در سالهای اخیر با گسترش روزافزون نیروگاههای خورشیدی، یک سؤال فنی مهم ذهن بسیاری از سرمایهگذاران و طراحان سیستمهای فتوولتائیک را درگیر کرده است؛ چرا پنلهایی که به تازگی نصب شدهاند، از همان روزهای اول توان کمتری نسبت به مقدار اسمی خود تولید میکنند؟ پاسخ این پرسش در پدیدهای نهفته است که به آن «تلفات LID» پنل خورشیدی میگویند.
تلفات LID پنل خورشیدی معمولا بلافاصله پس از اولین قرارگیری در معرض نور خورشید رخ میدهد و میتواند بین ۱ تا ۳ درصد و در برخی موارد بیشتر از توان نامی، ماژول را کاهش دهد. در پروژههای بزرگ مقیاس، همین چند درصد افت توان به معنای کاهش درآمد سالانه و طولانیتر شدن زمان بازگشت سرمایه است.
در این مقاله از «پرسال» بهصورت تخصصی به بررسی این موضوع میپردازیم که علت تلفات LID در پنلهای خورشیدی چیست، چگونه ایجاد میشود، چه عواملی آن را تشدید میکند و چه راهکارهایی برای کاهش اثر این پدیده وجود دارد.
منظور از تلفات LID پنل خورشیدی چیست؟
LID مخفف عبارت Light Induced Degradation بهمعنای “افت ناشی از نور” است. اگر بخواهیم سادهتر بگوییم، وقتی یک پنل خورشیدی برای اولین بار زیر نور آفتاب قرار میگیرد، یک سری تغییرات ساختاری درون سلولهای سیلیکونی آن اتفاق میافتد که نتیجهاش کاهش توان خروجی است. این افت نه به خاطر نقص فیزیکی یا آسیب مکانیکی، بلکه ناشی از واکنشهای شیمیایی درون ساختار خود پنل است.
یکی از نکات مهمی که اکثر افراد آن را نمیدانند این است که تلفات LID پنل خورشیدی معمولا فقط یکبار و در ابتدای عمر ماژول رخ میدهد. پس از آن، سیستم به یک حالت پایدار میرسد و این افت دیگر تکرار نمیشود. به همین دلیل نباید LID را با تخریب تدریجی سالانه پنل اشتباه گرفت؛ آنچه به آن Degradation Rate گفته میشود یک فرآیند کند و مستمر در طول عمر ۲۵ تا ۳۰ ساله پنل است، در حالی که LID یک افت سریع و اولیه است که در روزها یا هفتههای نخست بهرهبرداری تثبیت میشود.
همین تفاوت ماهوی باعث میشود که مدیریت LID نیاز به رویکرد متفاوتی داشته باشد؛ طراحی که این دو پدیده را با هم اشتباه بگیرد، محاسبات تولید انرژیاش از ابتدا با خطا همراه خواهد بود.
بررسی علل اصلی تلفات LID پنل خورشیدی
برای اینکه بدانیم چرا افت LID پنل خورشیدی اتفاق میافتد، باید ماهیت ساختار سلولهای خورشیدی را درک کنیم. بیشتر پنلهای موجود در بازار از سلولهای سیلیکون نوع P ساخته میشوند. در این سلولها از عنصری به نام بور بهعنوان ماده دوپینگ استفاده شده؛ یعنی بور به ساختار کریستالی سیلیکون اضافه شده تا خواص الکتریکی مناسبی ایجاد کند. تا اینجا همه چیز طبیعی است.
مشکل از جایی شروع میشود که در فرآیند تولید ویفرهای سیلیکونی، مقداری اکسیژن بهصورت ناخواسته در ساختار کریستالی باقی میماند. این اکسیژن در شرایط عادی و در تاریکی کار چندانی نمیکند، اما به محض اینکه پنل زیر نور خورشید قرار میگیرد، بور و اکسیژن با هم واکنش میدهند و یک ترکیب جدید به نام «کمپلکس بور-اکسیژن» تشکیل میشود.
این کمپلکس مشکلساز است چون مثل یک تله عمل میکند؛ الکترونها و حفرههایی که باید به الکترودها برسند و جریان الکتریکی تولید کنند، در این تلهها گیر میافتند و بازترکیب میشوند. نتیجه مستقیم این اتفاق، کاهش جریان تولیدی و افت توان خروجی پنل است. همین سازوکار، هسته اصلی تلفات LID پنل خورشیدی را تشکیل میدهد.
چرا افت LID پنل خورشیدی در ابتدای کار شدیدتر است؟
سؤال اصلی اینجاست که اگر واکنش کمپلکس مضر است، چرا بعد از مدتی متوقف میشود؟ پاسخ در مفهوم اشباع نهفته است.
