เซลล์แสงอาทิตย์

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
(เปลี่ยนทางจาก เซลล์สุริยะ)
เซลล์แสงอาทิตย์ผลิตจากชั้นผลึกคริสตัลชั้นเดียวที่เรียกว่า a monocrystalline silicon wafer ที่มี contact grid ที่ทำจาก busbars (แถบใหญ่) และ fingers (แถบเล็ก)

เซลล์แสงอาทิตย์ หรือ โซลาร์เซลล์ (อังกฤษ: solar cell) หรือ เซลล์สุริยะ หรือ เซลล์โฟโตโวลตาอิก (Photovoltaic cell) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าซึ่งทำหน้าที่แปลงพลังงานแสงหรือโฟตอนเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยตรงโดยปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก[1] นั่นก็คือ คุณสมบัติของสารเช่น ค่าความต้านทาน แรงดัน และกระแส จะเปลี่ยนไปเมื่อมีแสงตกกระทบโดยไม่ต้องอาศัยแหล่งจ่ายไฟภายนอก และเมื่อต่อโหลดให้ จะทำให้เกิดกระแสไหลผ่านโหลดนั้นได้

คำว่า "Photovoltaic" มาจากภาษากรีก φῶς ( Phos ) หมายถึง "แสง" และคำว่า "โวลต์" ซึ่งเป็นหน่วยของแรงเหนี่ยวนำ, คำว่าโวลต์มาจากนามสกุลของนักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียนชื่อ อเลสซานโดร Volta ซึ่งเป็นนักประดิษฐ์แบตเตอรี่ (เซลล์ไฟฟ้าเคมี ) คำว่า "Photovoltaic" ถูกใช้ใน ภาษาอังกฤษตั้งแต่ปี 1849[2]

โฟโตโวลตาอิกเป็นสาขาของเทคโนโลยีและการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการประยุกต์ใช้เซลล์แสงอาทิตย์ในการผลิตกระแสไฟฟ้าจากแสงสว่าง แม้ว่ามันมักจะถูกนำมาใช้เฉพาะเพื่ออ้างถึงการผลิตกระแสไฟฟ้าจากแสงแดดก็ตาม เซลล์นั้นๆสามารถถูกอธิบายว่าเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ได้แม้ว่าแหล่งกำเนิดแสงไม่จำเป็นต้องเป็นดวงอาทิตย์ (เช่นแสงตะเกียงหรือไฟเทียม ฯลฯ) ในกรณีดังกล่าว เซลล์นั้นบางครั้งจะถูกใช้เป็นตัวตรวจจับแสง (อังกฤษ: photodetector) (เช่น ตัวตรวจจับแสงอินฟราเรด) เพื่อตรวจจับแสงหรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆที่อยู่ในทัศนวิสัย หรือใช้วัดความเข้มของแสง

เซลล์แสงอาทิตย์สามารถนำมาใช้ในอุปกรณ์หลากหลายเช่นเครื่องชาร์จพกพาที่ทำจาก monocrystalline แบบนี้

การทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์หรือ photovoltaic (PV) cell ต้องมีคุณสมบัติพื้นฐาน 3 อย่างดังนี้

  • การดูดซึมของแสงเพื่อสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล หรือ เอ็กซิตอน อย่างใดอย่างหนึ่ง
  • การแยกต่างหากของตัวขนส่งประจุที่ต่างชนิดกัน
  • การสกัดการแยกออกจากกันของตัวขนส่งเหล่านั้นออกไปยังวงจรภายนอก

ในทางตรงกันข้าม ตัวสะสมความร้อนจากแสงอาทิตย์จะจ่ายความร้อนโดยการดูดซับแสงแดด เพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ความร้อนโดยตรงหรือใช้ในการผลิตไฟฟ้าโดยอ้อมอย่างใดอย่างหนึ่ง

A monocrystalline solar cell

ในทางตรงกันข้าม "Photoelectrolytic cell" (photoelectrochemical cell) หมายถึง อย่างใดอย่างหนึ่งว่าเป็นชนิดหนึ่งของเซลล์สุริยะ (เช่นที่ พัฒนาโดย AE Becquerel และ modern dye-sensitized solar cells​​) หรือเป็นอุปกรณ์อย่างหนึ่งที่แยกน้ำโดยตรงให้เป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยการใช้พลังงานส่องสว่างจากดวงอาทิตย์เท่านั้น

เนื้อหา

กล่องโครงสร้างของแผงเซลล์แสงอาทิตย์[แก้]

