Solar Cell : โซล่าเซลล์

Solar Cell : โซล่าเซลล์ คืออุปกรณ์์สำหรับเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โซล่าเซลล์์จะมีประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าสูงที่สุดในช่วงเวลากลางวัน พลังงานไฟฟ้าที่เหลือจากการใช้ สามารถเก็บสะสมไว้ในแบตเตอรี่เพื่อไว้ใช้ในเวลากลางคืนได้ แผงโซล่าเซล ที่มีวัตต์สูง สามารถชาร์จได้เร็ว วัตต์ต่ำชาร์จได้ช้า

การใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์มีีจุดเด่นที่สำคัญ ดังต่อไปนี้

1. ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวในขณะใช้งาน จึงไม่เกิดการสึกหรอ และไม่มีมลภาวะทางเสียง

2. ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะเป็นพิษจากขบวนการผลิตไฟฟ้า

3. การบำรุงรักษาน้อยมาก และสามารถทำได้ง่าย

4. ผลิตไฟฟ้าได้แม้มีแสงแดดอ่อนหรือมีเมฆ

5. เป็นการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่ได้มาฟรีและมีไม่สิ้นสุด

6. ผลิตไฟฟ้าได้ทุกมุมโลกแม้บนเกาะเล็กๆ กลางทะเล บนยอดเขาสูง และในอวกาศ

7. ได้พลังงานไฟฟ้าโดยตรงซึ่งเป็นพลังงานที่นำมาใช้ได้สะดวกที่สุด



ชนิดของโซล่าเซลล์

แผงโซล่าเซลล์ี้แบ่งออกตามชนิดของวัสดุที่ใช้ผลิตได้ 2 ชนิด คือกลุ่มที่ทำจากสารกึ่งตัวนำประเภทซิลิคอน (Silicon) และ กลุ่มที่ทำจากสารประกอบ ที่ไม่ใช่ซิลิคอน ซึ่งประเภทหลังนี้ จะเป็นโซล่าเซลล์์ที่มีประสิทธิภาพสูงถึง 25% ขึ้นไป แต่มีราคาสูงมาก ส่วนมากใช้งานสำหรับดาวเทียม แต่ปัจจุบันการพัฒนาขบวนการผลิตสมัยใหม่ ทำให้แผงโซล่าเซลล์ที่ทำจากสารประกอบมีราคาถูกลง และมีแนวโน้มการมาใช้มากขึ้นในอนาคต

โซล่าเซลล์ที่ผลิตจากสารกึ่งตัว นำประเภทซิลิคอน (Silicon) สามารถแบ่งย่อยตามลักษณะของผลึกที่เกิดขึ้น ได้ 2 ชนิด คือ แบบที่ไม่เป็นรูปผลึก หรือโซล่าเซลล์ แบบอะมอร์ฟัสซิลิคอน (Amorphous Silicon Solar Cell) และแบบเป็นรูปผลึก (Crystal)

โซล่าเซลล์แบบอะมอร์ฟัส จะเห็นทั่วไปในเครื่องคิดเลขพลังแสงอาทิตย์ ปัจจุบันมีการนำมาทำเป็น thin flim โซล่าเซลล์ชนิดนี้จะมีประสิทธิภาพต่ำ ประมาณ 6-10%

โซล่าเซลล์แบบที่เป็นรูปผลึก แบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ ชนิดโมโนซิลิคอน ( Mono Crystalline Silicon Solar Cell) และ ชนิดโพลีซิลิคอน ( Poly Crystalline Silicon Solar Cell)

โซล่าเซลล์ แบบโมโนจะเป็นชนิดผลึกเดี่ยว จะมีความบริสุทธิ์ของซิลิกอนสูงกว่าแบบโพลี ทำให้โซล่าเซลล์แบบโมโนนั้นมีราคามันแพงกว่าโพลี และมีประสิทธิภาพสูง ถึงประมาณ 18% ปัจจุบันโซล่าเซลล์ชนิดโมโนได้มีการปรับปรุงและพัฒนา่ โดยมีการสะท้อนของแสงอาทิตย์ภายในเซลล์ลดลง เพื่อให้แสงตกกระทบลงบนชั้น n ได้มากที่สุดครับ ทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นถึง 25% เลยทีเดียว

