گسترش روزافزون سیستم‌های روشنایی خورشیدی مستقل (Standalone Solar Lighting Systems)، از چراغ‌های تزئینی مسیرهای باغی گرفته تا چراغ‌های خیابانی شهری با توان بالا، نتیجه مستقیم کاهش هزینه‌های تولید سلول‌های فتوولتائیک (PV) و افزایش بهره‌وری دیودهای ساطع‌کننده نور (LED) است. در قلب این سیستم‌ها، واحد جذب انرژی خورشیدی قرار دارد که عمدتاً از سیلیکون کریستالی تشکیل شده است. صنعت کنونی فتوولتائیک در این حوزه به دو فناوری اصلی تقسیم می‌شود: مونوکریستال (Mono-Si) و پلی‌کریستال (Poly-Si). اگرچه هر دو فناوری از عنصر سیلیکون برای تبدیل فوتون‌ها به جریان الکتریکی استفاده می‌کنند، اما تفاوت‌های بنیادین در ساختار بلوری، فرآیندهای تولید، پاسخ طیفی، رفتار حرارتی و سینتیک تخریب آن‌ها وجود دارد که تأثیر مستقیمی بر عملکرد، طول عمر و توجیه اقتصادی چراغ‌های خورشیدی می‌گذارد.

این گزارش تحلیلی عمیق و تخصصی از این دو فناوری را با تمرکز ویژه بر کاربردهای روشنایی ارائه می‌دهد. برخلاف نیروگاه‌های خورشیدی متصل به شبکه، چراغ‌های خورشیدی با محدودیت‌های منحصر به فردی از جمله مساحت سطح محدود برای پنل، کوپلینگ مستقیم جریان مستقیم (DC) به باتری و قرارگیری در معرض چرخه‌های حرارتی کنترل‌نشدنی روبرو هستند. تحلیل‌های ما نشان می‌دهد که در حالی که پنل‌های مونوکریستال با بازدهی بالاتر (۱۵ تا ۲۲ درصد و بیشتر)  و عملکرد بهتر در دماهای بالا به دلیل ضریب دمایی پایین‌تر ، گزینه‌ای برتر برای کاربردهای با کارایی بالا هستند، پنل‌های پلی‌کریستال همچنان به دلیل ترمودینامیک تولید ساده‌تر و هزینه کمتر، رقیبی جدی در بازارهای حساس به قیمت محسوب می‌شوند.   

علاوه بر این، این پژوهش یک متغیر حیاتی و اغلب نادیده گرفته شده را در طول عمر چراغ‌های خورشیدی کوچک‌مقیاس شناسایی می‌کند: پوشش محافظ یا کپسوله‌سازی (Encapsulation). شواهد نشان می‌دهد که در چراغ‌های خورشیدی مصرفی، عامل خرابی اغلب نه خود سلول سیلیکونی (چه مونو و چه پلی)، بلکه تخریب پوشش‌های اپوکسی یا PET است که در برابر اشعه فرابنفش زرد شده و مانع عبور نور می‌شوند. بنابراین، انتخاب بین مونوکریستال و پلی‌کریستال باید در چارچوب وسیع‌تر «تعادل سیستم» (Balance of System) شامل شیمی باتری و استانداردهای حفاظت در برابر نفوذ (IP Rating) تفسیر شود.   

۱. مبانی کریستالوگرافی و فیزیک نیمه‌هادی در سلول‌های خورشیدی

برای درک تفاوت‌های عملکردی پنل‌های مونوکریستال و پلی‌کریستال در چراغ‌های خورشیدی، ابتدا باید به بررسی علوم مواد زیربنایی پرداخت. هر دو فناوری بر پایه خواص نیمه‌هادی عنصر سیلیکون، عنصر چهاردهم جدول تناوبی، استوار هستند. با این حال، آرایش شبکه اتمی سیلیکون است که جریان الکترون‌ها و در نتیجه بازده دستگاه را دیکته می‌کند.