เซลล์แสงอาทิตย์หลายๆชุดถูกประกอบเข้าด้วยกันเพื่อทำเป็นแผงเซลล์แสงอาทิตย์ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากแสงแดด หลายๆเซลล์รวมเข้ามาเป็นกลุ่มๆ ทุกกลุ่มวางตัวเป็นหนึ่งแผง เรียกว่าแผงโซลาร์เซลล์หนึ่งแผงหรือหนึ่ง "โมดูลของเซลล์แสงอาทิตย์" ซึ่งจะแตกต่างจาก"โมดูล ความร้อนแสงอาทิตย์" หรือ "แผงน้ำร้อนแสงอาทิตย์ . " พลังงานไฟฟ้าที่ถูกสร้างขึ้นจากโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งถูกเรียกขานว่าพลังงานแสงอาทิตย์เป็นตัวอย่างของการนำพลังงานจากดวงอาทิตย์มาใช้ กลุ่มของแผงเซลล์แสงอาทิตย์หลายๆแผงที่เชื่อมต่อกันเรียกว่า "อาเรย์"

ประวัติความเป็นมาของเซลล์แสงอาทิตย์[แก้]

ปรากฏการณ์ของโฟโตโวลตาอิกถูกแสดงให้เห็นถึงด้วยการทดลองเป็นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อ A.E. Becquerel ในปี 1839 ตอนอายุ 19 เขาทำการทดลองในห้องปฏิบัติการ ของพ่อของเขา เขาได้สร้างเซลล์แสงอาทิตย์เป็นตัวแรกของโลก ต่อมา Willoughby Smith ได้ อธิบาย"ผลของแสงบนซีลีเนียมระหว่างเดินทางของกระแสไฟฟ้า"เป็นครั้งแรกในบทความชิ้นหนึ่งที่ได้รับการตีพิมพ์ในฉบับ 20 กุมภาพันธ์ 1873 เรื่องธรรมชาติ อย่างไรก็ตามมันไม่มีอะไรเกิดขึ้นจนกระทั่งปี 1883 เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำด้วย solid state ได้ถูกสร้างขึ้นเป็นครั้งแรกโดย Charles Fritts ผู้เคลือบสารกึ่งตัวนำซีลีเนียมด้วยชั้นที่บางมากๆของทองเพื่อทำให้เป็นทางเชื่อม(อังกฤษ: junction) อุปกรณ์นี้มีประสิทธิภาพประมาณ 1% เท่านั้น ในปี 1888 นักฟิสิกส์ชาวรัสเซียชื่อ Aleksandr Stoletov สร้างเซลล์แรกที่อยู่บนพื้นฐานของปรากฏการ์ณโฟโตโวลตาอิกด้านนอกที่ถูกค้นพบโดย Heinrich Hertz ก่อนหน้านี้ในปี 1887[3]

Albert Einstein ได้อธิบายกลไกพื้นฐานของตัวกระตุ้นผู้ขนส่งที่ส่งเสริมด้วยแสง หรือผลของโฟโตโวลตาอิก ในปี 1905 ที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ในปี 1921[4] ต่อมา Russell Ohl จดสิทธิบัตรเซลล์แสงอาทิตย์ทำด้วยเซมิคอนดักเตอร์ทางเชื่อมในปี 1946[5] ซึ่งถูกค้นพบในขณะที่เขากำลังทำงานในหลายชุดของความก้าวหน้าที่จะนำไปสู่​​ทรานซิสเตอร์

เซลล์แสงอาทิตย์ในทางปฏิบัติตัวแรกได้รับการพัฒนาในปี 1954 ที่ Bell Laboratories[6] โดย Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller และ Gerald Pearson พวกเขาใช้ซิลิกอนจุดเชื่อม p-n แบบกระจัดกระจาย ที่ทำประสิทธิภาพได้ถึง 6% เมื่อเทียบกับเซลล์ซีลีเนียมที่พบว่ามันยากที่จะไปถึง 0.5%[7] นาย Les Hoffman ซึ่งเป็นซีอีโอ ของบริษัท ฮอฟแมน อิเล็กทรอนิกส์ได้ให้แผนกเซมิคอนดักเตอร์ของเขาบุกเบิกการผลิตและการผลิตแบบจำนวนมากของเซลล์แสงอาทิตย์. จาก 1954 ถึง 1960 ฮอฟแมนได้ปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์จาก 2% ให้เป็น 14%. ในตอนแรกเซลล์พวกนั้นถูกพัฒนา สำหรับของเล่นและการใช้งานเล็กๆน้อยๆอื่นๆ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้มีต้นทุนที่สูงมาก ในแง่การเปรียบเทียบ เซลล์ที่ผลิต 1 วัตต์ของพลังงานไฟฟ้าด้วยแสงแดดที่สดใสเสียค่าใช้จ่าย ประมาณ $250 เปรียบเทียบกับ $2 ถึง $3 ต่อวัตต์ไฟฟ้าจากโรงงานถ่านหิน

อาจจะเป็นเพราะความสำเร็จที่ทำโดยฮอฟแมนอิเล็กทรอนิกส์ เซลล์แสงอาทิตย์ถูกนำออกจากความสับสนโดยข้อเสนอแนะให้นำพวกมันไปใช้กับดาวเทียม Vanguard I ที่เปิดตัวใน ปี 1958 ในแผนเดิม ดาวเทียมจะได้รับพลังงานจากแบตเตอรี่เท่านั้น และเป็นไปตามแผนในช่วงเวลาสั้นๆก่อนที่แผนนี้จะถูกพับลงไป โดยการเพิ่มเซลล์ที่ด้านนอกของตัวยาน เวลาสำหรับภารกิจอาจจะถูกขยายออกไปโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญกับตัวยานอวกาศหรือระบบพลังงานของมัน ในปี 1959 ประเทศสหรัฐอเมริกาส่งยาน Explorer 6. มันใช้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดใหญ่คล้ายกับปีก ซึ่งกลายเป็นคุณสมบัติทั่วไปในดาวเทียมในอนาคต อาร์เรย์เหล่านี้ประกอบด้วย 9600 ชุดของเซลล์แสงอาทิตย์ของฮอฟแมน มีความสงสัยในทางลบบางอย่างในตอนแรก แต่ในทางปฏิบัติ เซลล์พิสูจน์แล้วว่าเป็นความสำเร็จอย่างมาก และเซลล์แสงอาทิตย์ได้รับการออกแบบ อย่างรวดเร็วในดาวเทียมใหม่ๆ ที่โดดเด่นก็คือที่เทลสตาร์ของเบลล์

การปรับปรุงเป็นไปอย่างเชื่องช้าในอีกสองทศวรรษต่อมา และการใช้งานอย่างแพร่หลายเป็นการใช้ในการใช้ในงานอวกาศเท่านั้น ในที่ซึ่งอัตราส่วนระหว่างพลังงานกับน้ำหนักของเซลล์เหล่านี้จะสูงกว่าเทคโนโลยีที่แข่งขันกันอยู่ใดๆ อย่างไรก็ตาม ความสำเร็จนี้ยังเป็นเหตุผลสำหรับความคืบหน้าที่ช้าอีกด้วยเนื่องจากผู้ใช้ในอวกาศก็เต็มใจที่จะจ่ายเท่าไรก็ได้สำหรับเซลล์ที่ดีที่สุดที่เป็นไปได้ ไม่มีเหตุผลอะรที่จะลงทุนในการแก้ปัญหาให้ต้นทุนต่ำลงถ้าจะเป็นการลดประสิทธิภาพ แทนที่จะทำอย่างนั้น ราคาของเซลล์จะถูกกำหนดอย่างมากโดยอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากพวกเขาย้ายไปทำวงจรรวมในปี 1960 ได้นำไปสู่​​ความพร้อมของผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่ในราคาที่ต่ำกว่า ในขณะที่ราคาของวงจรรวมลดลง ราคาของเซลล์ที่เกิดขึ้นก็ลดลงเช่นกัน อย่างไรก็ตาม ผลกระทบเหล่านี้ถูกจำกัดลง และในปี 1971 ต้นทุนของเซลล์ประมาณว่าได้ลดลงเหลือ $100 ต่อวัตต์[8]

การปรับปรุงต่อไป[แก้]

ในช่วงเวลาที่ผ่านมา การปรับปรุงเพิ่มเติมได้ทำให้ต้นทุนการผลิตลดลงต่ำกว่า $1 ต่อวัตต์ และมีราคาขายส่งอยู่ที่ต่ำกว่า $2 ค่าใช้จ่ายในส่วนของการทำ"สมดุลของระบบ"ตอนนี้สูงกว่าค่าแผงเซลล์เสียอีก ในปี 2010 อาร์เรย์เชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่สามารถถูกสร้างได้ต่ำกว่า $3.40 ต่อวัตต์หลังการทำ commissioning ระบบอย่างเต็มที่