โซล่า เซลล์แบบโพลี จะมีความบริสุทธิ์ของซิลิกอนน้อยกว่า แบบโมโน ทำให้ประสิทธิภาพต่ำกว่าแบบโมโน แต่ก็สูงกว่าอะมอฟัส โซล่าเซลล์แบบโพลี ถ้าสังเกตที่แผ่นจะมีสีเงินๆ ผสมอยู่ด้วย เนื่องจากเป็นแร่อื่นๆ ที่ติดมาด้วย ประสิทธิภาพของโซล่าเซลล์แบบ โพลีจะอยู่ที่ประมาณ 12-15%

โซ ล่าเซลล์ที่ผลิตจากสารประกอบ ที่เป็นสารกึ่งตัวนำชนิดอื่นๆ ที่ไม่ใช่ซิลิกอน และนำมา dope แบบหลายชั้น ตั้งแต่ double jungtion, triple junction และ multi junction เช่น Ga, Td และอื่นๆ แต่ที่นิยมกันในปัจจุบันนำมาใช้กับระบบรวมแสง หรือ concentreated คือ GaAs หรือแกลเลียมอาเซไนด์ โซล่าเซลล์ชนิดนี้มีประสิทธิภาพสูงถึง 35% และมีราคาสูงกว่าชนิดอื่น



หลักการทำงานของโซล่าเซลล์

โซล่าเซลล์์ (Solar Cell) เป็นสิ่งประดิษฐ์กรรมทาง electronic ที่สร้างขึ้นเพื่อเป็นอุปกรณ์สำหรับเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงาน ไฟฟ้า โดยการนำสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิกอน ซึ่งมีราคาถูกที่สุดและมีมากที่สุดบนพื้นโลกมาผ่านกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ เพื่อผลิตให้เป็นแผ่นบางบริสุทธิ์ และทันทีที่แสงตกกระทบบนแผ่นเซลล์ รังสีของแสงที่มีัอนุภาคของพลังงานประกอบที่เรียกว่า โฟตอน (Proton) จะถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอน (Electron) ในสารกึ่งตัวนำจนมีพลังงานมากพอที่จะกระโดดออกมาจากแรงดึงดูดของอะตอม (atom) และเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ครบวงจรจะทำให้เกิดไฟฟ้ากระแสตรงขึ้น

วัสดุสำคัญที่ใช้ทำโซล่าเซลล์์ ได้แก่ สารซิลิคอน (Si) ซึ่งเป็นสารชนิดเดียวกับที่ใช้ทำชิพในคอมพิวเตอร์ และเครื่องอิเล็กทรอนิกส์ ซิลิคอนเป็นสารซึ่งไม่เป็นพิษ มีการนำมาผลิตโซล่าเซลล์ใช้กันอย่างแพร่หลายเพราะมีราคาถูก คงทน และเชื่อถือได้ นอกจากนี้ยังมีวัสดุชนิดอื่นที่สามารถนำมาผลิตโซล่าเซลล์ได้ เช่น แกลเลียมอาเซไนด์ CIS และ แคดเมียมเทลเลอไรด์ แต่ยังมีราคาสูง และบางชนิดยังไม่มีการพิสูจน์เรื่องอายุการใช้งานว่าสามารถใช้งานได้นาน

ข้อเสียของ Si : การทำให้บริสุทธิ์และอยู่ในรูปสารที่พร้อมจะทำเซลล์ฯ มีราคาแพง และ แตกหักง่ายในขบวนการผลิต

การทำงานของโซล่าเซลล์ เป็นขบวนการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นกระแสไฟฟ้าได้โดยตรง โดยเมื่อแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและมีพลังงานกระทบกับสารกึ่งตัวนำ จะเกิดการถ่ายทอดพลังงานระหว่างกัน พลังงานจากแสงจะทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า (อิเลคตรอน) ขึ้นในสารกึ่งตัวนำ จึงสามารถต่อกระแสไฟฟ้าดังกล่าวไปใช้งานได้

n – type ซิลิคอน ซึ่งอยู่ด้านหน้าของเซลล์ คือ สารกึ่งตัวนำที่ได้การโดปปิ้งด้วยสารฟอสฟอรัส มีคุณสมบัติเป็นตัวให้อิเล็กตรอนเมื่อรับพลังงานจากแสงอาทิตย์p – type ซิลิคอน คือสารกึ่งตัวนำที่ได้การโดปปิ้งด้วยสารโบรอน ทำให้โครงสร้างของอะตอมสูญเสียอิเล็กตรอน (โฮล) เมื่อรับพลังงาน จากแสงอาทิตย์จะทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน เมื่อนำซิลิคอนทั้ง 2 ชนิด มาประกบต่อกันด้วย p – n junction จึงทำให้เกิดเป็น " โซล่าเซลล์ " ในสภาวะที่ยังไม่มีแสงแดด n – type ซิลิคอนซึ่งอยู่ด้านหน้าของเซลล์ ส่วนประกอบส่วนใหญ่พร้อมจะให้อิเล็กตรอน แต่ก็ยังมีโฮลปะปนอยู่บ้างเล็กน้อย ด้านหน้าของ n – type จะมีแถบโลหะเรียกว่า Front Electrode ทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน ส่วน p – type ซิลิคอนซึ่งอยู่ด้านหลังของเซลล ์ โครงสร้างส่วนใหญ่เป็นโฮล แต่ยังคงมีอิเล็กตรอนปะปนบ้างเล็กน้อย ด้านหลังของ p – type ซิลิคอนจะมีแถบโลหะเรียกว่า Back Electrode ทำหน้าที่เป็นตัวรวบรวมโฮล

เมื่อ มีแสงอาทิตย์ตกกระทบ แสงอาทิตย์จะถ่ายเทพลังงานให้กับอิเล็กตรอนและโฮล ทำให้เกิดการเคลื่อนไหว เมื่อพลังสูงพอทั้งอิเล็กตรอนและโฮลจะวิ่งเข้าหาเพื่อจับคู่กัน อิเล็กตรอนจะวิ่งไปยังชั้น n – type และโฮลจะวิ่งไปยังชั้น p type อิเล็กตรอนวิ่งไปรวมกันที่ Front Electrode และโฮลวิ่งไปรวมกันที่ Back Electrode เมื่อมีการต่อวงจรไฟฟ้าจาก Front Electrode และ Back Elec trode ให้ครบวงจร ก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น เนื่องจากทั้งอิเล็กตรอนและโฮลจะวิ่งเพื่อจับคู่กัน

ตัวแปรที่สำคัญ ที่มีส่วนทำให้โซล่าเซลล์มีประสิทธิภาพการทำงานในแต่ละ พื้นที่ต่างกัน และมีความสำคัญในการพิจารณานำไปใช้ในแต่ละพื้นที่ ตลอดจนการนำไปคำนวณระบบหรือคำนวณจำนวนแผงแสงอาทิตย์ที่ต้องใช้ในแต่ละ พื้นที่ คือความเข้มของแสง และอุณหภูมิ

กระแสไฟ (Current) จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของแสง หมายความว่าเมื่อความเข้มของแสงสูง กระแสที่ได้จากโซล่าเซลล์ก็จะสูงขึ้น ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าหรือโวลต์แทบจะไม่แปรไปตามความเข้มของแสงมากนัก ความเข้มของแสงที่ใช้วัดเป็นมาตรฐานคือ ความเข้มของแสงที่วัดบนพื้นโลกในสภาพอากาศปลอดโปร่ง ปราศจากเมฆหมอกและวัดที่ระดับน้ำทะเลในสภาพที่แสงอาทิตย์ตั้งฉากกับพื้นโลก ซึ่งความเข้ม ของแสงจะมีค่าเท่ากับ 100 mW ต่อ ตร.ซม. หรือ 1,000 W ต่อ ตร.เมตร ซึ่งมีค่าเท่ากับ AM 1.5 (Air Mass 1.5) และถ้าแสงอาทิตย์ทำมุม 60 องศากับพื้นโลกความเข้มของแสง จะมีค่าเท่ากับประมาณ 75 mW ต่อ ตร.ซม. หรือ 750 W ต่อ ตร.เมตร ซึ่งมีค่าเท่ากับ AM2 กรณีของแผงโซล่าเซลล์นั้นจะใช้ค่า AM 1.5 เป็นมาตรฐานในการวัดประสิทธิภาพของแผง