۱.۱ اثر فتوولتائیک در شبکه سیلیکونی

عملکرد بنیادین یک سلول خورشیدی در چراغ باغی یا خیابانی بر اساس پیوند P-N استوار است. سیلیکون خالص رسانای ضعیفی برای الکتریسیته است. برای ایجاد یک سلول خورشیدی، سیلیکون «دوپ» (Doped) می‌شود؛ یک طرف با فسفر برای ایجاد مازاد الکترون (تایپ N) و طرف دیگر با بور برای ایجاد حفره‌های الکترونی (تایپ P). محل تلاقی این دو لایه، میدان الکتریکی داخلی را ایجاد می‌کند. زمانی که فوتون‌های نور خورشید به سلول برخورد می‌کنند، انرژی خود را به الکترون‌های سیلیکون منتقل می‌کنند. اگر این انرژی کافی باشد (فراتر از شکاف باند سیلیکون، تقریباً ۱.۱ الکترون‌ولت)، الکترون‌ها از اتم‌های خود جدا می‌شوند. میدان الکتریکی داخلی در پیوند P-N این الکترون‌ها را در جهت مشخصی هل داده و جریان ایجاد می‌کند که در طول روز باتری چراغ خورشیدی را شارژ می‌کند.   

۱.۲ سیلیکون مونوکریستال (Mono-Si): ساختار تک‌بلوری پیوسته

سیلیکون مونوکریستال با یک شبکه بلوری پیوسته و ناگسسته مشخص می‌شود. این ماده یک تک‌کریستال است، به این معنی که ساختار اتمی در سراسر ویفر یکنواخت است.

• پیوستگی شبکه: در یک تک‌کریستال، اتم‌های سیلیکون به طور کامل در یک جهت خاص (معمولاً ) هم‌راستا هستند. این یکنواختی برای انتقال الکترون حیاتی است.

• تحرک الکترونی (Electron Mobility): از آنجا که هیچ مرز دانه‌ای (Grain Boundary) برای ممانعت از جریان حامل‌های بار وجود ندارد، الکترون‌ها می‌توانند آزادانه از طریق ماده حرکت کنند. این اثر که گاهی به عنوان «بزرگراه الکترونی» توصیف می‌شود ، منجر به مقاومت سری کمتر و بازده کوانتومی داخلی بالاتر می‌شود.   

• شناسایی بصری: سلول‌های مونوکریستال دارای رنگی یکنواخت، معمولاً مشکی عمیق یا آبی تیره هستند. از آنجا که تک‌کریستال‌ها به صورت شمش‌های استوانه‌ای رشد داده می‌شوند، ویفرهای برش خورده از آن‌ها دارای گوشه‌های گرد هستند. هنگامی که در یک پنل مونتاژ می‌شوند، این امر الگوی مشخصی از الماس‌های کوچک (فضاهای خالی) بین سلول‌ها ایجاد می‌کند.   

۱.۳ سیلیکون پلی‌کریستال (Poly-Si): تجمیع چندبلوری

سیلیکون پلی‌کریستال (که مولتی‌کریستال نیز نامیده می‌شود) از بسیاری از کریستال‌های سیلیکونی کوچکتر تشکیل شده است که در جهات تصادفی جهت‌گیری شده‌اند.

• مرزهای دانه (Grain Boundaries): ویژگی بارز Poly-Si وجود مرزهای دانه است؛ یعنی سطوحی که کریستال‌های مختلف به هم می‌رسند. این مرزها به عنوان نقص در ماده عمل می‌کنند.

• مراکز بازترکیب (Recombination Centers): مرزهای دانه موانعی برای جریان الکترون ایجاد می‌کنند. آن‌ها به عنوان «تله» یا مراکز بازترکیب عمل می‌کنند که در آن الکترون‌های برانگیخته شده می‌توانند قبل از اینکه به عنوان جریان برداشت شوند، دوباره به حفره‌ها بازگردند. این بازترکیب انرژی را به جای الکتریسیته به گرما تبدیل می‌کند و بازده کلی سلول را کاهش می‌دهد.   

