เมื่อแสงส่องไปที่เซลล์โฟโตโวลเทอิก (PV) หรือเรียกอีกอย่างว่าเซลล์แสงอาทิตย์แสงนั้นสิ่งประดิษฐ์จากแผงโซล่าเซลล์อาจสะท้อนดูดซึมหรือผ่านเข้าไปในเซลล์ได้ทันที เซลล์ PV ประกอบด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ “กึ่ง” หมายความว่าสามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าฉนวน แต่ไม่ดีเท่ากับตัวนำไฟฟ้าเช่นโลหะ มีวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลายชนิดที่ใช้ในเซลล์ PV
เมื่อเซมิคอนดักเตอร์สัมผัสกับแสงจะดูดซับพลังงานของแสงและถ่ายโอนไปยังอนุภาคที่มีประจุลบในวัสดุที่เรียกว่าอิเล็กตรอน พลังงานพิเศษนี้ช่วยให้อิเล็กตรอนไหลผ่านวัสดุเป็นกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้านี้ถูกสกัดผ่านหน้าสัมผัสโลหะที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าซึ่งเป็นเส้นคล้ายกริดบนเซลล์แสงอาทิตย์จากนั้นสามารถใช้เพื่อจ่ายไฟให้บ้านและส่วนที่เหลือของกริดไฟฟ้า
ประสิทธิภาพของเซลล์ PV เป็นเพียงปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ออกมาจากเซลล์เมื่อเทียบกับพลังงานจากแสงที่ส่องเข้ามาซึ่งแสดงให้เห็นว่าเซลล์มีประสิทธิภาพเพียงใดในการแปลงพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่ง ปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตได้จากเซลล์ PV ขึ้นอยู่กับลักษณะต่างๆ (เช่นความเข้มและความยาวคลื่น) ของแสงที่มีอยู่และคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพหลายประการของเซลล์
คุณสมบัติที่สำคัญของเซมิคอนดักเตอร์ PV คือ bandgap ซึ่งบ่งบอกถึงความยาวคลื่นของแสงที่วัสดุสามารถดูดซับและเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ หากแบนด์แก็ปของเซมิคอนดักเตอร์ตรงกับความยาวคลื่นของแสงที่ส่องบนเซลล์ PV เซลล์นั้นจะสามารถใช้พลังงานทั้งหมดที่มีอยู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เรียนรู้เพิ่มเติมด้านล่างเกี่ยวกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับเซลล์ PV
ซิลิคอน
ซิลิคอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุดในเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งคิดเป็นประมาณ 95% ของโมดูลที่ขายในปัจจุบัน นอกจากนี้ยังเป็นวัสดุที่มีปริมาณมากเป็นอันดับสองในโลก (รองจากออกซิเจน) และเป็นสารกึ่งตัวนำที่พบมากที่สุดในชิปคอมพิวเตอร์ เซลล์ซิลิคอนแบบผลึกทำจากอะตอมของซิลิคอนเชื่อมต่อกันเพื่อสร้างตาข่ายคริสตัล โครงตาข่ายนี้มีโครงสร้างที่เป็นระเบียบซึ่งทำให้การแปลงแสงเป็นไฟฟ้ามีประสิทธิภาพมากขึ้น
เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิกอนในปัจจุบันมีการผสมผสานระหว่างประสิทธิภาพสูงต้นทุนต่ำและอายุการใช้งานที่ยาวนาน โมดูลคาดว่าจะมีอายุ 25 ปีขึ้นไปและยังคงผลิตพลังงานได้มากกว่า 80% ของพลังงานเดิมหลังจากเวลานี้
ฟิล์มบางฟิล์ม
เซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางทำโดยการวางวัสดุ PV บาง ๆ หนึ่งชั้นขึ้นไปบนวัสดุรองรับเช่นแก้วพลาสติกหรือโลหะ เซมิคอนดักเตอร์ PV ชนิดฟิล์มบางหลัก ๆ มีอยู่ 2 ประเภทในปัจจุบัน ได้แก่ แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) และคอปเปอร์อินเดียมแกลเลียมดิสไลไนด์ (CIGS) วัสดุทั้งสองชนิดสามารถวางลงบนพื้นผิวโมดูลได้โดยตรงทั้งด้านหน้าหรือด้านหลัง
CdTe เป็นวัสดุ PV ที่พบมากเป็นอันดับสองรองจากซิลิกอนและเซลล์ CdTe สามารถทำได้โดยใช้กระบวนการผลิตที่มีต้นทุนต่ำ แม้ว่าจะทำให้เป็นทางเลือกที่คุ้มค่า แต่ประสิทธิภาพของมันก็ยังไม่สูงเท่าซิลิกอน เซลล์ CIGS มีคุณสมบัติที่เหมาะสมที่สุดสำหรับวัสดุ PV และมีประสิทธิภาพสูงในห้องปฏิบัติการ แต่ความซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับการรวมองค์ประกอบทั้งสี่ทำให้การเปลี่ยนจากห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตมีความท้าทายมากขึ้น ทั้ง CdTe และ CIGS ต้องการการปกป้องที่มากกว่าซิลิกอนเพื่อให้สามารถใช้งานกลางแจ้งได้ยาวนาน
PHOTOVOLTAICS PEROVSKITE
เซลล์แสงอาทิตย์ Perovskite เป็นเซลล์ฟิล์มบางชนิดหนึ่งและได้รับการตั้งชื่อตามลักษณะโครงสร้างผลึก เซลล์ Perovskite สร้างขึ้นด้วยชั้นของวัสดุที่พิมพ์เคลือบหรือฝากด้วยสุญญากาศลงบนชั้นรองรับที่อยู่ด้านล่างซึ่งเรียกว่าวัสดุพิมพ์ โดยทั่วไปแล้วจะประกอบได้ง่ายและมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกับผลึกซิลิคอน ในห้องปฏิบัติการประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ perovskite ได้รับการปรับปรุงเร็วกว่าวัสดุ PV อื่น ๆ จาก 3% ในปี 2009 เป็นมากกว่า 25% ในปี 2020 เพื่อให้สามารถใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์เซลล์ PV perovskite จะต้องมีความเสถียรเพียงพอที่จะอยู่รอดนอกอาคารได้ 20 ปีดังนั้นนักวิจัย กำลังดำเนินการเพื่อให้มีความทนทานมากขึ้นและพัฒนาเทคนิคการผลิตขนาดใหญ่ต้นทุนต่ำ
ภาพถ่ายออร์แกนิก
เซลล์ PV อินทรีย์หรือ OPV ประกอบด้วยสารประกอบที่อุดมด้วยคาร์บอน (อินทรีย์) และสามารถปรับแต่งเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานเฉพาะของเซลล์ PV เช่นแบนด์แก็ปความโปร่งใสหรือสี ปัจจุบันเซลล์ OPV มีประสิทธิภาพเพียงประมาณครึ่งหนึ่งของเซลล์ซิลิกอนที่เป็นผลึกและมีอายุการใช้งานสั้นลง แต่อาจมีราคาไม่แพงในการผลิตในปริมาณมาก นอกจากนี้ยังสามารถประยุกต์ใช้กับวัสดุรองรับได้หลายประเภทเช่นพลาสติกที่มีความยืดหยุ่นทำให้ OPV สามารถใช้งานได้หลากหลาย PV
QUANTUM DOTS
เซลล์แสงอาทิตย์ควอนตัมดอทนำไฟฟ้าผ่านอนุภาคเล็ก ๆ ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันกว้างเพียงไม่กี่นาโนเมตรเรียกว่าจุดควอนตัม จุดควอนตัมเป็นวิธีใหม่ในการประมวลผลวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ แต่เป็นการยากที่จะสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างกันดังนั้นในปัจจุบันจึงไม่มีประสิทธิภาพมากนัก อย่างไรก็ตามพวกมันง่ายต่อการสร้างเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ สามารถวางลงบนวัสดุพิมพ์ได้โดยใช้วิธีสปินโค้ทสเปรย์หรือเครื่องพิมพ์แบบม้วนต่อม้วนเช่นเดียวกับที่ใช้พิมพ์หนังสือพิมพ์