กระแสไฟ (Current) จะไม่แปรตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปในขณะที่แรงดันไฟฟ้า (โวลท์) จะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นซึ่งโดยเฉลี่ยแล้วทุกๆ 1 องศาที่เพิ่มขึ้น จะทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลง 0.5%และในกรณีของแผงโซล่าเซลล์มาตรฐานที่ใช้กำหนดประสิทธิภาพของแผงแสง อาทิตย์คือ ณ อุณหภูมิ 25 องศา C เช่นกำหนดไว้ว่าแผงแสงอาทิตย์มีแรงดันไฟฟ้าที่วงจรเปิด (Open Circuit Voltageหรือ V oc) ที่ 21 V ณ อุณหภูมิ 25 องศา C ก็จะหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าที่จะได้จากแผงแสงอาทิตย์ เมื่อยังไม่ได้ต่อกับอุปกรณ์ไฟฟ้า ณอุณหภูมิ 25 องศา C จะเท่ากับ 21 V ถ้าอุณหภูมิสูงกว่า 25 องศา C เช่นอุณหภูมิ 30 องศา C จะทำให้แรงดันไฟฟ้าของแผงแสงอาทิตย์ลดลง 2.5% (0.5% x 5องศา C) นั่นคือ แรงดันของแผงแสงอาทิตย์ที่ V oc จะลดลง 0.525 V (21 V x2.5%) เหลือเพียง 20.475 V (21V ? 0.525V) สรุปได้ว่าเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แรงดันไฟฟ้าก็จะลดลงซึ่งมีผลทำให้กำลังไฟฟ้าสูงสุดของแผงแสงอาทิตย์ลดลงด้วย





โซล่าเซลล์ที่ผลิตกันทุกวันนี้แบ่งเป็นหลักๆ ได้ 3 ชนิดครับคือ อมอฟัส, ซิลิกอน, และแบบสารประกอบครับ

1. โดยแบบอมอฟัสคือแบบแผ่นที่เราจะเห็นทั่วไปในเครื่องคิดเลขพลังแสงอาทิตย์ สีจะดำๆ หน่อยครับ เดี๊ยวนี้มีการนำมาทำเป็น thin flim ด้วยนะครับ แต่เซลล์ชนิดนี้จะมีประสิทธิภาพต่ำครับ ไม่น่าจะเกิน 12%

2.แบบต่อไปคือแบบซิลิกอนจะแบ่งออกเป็น สองประเภทหลักๆ ครับ คือแบบ โมโน กับแบบ โพลี

2.1 โดยแบบโมโนจะเป็นชนิดผลึกเดี่ยว จะมีความบริสุทธิ์ของซิลิกอนสูงกว่าแบบโพลีครับ ซึ่งนั้นเองทำให้ราคามันแพงกว่าโพลี และมีประสิทธิภาพสูงกว่า ถึงประมาณ 18% สำหรับโครงการการเรียงตัวซิลิกอนแบบเก่า แต่ในปัจจุบันชนิดโมโนได้ทำการปรับปรุงและออกแบบใหม่ โดยมีการสะท้อนของแสงอาทิตย์ภายในเซลล์ลดลง เพื่อให้แสงตกกระทบลงบนชั้น n ได้มากที่สุดครับ ทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นถึง 25% เลยทีเดียว

2.2 แบบโพลี ชนิดนี้จะมีความบริสุทธิ์ของซิลิกอนน้อยกว่า ประสิทธิภาพจะต่ำกว่าแต่ก็สูงกว่าอมอฟัสครับ ชนิดนี้ถ้าสังเกตที่แผ่นจะมีสีเงินๆ ผสมอยู่ด้วย เนื่องจากเป็นแร่อื่นๆ ที่ติดมาด้วยครับ ประสิท๔ภาพจะอยู่ที่ประมาณ 12-15% ครับ

3.แบบที่สาม คือสารประกอบที่เป็นสารกึ่งตัวนำชนิดอื่นๆ ที่ไม่ใช่ซิลิกอนครับ และนำมา dope แบบหลายชั้น ตั้งแต่ double jungtion, triple junction และ multi junction ครับ เช่น Ga, Td และอื่นๆ จำไม่ได้ครับ แหะๆ แต่ที่นิยมกันในปัจจุบันนำมาใช้กับระบบรวมแสง หรือ concentreated คือ GaAs หรือแกลเลียมอาเซไนด์ครับ มีประสิทธิภาพสูงถึง 35% พอดีผมใช้อยู่นะครับ แหะๆ ราคาไม่ต้องพูดถึง สูงกว่าชนิดอื่นอยู่แล้วครับ ที่ผมสั่งซื้อไปทางไต้หวัน ให้ราคาอยู่ที่ 2.5 USD ที่จำนวน 200,000 ชิ้นครับ ถ้าสั่งขั้นต่ำอยู่ที่ 4USD ครับ ถือว่าราคาโอเค เพราะว่าผมเคยติดต่อไปทางอเมริกา เค้าขายอยู่ที่ 45USD ครับ อันนี้ไม่ไหว

