เซลล์แสงอาทิตย์…ผู้ผลิตไฟฟ้า

Solar Farm
(ที่มา: http://www.skyscrapercity.com)

เซลล์แสงอาทิตย์ซิลิกอนแบบติดตั้งบนหลังคา (Roof Top)
(ที่มา: solarpanelspower.com)

เซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอน (Silicon-based solar cell)

เซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนคือเซลล์แสงอาทิตย์ ที่ผลิตขึ้นโดยการสร้างรอยต่อพีเอ็น ซิลิคอนบริสุทธิ์ที่เจือ (dope) ด้วยธาตุฟอสฟอรัส (P) และโบรอน (B) เกิดเป็นสารกึ่งตัวนำ ชนิดเอ็น (n-type) และชนิดพี (p-type) ตามลำดับ แผ่นซิลิคอน ความหนาประมาณ 0.2-0.3 มิลลิเมตร สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ได้โดยอาศัยปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก ระยะแรกเซลล์แสงอาทิตย์ผลิตโดยใช้แผ่นซิลิคอนที่

ประกอบด้วยผลึกรูปทรงเดียว (mono crystalline) ซึ่งมีต้นทุนการผลิตสูงแต่ประสิทธิภาพตํ่า ต่อมาได้รับการพัฒนามาเป็นผลึกหลายรูปทรง (poly crystalline) ทำให้ต้นทุนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ตํ่าลง ปัจจุบันเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนให้ประสิทธิภาพสูงที่สุด และมีการผลิตใช้ในเชิงพาณิชย์มากที่สุดในบรรดาเซลล์แสงอาทิตย์ทั้งหมด เซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอน จัดเป็นเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นแรก (first generation)

เซลล์แสงอาทิตย์ฟิล์มบาง (Thin-film solar cell)

เซลล์แสงอาทิตย์ฟิล์มบางคือเซลล์แสงอาทิตย์ที่ประกอบขึ้นโดยการปลูกฟิล์มบางของซิลิคอน
อสัณฐาน (amorphous silicon) ความหนาระดับไมโครเมตรที่เจือ (dope) ด้วยธาตุฟอสฟอรัส (P) และโบรอน (B) เกิดเป็นสารกึ่งตัวนำ ชนิดเอ็น (n-type semiconductor) และชนิดพี (p-type semiconductor) ตามลำดับ ลงบนแผ่นรองรับทำจากโลหะ กระจก หรือพอลิเมอร์นํ้าหนักเบา และบิดงอได้ ทำให้ต้นทุนการผลิตตํ่าลง และใช้งานได้หลากหลายกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอน เช่น ผลิตเป็นเซลล์แสงอาทิตย์บนแผ่นโค้งงอหรือประกอบเข้ากับโครงสร้างของอาคารบ้านเรือน เป็นต้น นอกจากนี้ยังสามารถใช้สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (n-type semiconductor) เช่น สังกะสีออกไซด์ (ZnO) มาปลูกซ้อนทับลงไปบนชั้นของสารกึ่งตัวนำชนิดพี (p-type semiconductor) เช่น โลหะผสมของแคดเมียมเทเลอไรด์ (CdTe) หรือทองแดง-อินเดียม-แกลเลียม-เซเลไนด์ (CIGS) เป็นต้น โดยมีชั้นของแคดเมียมซัลไฟด์ (CdS) คั่นอยู่ระหว่างกลางชั้นของโลหะผสมทำหน้าที่เป็นตัวดูดกลืนพลังงานจากแสงอาทิตย์ (absorber) และเหนี่ยวนำให้เกิดการถ่ายเทของอิเล็กตรอน เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าขึ้นได้ เซลล์แสงอาทิตย์ฟิล์มบางนับเป็นเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นที่สอง (Second Generation)

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบาง (thin film solar cell)
(ที่มา: http://www.mysolargenerator.info)

โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบางของธาตุซิลิกอนอสัญฐานและโลหะผสม CIGS

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกนาโน (Nanocrystalline solar cell)

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกนาโน คือเซลล์แสงอาทิตย์ที่นำนาโนเทคโนโลยี (nanotechnology) มาประยุกต์ใช้ในหลายรูปแบบ เพื่อผลิตเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีต้นทุนการผลิตตํ่าลง สามารถแข่งขันเชิงพาณิชย์กับเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนได้ ตัวอย่างเช่น เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสารอินทรีย์ (organic solar cell) ที่นำวัสดุนาโนพอลิเมอร์สังเคราะห์ 2 ชนิด ที่มีคุณสมบัติเชิงแสงและเชิงไฟฟ้าต่างกัน เช่น พอลิเฮกซิลไทโอฟีน(Polyhexylthiophene (P3HT)) และสารประกอบเชิงซ้อนของฟูลเลอรีน (fullerene derivative (PCBM)) มาให้ความร้อนจนเกิดการรวมตัวกัน (blend) ในระดับนาโน ทำให้มีคุณสมบัติรับส่งอิเล็กตรอนที่ได้รับการกระตุ้นด้วยพลังงานจากแสงอาทิตย์เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าขึ้น หรือเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (dye-sensitized solar cell) ที่อาศัยหลักการทำงานของคลอโรฟิลในใบไม้สีเขียว โดยใช้สีย้อมธรรมชาติหรือสีย้อมที่สังเคราะห์ขึ้นทำหน้าที่เป็นชั้นดูดกลืนแสง (light-absorbing layer) ถ่ายเทอิเล็กตรอนที่ได้รับการกระตุ้นด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ไปสู่ชั้นผลึกนาโน (nanocrystalline layer) ที่มีความพรุนสูง เช่น สารประกอบไทเทเนียมไดออกไซด์ ทำหน้าที่เป็นวัสดุรองรับเพื่อให้โมเลกุลของสีย้อมยึดเกาะ และมีสารอิเล็กโทรไลต์ ทำหน้าที่รับส่งอิเล็กตรอนทำให้เกิดกระแสไฟฟ้า เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกนาโนนับเป็นเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นที่สาม (third generation)

โครงสรางทางเคมีของพอลิเฮกซิลไทโอฟน (Polyhexylthiophene (P3HT)) และอนุพันธของฟูลเลอรีน (fullerene derivative (PCBM)) เมื่อนํามาผสมกัน และใหความรอนจะเกิดการรวมตัวกันในระดับนาโน ทําใหมีคุณสมบัติรับสงอิเล็กตรอนทําใหเกิดกระแสไฟฟาได้

การทดสอบลักษณะเฉพาะทางไฟฟ้า (Photovoltaic characterization)

การทดสอบลักษณะเฉพาะทางไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ สามารถกระทำได้ 2 วิธี คือ

(1) การทดสอบลักษณะเฉพาะสถานะคงตัว หรือลักษณะเฉพาะทางไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ในสภาวะสมดุล (equilibrium) ได้แก่ ประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานโดยรวม (overall conversion efficiency) และประสิทธิภาพเชิงควอนตัม (external quantum efficiency)

(2) การทดสอบลักษณะเฉพาะชั่วครู่ หรือการตอบสนองของเซลล์แสงอาทิตย์ต่อพลังงานกระตุ้นในช่วงเวลาสั้น ได้แก่ ช่วงเวลาที่อิเล็กตรอนคงสภาพก่อนการตกกลับ (recombination life time)

ลักษณะเฉพาะสถานะคงตัว (Steady-state characteristics)

ลักษณะเฉพาะสถานะคงตัวเป็นลักษณะเฉพาะของเซลล์แสงอาทิตย์ ที่สภาวะสมดุลไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา ได้แก่

(1) ลักษณะเฉพาะกระแส-แรงดัน (I-V characteristics) วัดโดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้า (voltage; V) ให้กับเซลล์แสงอาทิตย์ภายใต้แสงมาตรฐานที่ระดับความเข้มต่างกันและวัดค่ากระแสไฟฟ้าต่อหน่วยพื้นที่รับแสง (current density; I) ที่เกิดขึ้นจากปรากฏการณ์โฟโตวอลเทอิก เมื่อนำค่าแรงดันและกระแสมาสร้างเป็นกราฟความสัมพันธ์กระแส-แรงดัน (I-V curve) จะสามารถคำนวณประสิทธิภาพการแปรรูปโดยรวม (overall conversion efficiency) ได้จากพลังงานจากแสงที่จ่ายให้กับเซลล์เปรียบเทียบกับพลังงานไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากความสัมพันธ์ของค่าแรงดันไฟฟ้าที่สภาวะวงจรเปิด (open-circuit voltage; Voc), ค่ากระแสไฟฟ้าต่อหน่วยพื้นที่รับแสงที่สภาวะลัดวงจร (short-circuit current density; Isc) และ ค่า fill factor (FF; อัตราส่วนระหว่างกำลังไฟฟ้าสูงสุด (maximum power; PMAX) กับกำลังไฟฟ้าทางทฤษฎี (theoretical power; PT))