จุดควอนตัมมีหลายขนาดและแบนด์แก็ปสามารถปรับแต่งได้ทำให้สามารถรวบรวมแสงที่จับภาพได้ยากและจับคู่กับเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ เช่นเพอรอฟสค์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์แบบมัลติฟังก์ชัน (ดูข้อมูลเพิ่มเติมด้านล่าง)
มัลติฟังก์ชั่นโฟโตโวลเทค
อีกกลยุทธ์หนึ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์ PV คือการวางเซมิคอนดักเตอร์หลายชั้นเพื่อสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบมัลติฟังก์ชัน เซลล์เหล่านี้โดยพื้นฐานแล้วเป็นกองของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันเมื่อเทียบกับเซลล์ทางแยกเดี่ยวซึ่งมีเซมิคอนดักเตอร์เพียงตัวเดียว แต่ละชั้นมีแบนด์แก็ปที่แตกต่างกันดังนั้นแต่ละชั้นจึงดูดซับส่วนที่แตกต่างกันของสเปกตรัมของแสงอาทิตย์ทำให้ใช้ประโยชน์จากแสงแดดได้มากกว่าเซลล์ที่มีจุดเชื่อมต่อเดียว เซลล์แสงอาทิตย์แบบมัลติฟังก์ชันสามารถเข้าถึงระดับประสิทธิภาพการบันทึกได้เนื่องจากแสงที่ไม่ได้รับการดูดซับโดยชั้นเซมิคอนดักเตอร์แรกจะถูกจับโดยชั้นที่อยู่ข้างใต้
ในขณะที่เซลล์แสงอาทิตย์ทั้งหมดที่มีแบนด์แก็ปมากกว่าหนึ่งวงเป็นเซลล์แสงอาทิตย์แบบมัลติฟังก์ชัน แต่เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีแบนด์แก็ปสองตัวเรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบตีคู่ เซลล์แสงอาทิตย์แบบมัลติฟังก์ชันที่รวมเซมิคอนดักเตอร์จากคอลัมน์ III และ V ในตารางธาตุเรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบมัลติฟังก์ชัน III-V
เซลล์แสงอาทิตย์แบบมัลติฟังก์ชันได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่สูงกว่า 45% แต่มีราคาแพงและผลิตยากดังนั้นจึงสงวนไว้สำหรับการสำรวจอวกาศ กองทัพกำลังใช้เซลล์แสงอาทิตย์ III-V ในโดรนและนักวิจัยกำลังสำรวจการใช้งานอื่น ๆ สำหรับพวกเขาซึ่งประสิทธิภาพสูงเป็นกุญแจสำคัญ
PHOTOVOLTAICS ความเข้มข้น
Concentration PV หรือที่เรียกว่า CPV เน้นแสงอาทิตย์ไปยังเซลล์แสงอาทิตย์โดยใช้กระจกหรือเลนส์ การเน้นแสงแดดไปยังพื้นที่ขนาดเล็กจึงต้องใช้วัสดุ PV น้อยลง วัสดุ PV จะมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อแสงมีความเข้มข้นมากขึ้นดังนั้นประสิทธิภาพโดยรวมสูงสุดจะได้รับจากเซลล์และโมดูล CPV อย่างไรก็ตามจำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีราคาแพงกว่าเทคนิคการผลิตและความสามารถในการติดตามการเคลื่อนไหวของดวงอาทิตย์ดังนั้นการแสดงให้เห็นถึงความได้เปรียบด้านต้นทุนที่จำเป็นเหนือโมดูลซิลิกอนปริมาณสูงในปัจจุบันจึงเป็นเรื่องที่ท้าทาย
เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์ในสำนักงานเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ดูแหล่งข้อมูลพลังงานแสงอาทิตย์เหล่านี้และดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทำงานของพลังงานแสงอาทิตย์