. این ناخالصی‌ها موجب افزایش رسانایی الکتریکی ویفر می‌شوند و دو ناحیه با بار مثبت و منفی در سطح آن شکل می‌گیرد که در مواجهه با نور خورشید، حرکت الکترون‌ها و تولید جریان الکتریکی را ممکن می‌سازد.

اعمال لایه ضد بازتاب  (Anti-Reflective Coating)

سطح ویفر به‌صورت طبیعی تمایل دارد نور را بازتاب دهد که این امر باعث کاهش بازده سلول خورشیدی می‌شود. برای کاهش بازتاب نور و افزایش جذب آن، یک لایه نازک ضد بازتاب (معمولاً از جنس نیترید سیلیکون یا اکسید تیتانیوم) بر روی سطح ویفر پوشش داده می‌شود. این پوشش نه‌تنها بازدهی جذب نور را افزایش می‌دهد، بلکه به رنگ آبی تیره‌ای که در بسیاری از سلول‌های خورشیدی دیده می‌شود نیز منجر می‌شود.

چاپ کنتاکت‌های فلزی (Front and Back Contacts)

در این مرحله، خطوط فلزی بسیار نازکی به صورت الگوهای خاص روی سطح بالایی و پشتی سلول خورشیدی چاپ می‌شوند. این کنتاکت‌ها وظیفه جمع‌آوری جریان تولید شده در سلول و انتقال آن به مدار خارجی را بر عهده دارند. چاپ این کنتاکت‌ها معمولاً به روش “screen printing” یا چاپ سیلک انجام می‌شود. همچنین بعد از چاپ، سلول‌ها وارد کوره‌ای به نام “firing furnace” می‌شوند تا الکترودها به‌طور کامل به سطح سیلیکون متصل شوند.

تست عملکرد و درجه‌بندی سلول خورشیدی

پس از تکمیل مراحل ساخت، سلول‌های تولید شده تحت آزمایش‌های دقیق قرار می‌گیرند. این تست‌ها شامل اندازه‌گیری ولتاژ، جریان، بازده نوری و مشخصات الکتریکی دیگر هستند. بر اساس نتایج این آزمایش‌ها، سلول‌ها درجه‌بندی می‌شوند تا در مرحله بعدی یعنی مونتاژ پنل خورشیدی به‌درستی به‌کار گرفته شوند. تست عملکرد بخش بسیار مهمی از تولید است، زیرا هرگونه نقص در این مرحله می‌تواند باعث کاهش عمر یا کارایی کل پنل شود.

مطالعه بیش تر: از طریق این لینک می توانید تحلیل و ارزیابی بازار نیروگاه‌ خورشیدی را مطالعه نمایید.

مرحله سوم: مونتاژ سلول‌ها و تولید پنل خورشیدی

پس از تولید و تست عملکرد سلول‌ها، نوبت به ترکیب آن‌ها برای ساخت پنل خورشیدی می‌رسد. این مرحله که به آن ماژول‌سازی نیز گفته می‌شود، شامل چیدمان دقیق سلول‌های خورشیدی، اتصال آن‌ها، لایه‌گذاری حفاظتی و قاب‌بندی نهایی است. کیفیت اجرای این مرحله تأثیر مستقیمی بر استحکام، طول عمر و عملکرد پنل خورشیدی در شرایط محیطی مختلف دارد. 

چیدمان و اتصال سلول‌های خورشیدی

ابتدا سلول‌های خورشیدی بر اساس توان و ولتاژ مشابه انتخاب می‌شوند و در آرایش‌های سری و موازی به یکدیگر متصل می‌گردند. این اتصال معمولاً با نوارهای فلزی نازکی به نام “busbar” و “tabbing wire” انجام می‌شود. اتصال صحیح این سلول‌ها برای تولید ولتاژ و جریان مناسب در پنل خورشیدی بسیار حیاتی است. هر خطا در این بخش می‌تواند باعث کاهش راندمان کل پنل یا ایجاد نقاط داغ (hot spots) شود.

لایه‌گذاری حفاظتی و لمینیشن

پس از اتصال سلول‌ها، لایه‌هایی از جنس EVA (Ethylene Vinyl Acetate) به‌صورت شفاف در بالا و پایین آن‌ها قرار می‌گیرد تا سلول‌ها در برابر رطوبت، ضربه و اشعه UV محافظت شوند. سپس مجموعه‌ لایه‌ها به همراه شیشه‌ی ضدضربه در بالا و صفحه‌ی پشتی (معمولاً از جنس پلیمر سفید) در پایین، در دستگاه لمیناتور قرار می‌گیرند. این فرآیند تحت حرارت و خلأ انجام می‌شود تا تمام لایه‌ها کاملاً به هم بچسبند و ساختار مقاوم پنل خورشیدی شکل بگیرد.

قاب‌بندی و نصب جعبه اتصال (Junction Box)

برای افزایش استحکام مکانیکی و سهولت نصب، پنل‌های خورشیدی در فریم‌های آلومینیومی قرار داده می‌شوند. سپس در پشت پنل، جعبه‌ اتصال نصب می‌شود که محل خروج کابل‌های مثبت و منفی پنل است. این جعبه معمولاً دارای دیود بای‌پس است تا از آسیب در شرایط سایه جزئی جلوگیری کند. در پایان، تست عایق‌کاری و مقاومت الکتریکی انجام می‌شود تا اطمینان حاصل شود پنل خورشیدی آماده نصب در سیستم‌های خورشیدی است.

مرحله چهارم: کنترل کیفیت و تست نهایی پنل خورشیدی

پس از اتمام فرآیند مونتاژ، پنل خورشیدی باید تحت آزمایش‌های فنی و کنترل کیفیت قرار گیرد تا عملکرد، دوام و ایمنی آن در شرایط واقعی مورد ارزیابی قرار گیرد. این مرحله از اهمیت بالایی برخوردار است، چرا که تنها سلول خورشیدی با راندمان بالا کافی نیست؛ بلکه کل پنل باید به‌طور استاندارد و یکنواخت کار کند.

تست عملکرد الکتریکی در شرایط استاندارد

در ابتدا، پنل خورشیدی وارد دستگاه تست شبیه‌ساز نور خورشید (Solar Simulator) می‌شود. در این دستگاه، با استفاده از نور مصنوعی مشابه نور خورشید، پارامترهایی مثل ولتاژ مدار باز (Voc)، جریان اتصال کوتاه (Isc)، توان حداکثری (Pmax) و راندمان کلی اندازه‌گیری می‌شود. این تست‌ها مطابق با شرایط استاندارد STC (Standard Test Conditions) انجام می‌شوند. در این شرایط، عملکرد واقعی سلول خورشیدی در قالب یک پنل، بررسی شده و با مقدار اسمی درج‌شده روی برچسب پنل مقایسه می‌گردد.

آزمون‌های محیطی و مکانیکی

پس از تست اولیه، پنل خورشیدی وارد فاز آزمون‌های دوام و مقاومت محیطی می‌شود. این آزمایش‌ها شامل تست‌هایی نظیر:

آزمون حرارتی (دمای بالا و پایین)

آزمون رطوبت

آزمون بار مکانیکی (شبیه‌سازی بار برف یا باد)

آزمون شوک حرارتی

آزمون تابش UV

هدف این تست‌ها آن است که اطمینان حاصل شود پنل خورشیدی در محیط‌های گوناگون مانند بیابان، مناطق ساحلی یا ارتفاعات بالا عملکرد مطلوبی خواهد داشت. هرگونه خرابی مانند ترک در شیشه، از بین رفتن لایه‌ها یا اختلال در اتصالات باید پیش از عرضه به بازار شناسایی شود.

مطالعه بیش تر: از طریق این لینک می توانید فرآیند دریافت جواز نیروگاه خورشید را مطالعه نمایید.