(2) ประสิทธิภาพเชิงควอนตัม (external quantum efficiency) วัดโดยการฉายแสงความเข้มตํ่าที่มีความยาวคลื่นในช่วง 0.4 -0.9 ไมโครเมตรลงบนเซลล์แสงอาทิตย์และวัดกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้น

กราฟความสัมพันธกระแส-แรงดัน (I-V curve) ของเซลลแสงอาทิตย (เสนสีแดง) เสนสีเขียวแสดงคากําลังไฟฟ้าทางทฤษฎี (PT) คํานวณจากผลคูณของกระแสที่สภาวะลัดวงจร (I_sc) กับแรงดันไฟฟาที่สภาวะวงจรเปด (V_oc) เสนสีฟาแสดงคากําลังไฟฟาสูงสุด (P_MAX) ที่เซลลแสงอาทิตยผลิตไดจริง โดยอัตราสวนของ P_MAX ต่อพลังงานจากแสงที่ฉายลงบนเซลลทดสอบ คือ คาประสิทธิภาพการแปรรูปโดยรวม (overall conversion efficiency; η)

กราฟแสดงประสิทธิภาพเชิงควอนตัม (external quantum efficiency) ของเซลลแสงอาทิตยในอุดมคติ (กราฟสี่เหลี่ยมเสนสีนํ้าตาล) และเซลลแสงอาทิตยที่ใชงานจริง (เสนสีดํา) ซึ่งจะมีประสิทธิเชิงควอนตัมเปนศูนย ในชวงรังสีอัลตราไวโอเล็ต (ultraviolet) เนื่องจากการตกกลับบริเวณหนาสัมผัส (front surface recombination) กับชวงรังสีอินฟราเรด (infrared) เนื่องจากแสงมีพลังงานไมมากพอที่จะกระตุนใหอิเล็กตรอนหลุดจากโครงสรางผลึกได้

ลักษณะเฉพาะชั่วครู่ (Transient characteristics)

ลักษณะเฉพาะชั่วครู่คือลักษณะเฉพาะของเซลล์แสงอาทิตย์ ที่วัดภายในเวลาสั้นระดับนาโนวินาที (nanosecond) หลังจากเริ่มฉายแสงลงบนเซลล์ทดสอบ เป็นลักษณะเฉพาะที่แสดงพฤติกรรมของอิเล็กตรอนก่อนเข้าสู่สภาวะสมดุล เช่น เวลาที่อิเล็กตรอนคงสภาพอยู่ในแถบนำไฟฟ้า (conduction band) ก่อนการตกกลับ (recombination life time) วัดได้โดยกระตุ้นเซลล์ทดสอบด้วยแสงในลักษณะพัลส์ (pulse) ที่ความเข้มต่างๆ กัน และวัดค่าแรงดันไฟฟ้าที่สภาวะวงจรเปิด (open-circuit voltage; Voc) เมื่อลดความเข้มของแสงลงค่าแรงดัน Voc ที่วัดได้จะลดลงแบบลอการิทึม (logarithmic decay) สามารถนำมาสร้างเป็นกราฟความสัมพันธ์ระหว่างเวลาที่อิเล็กตรอนคงสภาพอยู่ในแถบนำไฟฟ้าก่อนการตกกลับและแรงดันไฟฟ้าที่สภาวะเปิดวงจร เพื่อแสดงลักษณะเฉพาะชั่วครู่ของเซลล์แสงอาทิตย์ได้

Bibliography

กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (2557). พลังงานแสงอาทิตย์. In สารานุกรมพลังงานทดแทน  (pp. 22, 26, 28, 39-41). กรุงเทพ, ประเทศไทย.