ถ้า พูดถึงประสิทธิภาพของเซลล์ทุกชนิด ต้องพูดถึงเรื่องอุณหภูมิเป็นอันดับแรกเลยครับ โดยเฉลี่ยส่วนใหญ่ ทุกๆอุณภูมิที่เพิ่มขึ้น 1 องศา ประสิทธิภาพจะลดลงไปประมาณ 5% ครับ อันนี้ขึ้นอยู่กับข้อมูลของผู้ผลิตด้วยนะครับ ซึ่งเซลล์ประเภทอมอฟัสและซิลิกอนจะผลิตกระแสไฟฟ้าได้ดีในช่วงความยาวคลื่น อินฟราเรด นั้นก็หมายความว่าจะต้องเกิดความร้อนขึ้นสูงครับเวลาใช้งานดังนั้นเซลล์พวก นี้จึงนิยมนำใช้เป็น flat panel หรือโมดูลที่เห็นขายกันทั่วไปนั่นแหละครับ ที่มีหลายๆ เซล์รวมกันอยู่ นอกจากนี้เซลล์พวกนี้ยังไม่สามารถใช้งานที่อุณหภูมิสูงเกินตามสเปคมันด้วย ครับ เพราะจะทำให้เซลล์เสื่อมครับ และจะไม่สามารถนำมาใช้ได้อีก

ปัจจุบัน การลงทุนด้านพลังงานแสงอาทิตย์ยังไม่ค่อยคุ้มทุนครับ เพราะว่าราคาเซลล์ยังแพงอยู่ การคืนทุนตั้งแต่ 9 ปีขึ้นไปครับ ส่วนใหญ่จะเกิน เงินลงทุนไม่ต่ำกว่าร้อยล้านแน่นอนครับ สำหรับระดับเมกกะวัตต์ขึ้นไป แต่ว่าในต่างประเทศได้คิดค้าหาวิธีในการลดต้นทุน บาทต่อวัตต์ลง โดยการทำการรวมแสงนั้นเองครับ หรือ concentraeted คือการใช้เลนส์หรือตัวสะท้อนแสงเพื่อให้เกิดการรวมแสงอยู่ที่จุดเดียว และใช้เซลล์ประเภท GaAs ซึ่งสามารถทำงานที่อุณหภูมิสูงๆ ได้ครับ โดยมีฮิทซิงช่วยระบายความร้อนด้วย และราคาต่อวัตต์จะลดลงมาเป็นเท่าตัวเลยทีเดียวและถ้าลองมองดูศักยภาพใน ประเทศไทย ประเทศไทยเป็นประเทศที่อยู่ใกล้เส้นศูนย์สูตรอยู่แล้ว รับแสงแดดเต็มที่ อากาศก็ร้อนด้วยร้อนโครตเลย หลายๆ คนก็คงจะคิดว่าใช้แบบ concentreated ดีกว่าซิอย่างงี้ คำตอบคือ ไม่จริงเสมอไปครับ คำตอบนี้สงสัยต้องตอบอีกยาวครับ เอาสั้นๆ แล้วกัน แสงอาทิตย์มี 2 แบบครับ คือ แบบตรง direct และแบบกระจาย diffuse ถ้าเป็นการติดตั้งแบบ concentreated จะต้องใช้แสงตรงครับ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด แต่ถ้าเป็นแบบ flat-panel ธรรมดา ใช้ได้ทั้งแสงตรงและแสงกระจายครับ และประเทศไทยมีแสงอาทิตย์ที่เป็นแบบตรงและแบบกระจายพอๆ กัน 60:40 โดยประมาณ ดังนั้นแล้วก็ต้องพิจารณาเรื่องที่ติดตั้งโครงการเป็นหลักด้วยครับ นอกจากนี้ปัจจุบันยังมีระบบติดตามพระอาทิตย์หรือ tracking system ด้วย แต่สำหรับในประเทศไทย ระบบflat-panel ไม่จำเป็นต้องใช้ก็ได้ครับ เพราะว่าประเทศไทยอยู่ใกล้เส้นศูนย์สูตร องศาก็เลยไม่ค่อยต่างกันมาก แต่ถ้าทำ tracking ได้ ก็จะเพิ่มประสิทธิภาพได้อีกนิดนึงครับ แต่อาจจะไม่คุ้มทุนทำ เพราะต้องเสียค่าอุปกรณ์ที่เพิ่มขึ้น และค่าซ่อมบำรุงในแต่ละปี แต่สำหรับระบบ concentreated ต้องทำระบบ tracking ครับ เพราะว่าเราต้องรวมแสงให้ตรงลงบนเซลล์นะครับ ถ้าไม่ตกลงบนเซลล์ ประสิทธิภาพก็จะลดลงหรือกลายเป็นศูนย์ไปได้เลยครับ