طبقه‌بندی، برچسب‌گذاری و صدور گواهی کیفیت

در پایان، پس از عبور موفق از تمام مراحل تست، هر پنل خورشیدی بر اساس راندمان و ویژگی‌های الکتریکی‌اش طبقه‌بندی می‌شود. اطلاعات فنی شامل ولتاژ، جریان، توان خروجی، نوع سلول خورشیدی (مانند مونوکریستال یا پلی‌کریستال)، کشور تولیدکننده و شماره سریال، بر روی لیبل پنل درج می‌گردد. علاوه‌براین، گواهی‌نامه‌های بین‌المللی مانند CE، TUV و IEC برای اطمینان مشتریان و امکان صادرات دریافت می‌شود.

مرحله پنجم: بسته‌بندی و آماده‌سازی برای حمل و نصب پنل خورشیدی

پس از گذراندن تمامی مراحل تولید و کنترل کیفیت، پنل خورشیدی آماده ارسال به بازار و نصب می‌شود. این مرحله شامل فرآیندهای بسته‌بندی، حفاظت از پنل‌ها در برابر آسیب‌های احتمالی در هنگام حمل، و آماده‌سازی آن‌ها برای نصب در پروژه‌های خورشیدی است. بسته‌بندی صحیح نه‌تنها به‌عنوان یک لایه حفاظتی برای سلول خورشیدی عمل می‌کند، بلکه در تضمین ایمنی و سلامت پنل‌ها در طول مراحل حمل‌ونقل به مقصد نهایی نیز اهمیت دارد.

بسته‌بندی و محافظت از پنل خورشیدی

در این مرحله، پنل خورشیدی با استفاده از مواد محافظتی مانند فوم، پلاستیک حباب‌دار یا نوارهای مخصوص بسته‌بندی می‌شود تا از آسیب‌های فیزیکی جلوگیری کند. همچنین برای جلوگیری از آسیب‌های ناشی از رطوبت و شرایط جوی، پنل‌ها در جعبه‌های محکم و مقاوم قرار داده می‌شوند. بسته‌بندی باید به‌گونه‌ای باشد که علاوه‌بر حفاظت از پنل‌ها در برابر ضربه، از ورود گردوغبار یا رطوبت به داخل بسته جلوگیری کند، زیرا این عوامل می‌توانند به سلول‌های خورشیدی آسیب وارد کرده و کارایی پنل‌ها را کاهش دهند.

آماده‌سازی برای حمل و نقل

پس از بسته‌بندی، پنل خورشیدی به‌طور دقیق و اصولی برای حمل‌ونقل آماده می‌شود. از آن‌جایی که پنل‌های خورشیدی به‌طور عمده در پروژه‌های بزرگ یا به‌صورت دسته‌ای حمل می‌شوند، لازم است که حمل آن‌ها در شرایطی ایمن و با رعایت اصول حمل‌ونقل بین‌المللی انجام گیرد. در این مرحله، پنل‌ها باید در شرایط خاصی مانند تهویه مناسب و جلوگیری از تابش مستقیم خورشید یا بارندگی قرار گیرند. همچنین، باید دقت شود که هنگام حمل، پنل‌ها در وضعیت مناسب و بر روی پالت‌های محکم و ثابت قرار بگیرند.

نصب و راه‌اندازی پنل خورشیدی

پس از رسیدن پنل خورشیدی به مقصد، تیم نصب باید از فرآیند نصب صحیح و اصولی آن اطمینان حاصل کند. این مرحله شامل مراحل مختلفی است که از نصب پنل‌ها بر روی ساختارهای فریم، تنظیم زاویه پنل برای جذب بیشتر نور خورشید، و انجام سیم‌کشی‌های لازم برای اتصال پنل‌ها به سیستم برق می‌باشد. تمامی این اقدامات باید بر اساس استانداردهای مربوطه و دستورالعمل‌های تولیدکننده انجام شوند تا از کارایی بهینه سلول‌های خورشیدی و پنل خورشیدی در طولانی‌مدت اطمینان حاصل شود.