• شناسایی بصری: سلول‌های Poly-Si ظاهری متمایز و ناهمگون دارند. آن‌ها شبیه شیشه خرد شده یا یخ‌زدگی روی پنجره به نظر می‌رسند، با سایه‌های مختلف آبی که نور را در زوایای مختلف به دلیل جهت‌گیری تصادفی کریستال‌ها بازتاب می‌دهند. آن‌ها معمولاً به صورت مربع کامل برش داده می‌شوند که منجر به عدم وجود فضای خالی بین سلول‌ها در یک ماژول می‌شود.   

۲. ترمودینامیک تولید و پیامدهای اقتصادی در زنجیره تأمین

تفاوت در هزینه و عملکرد بین پنل‌های مونو و پلی مستقیماً از ترمودینامیک فرآیندهای تولید آن‌ها ناشی می‌شود. برای تولیدکنندگان چراغ‌های خورشیدی، انتخاب بین این فناوری‌ها یک مبادله (Trade-off) بین هزینه لیست مواد اولیه (BOM) و مشخصات عملکردی محصول نهایی است.

۲.۱ فرآیند چکرالسکی (تولید مونوکریستال)

تولید سیلیکون مونوکریستال با استفاده از روش چکرالسکی (Cz) انجام می‌شود؛ فرآیندی که نیاز به انرژی بالا و کنترل دقیق دارد.

1. ذوب: سنگ‌های پلی‌سیلیکون با خلوص بالا در یک بوته کوارتز در دماهای فراتر از ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شوند.   

2. کریستال دانه: یک کریستال دانه کوچک و کاملاً جهت‌دار به داخل سیلیکون مذاب وارد می‌شود.

3. کشیدن: دانه به آرامی ضمن چرخش به سمت بالا کشیده می‌شود. همزمان با خنک شدن سیلیکون، ماده حول دانه متبلور می‌شود و ساختار تک‌کریستالی آن را تطبیق می‌دهد. این عمل یک شمش استوانه‌ای بزرگ (Boule) را تشکیل می‌دهد.   

4. ضایعات: شمش استوانه‌ای باید برای قرار گرفتن در ماژول‌های خورشیدی مربعی شود. این فرآیند لبه‌های گرد را برش می‌دهد که منجر به ضایعات قابل توجهی از سیلیکون می‌شود (هرچند این ضایعات اغلب برای تولید Poly-Si بازیافت می‌شوند).   

پیامد اقتصادی: فرآیند Cz انرژی‌بر و کند است. نیاز به خلوص فوق‌العاده و ضایعات مرتبط با مربعی کردن شمش، سلول‌های Mono-Si را ذاتاً گران‌تر می‌کند؛ معمولاً هزینه بین ۱.۰۰ تا ۱.۵۰ دلار بر وات در مقایسه با بازه پایین‌تر Poly-Si.   

۲.۲ روش ریخته‌گری (تولید پلی‌کریستال)

تولید سیلیکون پلی‌کریستال ساده‌تر و سریع‌تر است و برای تولید انبوه و کاهش هزینه طراحی شده است.

1. ذوب و ریخته‌گری: سیلیکون خام ذوب شده و مستقیماً به داخل یک قالب مربعی ریخته می‌شود.

2. خنک‌سازی: به سیلیکون اجازه داده می‌شود خنک شود. با جامد شدن آن، کریستال‌ها با سرعت‌ها و جهت‌های مختلف شکل می‌گیرند و ساختار چندبلوری را ایجاد می‌کنند.

3. برش: از آنجا که بلوک حاصله از قبل مربعی است، هنگام برش آن به ویفرها حداقل ضایعات وجود دارد. نیازی به «مربعی کردن» نیست.   

پیامد اقتصادی: فرآیند ریخته‌گری انرژی کمتری مصرف می‌کند و ضایعات کمتری تولید می‌کند. این کارایی به پنل‌های Poly-Si اجازه می‌دهد که با تخفیف فروخته شوند، معمولاً ۰.۷۵ تا ۱.۰۰ دلار بر وات. برای چراغ‌های باغی خورشیدی با حاشیه سود کم، این تفاوت قیمت می‌تواند عامل تعیین‌کننده برای تولیدکنندگان باشد.   

۲.۳ چالش‌های یکپارچه‌سازی در چراغ‌های خورشیدی کوچک

در زمینه چراغ‌های خورشیدی، تمایز تولید بر فرم فاکتور (Form Factor) تأثیر می‌گذارد.

• برش لیزری نوارها (Laser Cutting): برای چراغ‌های باغی کوچک، سلول‌های خورشیدی استاندارد ۶ اینچی اغلب با لیزر به نوارهای کوچک برش داده می‌شوند. سلول‌های Poly-Si، به دلیل کاملاً مربعی بودن، راحت‌تر و بدون ضایعات به نوارهای مستطیلی برش می‌خورند. سلول‌های Mono-Si، با گوشه‌های گم‌شده‌شان، نیاز به برنامه‌ریزی دقیق‌تر چیدمان برای جلوگیری از لبه‌های پخ‌دار دارند، یا اینکه لبه‌های پخ‌دار به عنوان یک ویژگی ظاهری پذیرفته می‌شوند. این موضوع باعث می‌شود در چراغ‌های بسیار ارزان که از نوارهای باریک استفاده می‌کنند، پلی‌کریستال گزینه‌ای راحت‌تر برای تولید انبوه باشد.   

۳. تحلیل عملکرد: بازدهی و چگالی توان در محدودیت فضا

معیار اصلی که باعث پذیرش فناوری مونوکریستال می‌شود، بازدهی (Efficiency) است؛ یعنی درصدی از انرژی نور خورشید که به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این پارامتر در چراغ‌های خورشیدی اهمیتی دوچندان نسبت به نیروگاه‌های پشت‌بامی دارد.

۳.۱ رتبه‌بندی‌های بازدهی

• مونوکریستال: بازدهی معمول بین ۱۵ تا ۲۲ درصد و بیشتر است. ماژول‌های تجاری ممتاز (مانند SunPower) می‌توانند از ۲۲ درصد فراتر روند.   

• پلی‌کریستال: بازدهی معمول بین ۱۳ تا ۱۷ درصد است.   

۳.۲ محدودیت سطح در طراحی چراغ‌های خورشیدی

در سیستم‌های خورشیدی پشت‌بامی، بازدهی کمتر را می‌توان با نصب پنل‌های بیشتر جبران کرد (اگر فضای سقف اجازه دهد). اما در روشنایی خورشیدی، مساحت سطح یک محدودیت سخت و غیرقابل انعطاف است.

• چراغ‌های باغی: یک چراغ پایه‌دار خورشیدی ممکن است دارای سطح بالایی به ابعاد تنها ۳ در ۳ اینچ باشد.

• چراغ‌های خیابانی: یک چراغ خیابانی خورشیدی «همه در یک» (All-in-One) پنل را در پشت بدنه چراغ نصب کرده است. اندازه پنل توسط رتبه‌بندی بار باد (Wind Load) و اندازه فیزیکی بازوی تیر محدود می‌شود.

تحلیل چگالی توان: برای تولید مقدار مشخصی توان (مثلاً ۲ وات برای شارژ باتری جهت روشن نگه داشتن یک LED پرنور)، یک پنل پلی‌کریستال باید از نظر فیزیکی بزرگتر از یک پنل مونوکریستال باشد.

• سناریوی طراحی: یک تولیدکننده، چراغ باغی براق و فشرده‌ای طراحی می‌کند. آن‌ها برای شارژ کامل باتری در یک روز زمستانی به ۱۰۰ میلی‌آمپر جریان نیاز دارند.

  • با استفاده از Mono-Si (بازده ۲۰٪)، ممکن است با یک پنل ۵۰ سانتی‌متر مربعی به این هدف برسند.

  • با استفاده از Poly-Si (بازده ۱۵٪)، برای دستیابی به همان جریان به تقریباً ۶۶ سانتی‌متر مربع نیاز دارند.

  • اگر طراحی بدنه تنها اجازه ۵۰ سانتی‌متر مربع را بدهد، استفاده از Poly-Si منجر به سیستمی کم‌توان می‌شود که نمی‌تواند باتری را شارژ کند و منجر به خرابی زودرس چراغ می‌شود.   

بینش تخصصی: در الکترونیک خورشیدی کوچک‌مقیاس، مونوکریستال تنها یک گزینه «لوکس» نیست؛ بلکه اغلب یک فناوری توانمندساز (Enabling Technology) است که امکان طراحی‌های کوچکتر و براق‌تر را فراهم می‌کند که با استفاده از سیلیکون پلی‌کریستال به دلیل محدودیت‌های سطح، از نظر عملکردی غیرممکن خواهد بود.   

۴. عملکرد حرارتی و پایداری محیطی

چراغ‌های خورشیدی در محیط‌های خشن عمل می‌کنند. آن‌ها اغلب روی آسفالت سیاه (چراغ‌های خیابانی) یا در خاک باغچه بدون سایه نصب می‌شوند و در معرض گرمای شدید قرار می‌گیرند. رفتار سیلیکون تحت این تنش‌های حرارتی یک عامل تمایز حیاتی است.

۴.۱ ضریب دمایی (Temperature Coefficient)

پنل‌های خورشیدی با گرم شدن، بازدهی خود را از دست می‌دهند. این افت عملکرد با «ضریب دمایی» (Pmax) اندازه‌گیری می‌شود.

• مونوکریستال: معمولاً حدود -۰.۳٪ تا -۰.۵٪ در هر درجه سانتی‌گراد.   

• پلی‌کریستال: معمولاً حدود -۰.۳٪ تا -۱.۰٪ در هر درجه سانتی‌گراد (اغلب بالاتر از مونو).   

تأثیر در دنیای واقعی: در یک روز گرم تابستانی در مناطقی مانند خوزستان یا دشت‌های مرکزی ایران، دمای سطح یک پنل خورشیدی می‌تواند به راحتی به ۶۵ درجه سانتی‌گراد برسد که ۴۰ درجه بالاتر از شرایط تست استاندارد (STC با ۲۵ درجه) است.

• محاسبه برای مونو: ۴۰ درجه افزایش × -۰.۴٪ افت = ۱۶٪ افت توان کل.

• محاسبه برای پلی: ۴۰ درجه افزایش × -۰.۸٪ افت = ۳۲٪ افت توان کل.

تحلیل: در اقلیم‌های گرم، پنل‌های پلی‌کریستال دقیقاً در ساعات اوج تابش خورشید، جریمه عملکردی سنگین‌تری را متحمل می‌شوند. یک چراغ خیابانی خورشیدی مبتنی بر پلی ممکن است بیش از حد گرم شود و دقیقاً زمانی که خورشید قوی‌ترین است، تولید کمتری داشته باشد و نتواند بانک‌های باتری خود را علیرغم نور کافی خورشید کاملاً شارژ کند. Mono-Si خروجی خود را در گرما بهتر حفظ می‌کند و آن را به گزینه‌ای برتر برای کاربردهای «کمربند خورشیدی» تبدیل می‌کند.   

۵. پاسخ طیفی و عملکرد در نور کم

یک تصور غلط رایج این است که چراغ‌های خورشیدی فقط در نور مستقیم خورشید کار می‌کنند. در واقعیت، آن‌ها باید انرژی را در روزهای ابری، طلوع و غروب خورشید برداشت کنند تا خودمختاری (Autonomy) باتری را حفظ کنند.

۵.۱ عملکرد در تابش پراکنده (Diffuse Light)

نور پراکنده شده توسط ابرها (تابش دیفیوز) دارای ترکیب طیفی متفاوتی نسبت به نور مستقیم خورشید است (تمایل بیشتر به طیف آبی).

• مونوکریستال: به طور کلی عملکرد برتری در شرایط نور کم نشان می‌دهد. خلوص بالای کریستال امکان جمع‌آوری بهتر الکترون‌های تولید شده توسط فوتون‌های کم‌انرژی و نور پراکنده را فراهم می‌کند. پنل‌های مونو در صبح زودتر «بیدار می‌شوند» و دیرتر در عصر شارژ را متوقف می‌کنند.   

• پلی‌کریستال: مراکز بازترکیب در مرزهای دانه به ویژه در سطوح نور پایین مضر هستند. هنگامی که شار فوتون کم است، درصد بالاتری از الکترون‌های تولید شده قبل از اینکه بتوانند به جریان کمک کنند، توسط نقص‌ها به دام می‌افتند.

