בשנה האחרונה, יצאו מספר יצרני מודולים בהכרזות על סדרות פאנלים חדשות העשויות מחומר שהוא הכלאה בין הסיליקון החד-גבישי והרב גבישי

קוואזי-מונו: הטרנד החם של יצרני הפאנלים הפוטוולטאיים

תא הקוואזי מונו (משמאל) שונה בצבעו מתא הפולי ונראה כמו תא מסוג מונו מרובע,

עדיין ניתן להבחין באזורים קטנים בהירים יותר אשר בהם הסיליקון אינו מונו גבישי.

מאת: ד"ר משה גורפינקל

סיליקון, היסוד הנפוץ הטבע, הוא חומר הגלם של הרוב המוחלט של תאי השמש המשמשים בתעשייה הפוטו-וולטאית. המודולים המבוססים על תאי שמש מסיליקון מתחלקים לשני סוגים עיקריים, חד-גבישיים (מונו) ורב-גבישיים (פולי) כאשר ההבדל בין הסוגים הוא במבנה הגבישי של הסיליקון. בשנה האחרונה, יצאו מספר יצרני מודולים בהכרזות על סדרות פאנלים חדשות העשויות מחומר שהוא הכלאה בין הסיליקון החד-גבישי והרב גבישי. בשפה המקצועית אנחנו קוראים לחומר החדש קוואזי-מונו והסיבה לכך היא שהפירוש של המילה הלועזית "קוואזי" בעברית הוא "כמו" או "דומה ל". רנהסולה, ענקית הסולאר הסינית, היתה הראשונה להציג מוצרי קוואזי-מונו כבר בשנת 2010 תחת המותג "Virtus" והיום היא המובילה בתחום זה בעולם. במאמר זה אנסה לעשות סדר במושגים השונים ולהסביר את ההבדלים בין סוגי החומרים, היתרונות והחסרונות של כל אחד ומדוע הפאנלים המיוצרים מסיליקון קוואזי מונו עולים על כל השאר.

מונו – נצילות גבוהה ורגישות לטמפרטורה

בסיליקון מונו-גבישי, כל אטומי הסיליקון מסודרים במרחקים שווים אחד מהשני, כאשר הסדר הזה נשמר לכל נפח הגביש (תמונה 1א). תהליך הייצור של סיליקון מונו-גבישי נקרא על שם ממציא השיטה – "שיטת צ'וכבלסקי". התהליך כולל התכה של הסיליקון בתוך אמבט עשוי קווארץ למצב נוזלי, טבילה של חתיכה קטנה של סיליקון גבישי (Seed) בתוך הנוזל ומשיכה שלו מעלה תוך כדי סיבוב במהירות קבועה. התוצאה המתקבלת היא גליל סיליקון מוצק (Ingot) שכולו גביש יחיד. מהגליל חותכים פרוסות דקות ועגולות (wafers) בעובי של פחות ממילימטר אשר מהם מיוצרים תאי השמש.

היתרון הגדול של הסיליקון המונו-גבישי הוא הנצילות הגבוהה מאד של תאי השמש המיוצרים מחומר זה. הסיבה לנצילות הגבוהה היא הסדר של האטומים שנשמר לכל נפח החומר. מקומות בהם יש אי-סדר או דפקטים בגביש מהווים "מלכודות" לאלקטרונים הנוצרים כתוצאה מבליעה של פוטונים מאור השמש. אלקטרונים ה"נאבדים" בתוך מלכודות אלה, לא תורמים לזרם החשמלי ופוגעים בנצילות התא. בתא שמש מסיליקון מונו-גבישי, ההפסדים הללו זניחים. אבל לסיליקון המונו-גבישי יש גם חסרונות. החסרון הראשון הוא הצורה העגולה של פרוסות המונו, אשר מצריכות חיתוך בצורה מרובעת כדי להתאימם לצורה המלבנית של הפאנל.

הדבר גורם לבזבוז גדול של חומר ולירידה בנצילות הסופית של הפאנל כתוצאה מהאזורים הריקים שנוצרים בפאנל בגלל הפינות המעוגלות של התאים. החיסרון השני, ואולי החשוב מכולם, של תאי המונו הוא הרגישות הגבוהה לטמפרטורה, במיוחד במדינת ישראל החמה. מקדם הטמפרטורה של תא מסוג מונו הוא בד"כ גבוה ביותר מ- 0.1% מזה של תא הפולי. גודל זה מתאר את הירידה בתפוקת התא לכל עליה של מעלת צלזיוס. בהתחשב בעובדה שהספק התא נקבע בתנאי מעבדה של 25 מעלות והטמפרטורה של התא בישראל בקיץ מגיע לקרוב ל-60 מעלות, נקבל שפאנל מסוג מונו יפיק בקיץ הישראלי כ-3.5% פחות הספק מפאנל מסוג פולי.

פולי – עלות נמוכה ונצילות קטנה יותר

בסיליקון רב-גבישי, הסדר של האטומים נשמר רק לטווח קצר (תמונה 1ב). תהליך הייצור של סיליקון רב-גבישי כולל גם התכה של סיליקון בתוך אמבט מרובע וגדול למצב נוזלי. לאחר ההתכה, האמבט מקורר בחזרה לטמפרטורת החדר ומתקבל גוש סיליקון רב גבישי, אשר בו אזורים רבים שבתוכם לאטומים יש סדר קבוע לטווח קצר אבל בעלי אוריינטציה שונה. הסיבה לריבוי האוריינטציות, היא המעבר של הסיליקון ממצב נוזלי למצב מוצק ללא בקרה וללא נוכחות של סיליקון חד גבישי כנקודת מוצא. לאחר מכן, מנסרים את גוש הסיליקון למלבנים ארוכים (ingots) מהם חותכים פרוסות דקות (wafers) שמהם מייצרים את תאי השמש.

היתרון הגדול של תא הפולי סיליקון הוא עלות הייצור הנמוכה יחסית לשיטת צ'וכבלסקי היקרה. בנוסף, ניתן לקבל תאים מרובעים ומינימום הפסד שטח במעבר מתא לפאנל. ויתרון נוסף הוא כמובן מקדם הטמפרטורה הנמוך יחסית לסיליקון המונו-גבישי. החיסרון של תא הפולי-סיליקון הוא הנצילות הנמוכה יותר כתוצאה מכמות הדפקטים והמעברים הרבים בין אוריינטציות של הגביש בתוך החומר. כמו כן, בתא הפולי-סיליקון, בגלל חוסר הסדר של האטומים בו, לא ניתן לבצע טיפולי שטח מסורתיים כדי למנוע החזרה של האור הפוגע, דבר המקטין עוד יותר את הנצילות.

קואזי-מונו – חומר גלם חדש המשלב את יתרונות החומרים השונים

האמבטיה בה מותך הסיליקון מרוצף תחילה בשכבה של פרוסות סיליקון חד-גבישי אשר נחתכו מגליל שיוצר בשיטת צ'וכבלסקי. שכבה זו תשמש כבסיס להתגבשות של הסיליקון המותך ותשמור על אוריינטציה אחידה של הגביש שנוצר. שכבה זו בעצם מהווה תחליף ל-seed של שיטת צ'וכבלסקי. לאחר מכן, חומר הגלם של הסיליקון מוכנס לאמבטיה ומחומם עד להתכה, אבל מערכת בקרה מיוחדת שולטת בחימום ודואגת שתמיד האזור של הסיליקון החד-גבישי נשמר במצב מוצק והסיליקון שכבר הותך הופך למוצק בצורה מבוקרת וכיוונית מתחתית האמבטיה ועד לקצה העליון שלה. התוצאה המתקבלת היא חומר קוואזי-מונו אשר מעל 90% מנפחו הוא גביש יחיד (מונו).

גודל החשיבות של הפיתוח של רנהסולה מתגלה כאשר בודקים את התכונות של המודולים המיוצרים מסיליקון הקוואזי-מונו. התוצאה שמתקבלת היא שילוב היתרונות של סיליקון המונו והפולי יחדיו והתגברות על חסרונותיו של כל אחד ליצירת חומר חדש ואיכותי מכולם. עלות היצור היא נמוכה משמעותית משיטת צ'וכבלסקי, הנצילות המתקבלת גבוהה כשל תאי המונו, הפרוסות המתקבלות הם מרובעות ונמנע בזבוז של חומר ואיבוד נצילות כתוצאה מחלקים ריקים בפאנל, מקדם הטמפרטורה נמוך ביותר, אפילו יותר משל תאי הפולי, ירידת התפוקה לאורך זמן נמוכה מאד, ואף ניתן להשתמש בטיפולי פני שטח מסורתיים להקטנת ההחזרה של האור הפוגע בתא.

מאז ההכרזה הראשונה על תאי הקוואזי-מונו לפני שלוש שנים תחת המותג "Virtus", הוסיפה רנהסולה לכל מתקני הייצור שלה את היכולת לייצר פרוסות קוואזי-מונו והיום יש ברשותה קבולת ייצור של יותר מ-2 גיגהוואט של פרוסות והיא נחשבת כיום למובילה הטכנולוגית בתחום זה בעולם. רנסולה צופה כי הפאנלים מסוג Virtus, צפויים להחליף כליל, בשוק הישראלי, את הפאנלים מסוג מונו בעלי הנצילות הגבוהה המשמשים כיום להתקנת מערכות בשטחים מצומצמים. בעיקר בגלל שה-Virtus מספקים כ-3.5 עד 5 אחוז יותר הספק בקיץ הישראלי כתוצאה ממקדם הטמפרטורה הנמוך שלהם והעלות שלהם נמוכה מהפאנלים מסוג מונו.

הכותב הינו מומחה עולמי בתחום הפוטו-וולטאי ומנהל הסניף הישראלי של רנהסולה

התפרסם לראשונה במגזין תשתיות סביבה ואנרגיה גיליון 13 יולי – אוגוסט 2012