در ساعات اولیه تابش، تعداد زیادی از ترکیبات بور و اکسیژن آماده واکنش هستند و فرآیند با سرعت بالا پیش میرود، اما بهتدریج که این ترکیبات مصرف میشوند، سرعت واکنش کاهش مییابد تا اینکه به حالت اشباع میرسد. از این نقطه به بعد، دیگر مواد کافی برای ادامه واکنش وجود ندارد و افت توان متوقف میشود.
به همین دلیل است که تلفات LID پنل خورشیدی معمولا در چند روز یا هفته نخست به حداکثر میزان خود میرسد و سپس تثبیت میشود. پس از این مرحله، پنل خورشیدی وارد یک سطح توان جدید و پایدار میشود که تا پایان عمرش آن را حفظ میکند.
کدام نوع پنلها بیشتر در معرض تلفات LID هستند؟
همه پنلهای خورشیدی به یک اندازه دچار پدیده تلفات LID نمیشوند. میزان این افت به نوع سلول و فناوری ساخت پنل بستگی دارد و همین تفاوت میتواند در انتخاب پنل مناسب برای یک پروژه نقش تعیینکنندهای داشته باشد.
۱_پنلهای سیلیکون نوع P
پنلهای P-type که بر پایه دوپینگ بور ساخته میشوند، بیشترین حساسیت را نسبت به LID دارند. دلیلش هم دقیقا همان چیزی است که در بخش قبل توضیح دادیم؛ وجود همزمان بور و اکسیژن در ساختار کریستالی، شرایط لازم برای تشکیل کمپلکسهای مخرب را فراهم میکند. این نوع پنلها سالهاست که در بازار جهانی سهم بزرگی دارند و به همین دلیل، تلفات LID به یک چالش اساسی در صنعت تولید پنلهای P-type تبدیل شده است.
نکته مهم این است که حتی در میان پنلهای P-type هم تفاوتهای قابلتوجهی وجود دارد. برندهای معتبر با کنترل دقیق فرآیند تولید و کاهش میزان اکسیژن در ویفر، توانستهاند LID را در همین دسته هم به حداقل برسانند. پس نوع سلول تنها معیار نیست؛ کیفیت ساخت هم به همان اندازه اهمیت دارد.
۲_پنلهای سیلیکون نوع N
در پنلهای N-type داستان فرق میکند. در این فناوری بهجای بور از فسفر برای دوپینگ استفاده میشود. چون فسفر چنین واکنشی با اکسیژن ندارد، کمپلکس مخربی تشکیل نمیشود و در نتیجه تلفات LID پنل خورشیدی در این نوع بسیار کمتر و در بسیاری از موارد نزدیک به صفر است.
به همین دلیل در سالهای اخیر تقاضا برای خرید پنلهای خورشیدی N-type در پروژههای نیروگاهی بزرگ بهشدت افزایش پیدا کرده است. وقتی تحلیل مالی دقیقی پشت یک پروژه باشد، حتی همان ۱ تا ۳ درصد تفاوت در LID میتواند انتخاب فناوری را تغییر دهد؛ حتی اگر قیمت اولیه پنلهای N-type کمی بالاتر باشد.
فناوریهایی مانند TOPCon و HJT که هر دو بر پایه سلولهای N-type هستند، امروزه بهعنوان گزینههای برتر برای کاهش تلفات LID شناخته میشوند و بازار جهانی بهسرعت در حال حرکت به سمت این فناوریهاست.
میزان تلفات LID پنل خورشیدی چقدر است؟
یکی از چالشهای کلیدی که عموما در جلسات فنی پروژههای خورشیدی مطرح میشود این است که افت LID دقیقا چقدر است و آیا واقعا به اندازهای هست که نگران آن باشیم؟ پاسخ صادقانه این است که مقدار دقیق LID به کیفیت مواد اولیه، فرآیند تولید و نوع سلول بستگی دارد.
بهطور کلی میتوان گفت در پنلهای استاندارد P-type این عدد معمولا بین ۱ تا ۳ درصد است. در برخی محصولات قدیمیتر یا با کیفیت پایینتر این رقم میتواند تا ۵ درصد هم برسد. در مقابل، پنلهای N-type معمولا کمتر از ۱ درصد تلفات LID دارند و برخی از آنها تقریبا هیچ.
اکنون شاید بگویید ۲ یا ۳ درصد تلفات که عدد چندان بزرگی نیست! اجازه دهید با یک مثال واقعی به ابعاد این موضوع نگاه کنیم. در یک نیروگاه ۱۰ مگاواتی، کاهش ۳ درصدی توان یعنی ۳۰۰ کیلووات از دست رفته. اگر این نیروگاه روزانه ۵ ساعت معادل تابش مؤثر داشته باشد، فقط در یک روز حدود ۱۵۰۰ کیلووات ساعت انرژی کمتر تولید میشود. این عدد را در ۳۶۵ روز ضرب کنید تا متوجه شوید در طول یک سال چه مقدار درآمد واقعی از دست میرود!
در پروژههای کوچک مسکونی شاید این اختلاف چندان محسوس نباشد. اما در سرمایهگذاریهای صنعتی و نیروگاهی که هر کیلووات ساعت اهمیت مالی قابل توجهی دارد، نادیده گرفتن تلفات LID پنل خورشیدی در محاسبات یک اشتباه جدی است که میتواند روی تحلیل بازگشت سرمایه تأثیر مستقیم بگذارد.
تفاوت تلفات LID با افت سالانه طبیعی
تمام پنلهای خورشیدی در طول عمرشان بهتدریج توان کمتری تولید میکنند. این افت تدریجی که به آن Degradation Rate گفته میشود، معمولا بین ۰.۳ تا ۰.۸ درصد در سال است و کاملا طبیعی و قابل پیشبینی است. تولیدکنندگان معتبر، این عدد را در گارانتی عملکرد محصولاتشان ذکر نموده و طراحان هم آن را در محاسبات تولید انرژی لحاظ میکنند.
تلفات LID پنل خورشیدی اما یک افت اولیه و نسبتا سریع است که ارتباطی به روند تخریب تدریجی ندارد. میتوان گفت LID مثل یک پله است؛ پنل یکبار از آن پله پایین میآید و بعد روی سطح جدید به مسیر طبیعی خود ادامه میدهد، در حالی که افت سالانه مثل یک شیب ملایم است که در طول سالها بهآرامی پیش میرود.
دانستن این تفاوت برای هر فردی که مسئول پایش عملکرد نیروگاه خورشیدی است، اهمیت عملیاتی بهسزایی دارد؛ اگر این دو پدیده با هم اشتباه گرفته شوند، تفسیر دادههای مانیتورینگ هم دچار خطا خواهد شد.
چه عواملی شدت تلفات LID پنل خورشیدی را افزایش میدهند؟
چند عامل مشخص میتوانند افت تلفات LID پنل خورشیدی را تشدید کنند. مهمترین آنها میزان اکسیژن باقیمانده در ویفر سیلیکونی است؛ هرچه این مقدار بیشتر باشد، کمپلکسهای مخرب بیشتری تشکیل میشوند. کیفیت پایین فرآیند رشد کریستال، عدم انجام عملیات پیشتابش در کارخانه و دمای بالا در زمان اولین بهرهبرداری هم از دیگر عوامل مهمی هستند که شدت این پدیده را افزایش میدهند. در مناطق کویری با تابش شدید، این افت ممکن است در همان روزهای اول بهطور کامل اتفاق بیفتد.
راهکارهای کاهش تلفات LID پنل خورشیدی
مؤثرترین راهکار برای کاهش تلفات LID، انتخاب پنلهای N-type است که در آنها واکنش بور-اکسیژن اصلا رخ نمیدهد. فناوریهایی مانند TOPCon و HJT که بر همین اساس طراحی شدهاند، امروزه گزینههای برتر برای کاهش LID محسوب میشوند. روش دیگر، بهینهسازی فرآیند تولید ویفر و کاهش اکسیژن در ساختار کریستالی است. برخی تولیدکنندگان معتبر هم با انجام عملیات Pre-illumination پیش از ارسال پنل، این افت را از قبل مدیریت میکنند تا کارفرما پس از راهاندازی با کاهش ناگهانی توان مواجه نشود.
جمعبندی
تلفات LID پنل خورشیدی یک پدیده شناختهشده، قابل پیشبینی و قابل مدیریت است. این افت که عمدتا به دلیل واکنش بور و اکسیژن در سلولهای P-type رخ میدهد، معمولا بین ۱ تا ۳ درصد است و در هفتههای نخست تثبیت میشود. نادیده گرفتن این پدیده در مرحله طراحی و خرید تجهیزات خورشیدی میتواند به اختلاف واقعی بین پیشبینی و عملکرد سیستم منجر شود.
شرکت بازرگانی پرسال توصیه میکند قبل از انتخاب یا خرید پنل خورشیدی، نوع فناوری سلول با دقت انتخاب شود، دیتاشیتهای فنی پیش از هر تصمیمی بررسی گردند و این پارامتر در محاسبات نیروگاه لحاظ شود تا تصویر واقعیتری از بازده سرمایهگذاری به دست آید.
با پیشرفت فناوری و حرکت بازار به سمت سلولهای N-type و ساختارهای نوینی مانند TOPCon و HJT، انتظار میرود تلفات LID در سالهای آینده به حداقل ممکن برسد. اما تا آن روز، آگاهی از این پدیده و مدیریت آگاهانه آن در مراحل طراحی، خرید و بهرهبرداری، تفاوت مهمی در سودآوری بلندمدت یک نیروگاه خورشیدی ایجاد میکند.