بینش تخصصی: برای یک چراغ باغی خورشیدی، توانایی شارژ در هوای ابری تفاوت بین کار کردن چراغ در هر شب یا خاموش شدن در طول یک هفته بارانی است. پنل‌های Mono-Si «ضریب امنیت» بالاتری را برای سیستم‌های روشنایی در مناطقی با پوشش ابری مکرر (مانند شهرهای شمالی ایران یا اروپا) فراهم می‌کنند. داده‌های جدیدتر نشان می‌دهد که اگرچه در روزهای کاملاً ابری تولید هر دو نوع به ۱۰-۲۵٪ ظرفیت نامی می‌رسد، اما مونو همچنان درصد بالاتری از ظرفیت خود را نسبت به پلی ارائه می‌دهد.   

۶. متغیر پنهان: کپسوله‌سازی و دوام (Epoxy vs Glass)

در حالی که نوع سیلیکون (مونو در برابر پلی) مشخصه اصلی در تبلیغات است، روش کپسوله‌سازی (Encapsulation) اغلب تعیین‌کننده واقعی طول عمر یک چراغ خورشیدی است. این تمایز حیاتی برای الکترونیک‌های خورشیدی کوچک‌مقیاس است که اغلب در ادبیات کلی خورشیدی نادیده گرفته می‌شود.

۶.۱ لمینت شیشه‌ای (Rigid) در برابر پوشش‌های منعطف/اپوکسی

چراغ‌های خورشیدی در دو دسته ساختاری قرار می‌گیرند:

1. لمینت شیشه‌ای (سخت): در چراغ‌های باغی رده بالا و چراغ‌های خیابانی استفاده می‌شود. سلول‌ها (مونو یا پلی) بین EVA و شیشه سکوریت شده ساندویچ می‌شوند.

   • طول عمر: ۲۰ تا ۲۵ سال و بیشتر.

   • پایداری UV: عالی. شیشه اشعه فرابنفش را بدون تخریب فیلتر می‌کند.

2. اپوکسی/PET (منعطف/نیمه منعطف): در چراغ‌های باغی ارزان (رده ۵ تا ۲۰ دلار) استفاده می‌شود. سلول‌ها در یک رزین (اپوکسی) یا لایه پلاستیکی (PET) پوشانده می‌شوند.

   • طول عمر: ۱ تا ۳ سال.   

   • حالت خرابی: زرد شدن (Yellowing). رزین‌های اپوکسی نسبت به تخریب UV حساس هستند. با گذشت زمان (۶ تا ۱۸ ماه)، اپوکسی شفاف، زرد یا سفید کدر می‌شود. این زردی به عنوان یک فیلتر عمل کرده و مانع رسیدن نور خورشید به سلول‌های سیلیکونی زیرین می‌شود.   

۶.۲ تله «پلی + اپوکسی»

تولیدکنندگان چراغ‌های ارزان‌قیمت اغلب ارزان‌ترین نوع سلول (پلی‌کریستال) را با ارزان‌ترین کپسوله‌سازی (اپوکسی) ترکیب می‌کنند.

• مشکل: مصرف‌کنندگان خرابی چراغ را به «فناوری خورشیدی بد» یا باتری نسبت می‌دهند. در واقعیت، اپوکسی تخریب شده است.

• مقایسه: یک سلول پلی‌کریستال زیر شیشه به طور قابل توجهی بیشتر از یک سلول مونوکریستال زیر اپوکسی دوام خواهد آورد.

• ETFE: یک پوشش پلاستیکی جدیدتر و بهتر به نام ETFE در چراغ‌های میان‌رده استفاده می‌شود. گران‌تر از PET/اپوکسی است اما ۵ تا ۷ سال در برابر زرد شدن مقاومت می‌کند.   

نکته کلیدی: هنگام ارزیابی چراغ‌های خورشیدی، مصرف‌کننده باید لمینت شیشه‌ای یا پوشش ETFE را بر انتخاب خاص سیلیکون مونو یا پلی اولویت دهد. یک پنل مونو پوشیده شده در اپوکسی ارزان، خیلی زودتر از یک پنل پلی محا