ขณะที่อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ถูกเคลื่อนไปสู่เซลล์ที่มีขนาดใหญ่กว่าเดิม อุปกรณ์เก่าจึงถูกขายออกไปในราคาที่ถูกมากๆ เซลล์มีขนาดใหญ่ขึ้นในขณะที่อุปกรณ์เก่าที่ยังมีอยู่ในตลาดกลายเป็นส่วนเกินเช่นแผงเดิมของ ARCO Solar ที่ใช้เซลล์ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 2 ถึง 4 นิ้ว (50 ถึง 100 มม.) แผงในปี 1990 และ ต้น 2000 โดยทั่วไปใช้เวเฟอร์ขนาด 5 นิ้ว ( 125 มิลลิเมตร) และตั้งแต่ ปี 2008 เกือบทุกแผงใหม่ใช้เซลล์ขนาด 6 นิ้ว (150 มิลลิเมตร) การเข้าตลาดอย่างแพร่หลายของโทรทัศน์จอแบนในปลายปี 1990 และ ต้นยุค 2000 นำไปสู่​​การมีจำหน่ายอย่างกว้างขวางของแก้วคุณภาพสูงแผ่นใหญ่ๆที่ใช้บนด้านหน้าของแผงเซลล์

ในช่วงปี 199X, เซลล์แบบโพลีซิลิคอนได้รับความนิยมมากขึ้น เซลล์เหล่านี้ให้ประสิทธิภาพต่ำกว่า monosilicon ที่เป็นเพื่อนของมัน แต่พวกมันจะถูกสร้างในถังขนาดใหญ่ที่ช่วยลดต้นทุนการผลิต โดยช่วงกลางยุค 200X, โพลีซิลิคอนเป็นที่โดดเด่นในตลาดแผงต้นทุนต่ำ แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้ ความหลากหลายของปัจจัยได้ผลักดันให้โมโนซิลิคอนที่มีประสิทธิภาพสูงได้กลับเข้ามาใช้งานอย่างแพร่หลาย

หลายผู้ผลิตของเซลล์แบบเวเฟอร์ได้ตอบสนองกับราคาซิลิกอนสูงในราคาที่ 2004-2008 ด้วยการลดอย่างรวดเร็วในการบริโภคซิลิกอน ในปี 2008 ตามที่ Jef Poortmans ผู้อำนวยการฝ่าย อินทรีย์และพลังงานแสงอาทิตย์ของ IMEC เซลล์ปัจจุบันจะใช้ระหว่างแปดถึงเก้ากรัมของ ซิลิคอนในการผลิตกระแสไฟฟ้าต่อวัตต์ ด้วยเวเฟอร์ที่มีความหนาในราว 0.200 มิลลิเมตร


เหตุการณ์ปัจจุบัน[แก้]

เทคโนโลยีอื่นๆได้พยายามที่จะเข้าสู่ตลาด ตอนแรก Solar เป็นผู้ผลิตแผงที่ใหญ่ที่สุดในระยะสั้นๆในปี 2009 ในแง่ของการผลิตพลังงานต่อปี การใช้เซลล์ชนิดฟิล์มบางสอดใส้ระหว่างแก้ว สองชั้น ตั้งแต่นั้นมา แผงซิลิกอนได้รับคืนตำแหน่งที่โดดเด่นของพวกมันทั้งในแง่ของราคาที่ลดลงและการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของการผลิตของจีน ส่งผลให้จีนเป็นผู้ผลิตชั้นนำ ในช่วงปลายปี 2011 ผลิตผลที่มีประสิทธิภาพในประเทศจีน ควบคู่ไปกับการลดลงของอุปสงค์ในยุโรปที่เกิดจากความวุ่นวายงบประมาณได้ลดราคาลงสำหรับแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ผลึก crystal ลงไปที่ ประมาณ $1.09[9] ต่อวัตต์ในเดือนตุลาคม 2011 ราคายังคงตกในปี 2012 ถึง $0.62/watt ใน 4Q2012 โดยคาดว่าจะมีการลดราคาต่อไปอีกในปี 2013[10]

กระบวนการที่ทันสมัยมากขึ้นอันหนึ่งคิอ โมโน-เหมือน-มัลติ วัตถุประสงค์เพื่อให้ประสิทธิภาพการทำงานของโมโนมีเท่าค่าใช้จ่ายของโพลีและอยู่ในระหว่างการเปิดตัวในปี 2012. ในปี 2013 การดิ่งลงของต้นทุนของซิลิกอนยังคงมีต่อไปเพิ่อนำไปในยุคใหม่ของเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีราคาไม่แพง ทำให้ต้นทุนของ'ไม่ใช่เซลล์' และแม้กระทั่ง 'ไม่ใช่โมดูล' มีความสำคัญมากกว่าที่เคย สำหรับความก้าวหน้าของพลังงานแสงอาทิตย์ที่ประหยัด

สถานที่การติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์[แก้]

ประเทศไทย[แก้]

ในประเทศไทย เริ่มมีการติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อผลิตไฟฟ้ามาตั้งแต่ปี 2526 จนถึงปี 2553 มียอดติดตั้งรวม 100.39 MW แจกจ่ายไฟฟ้า(เฉพาะเชื่อมกับสายส่งของ กฟผ แล้ว) ทั้งปี 2553 รวม 21.6 GWh หรือ 0.0134% ของปริมาณความต้องการใช้ไฟฟ้าทั้งหมด 161,350 GWh โดยการไฟฟ้าฝ่ายผลิต ผลิตไฟฟ้าได้ 2.2 GWh ผู้ผลิตรายย่อย 19.4 GWh

ตามพระราชบัญญัติการพัฒนาพลังงานหมุนเวียน 15 ปีนับจากปี 2552 กำหนดเป้าหมายการใช้พลังงานหมุนเวียนไว้ที่ 20.3% ของพลังงานทั้งหมด โดยมีสัดส่วนของพลังงานจากเซลล์แสงอาทิตย์อยู่ที่ 6% ดังนั้น ตามแผนงาน ในปี 2565 ประเทศไทยต้องมีโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยเซลล์แสงอาทิตย์มีกำลังการผลิตรวม 500 MW ตัวเลขในปี 2554 อยู่ระหว่างดำเนินการติดตั้ง 265 MW และอยู่ระหว่างการพิจารณาจาก กฟผ อีก 336 MW[11]

โรงไฟฟ้าที่สร้างที่จังหวัดลพบุรีด้วยเทคโนโลยี amorphous thin film ต้องใช้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ถึง 540,000 ชุด มีกำลังการผลิต 73 MW จะเป็นโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ระบบโฟโตโวลตาอิคส์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก[12]

ประเทศสหรัฐอเมริกา[แก้]

ปี ๒๕๕๓ [13]

การประยุกต์ใช้[แก้]

เซลล์แสงอาทิตย์ polycrystalline ที่วัตถุด้านหลังถูกเคลือบในโมดูล


เซลล์สุริยะ โพลี่คริสตัลไลน์

บทความหลัก:photovoltaic system

เซลล์แสงอาทิตย์มักจะมีการเชื่อมต่อและห่อหุ้มด้วยระบบไฟฟ้าเป็นโมดูล โมดูลนี้มักจะมีแผ่น กระจกด้านหน้า (หันหาดวงอาทิตย์) ช่วยให้แสงผ่านในขณะที่มันปกป้องเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์จากรอยขีดข่วนและแรงกระทบอันเนื่องมาจากฝุ่นที่พัดมากับลม, ฝน, ลูกเห็บ ฯลฯ เซลล์แสงอาทิตย์ยังมีการเชื่อมต่อแบบอนุกรมในโมดูลเพื่อผบวกแรงดันเข้าด้วยกัน แม้ว่าการเชื่อมต่อเซลล์แบบขนานจะให้กระแสที่สูงขึ้น แต่ก็มีปัญหาที่สำคัญมากเกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น ผลกระทบจากเงาสามารถทำให้แถว(ของหลายเซลล์ที่ต่ออนุกรม)ในแนวขนานที่อ่อนแอปิดตัวลดลง (สว่างน้อยกว่า) ก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานที่สำคัญและยังทำลายแถวที่อ่อนแอนั้นด้วย อันเนื่องมาจากการให้ไบอัสกลับหลังที่มีมากเกินไปที่ใส่ให้กับเซลล์เงาจากพันธมิตรที่ส่องสว่าง สตริงของเซลล์อนุกรมมักจะได้รับการจัดการอย่างเป็นอิสระและไม่ได้ถูกเชื่อมต่อแบบขนาน ยกเว้นจะเป็นวงจรขนานพิเศษ แม้ว่าโมดูลสามารถถูกเชื่อมต่อระหว่างกันเพื่อสร้างอาร์เรย์ที่มี แรงดันไฟฟ้าดีซีสูงสุดและกำลังการผลิตกระแสโหลดที่ต้องการโดยการใช้ MPPTs อิสระ (maximum power point trackers) ที่จะให้ทางออกที่ดีกว่า ในกรณีที่ไม่มีวงจรขนาน shunt diodes สามารถนำมาใช้เพื่อลดการสูญเสียพลังงานอันเนื่องมาจากการเกิดเงาในอาร์เรย์กับชุดเซลล์ที่ต่อกันอยู่แบบอนุกรม/ขนาน

เพื่อให้ใช้พลังงานที่สร้างโดยแสงอาทิตย์ในทางปฏิบัติ ส่วนใหญ่กระแสไฟฟ้ามักจะป้อนเข้ากริดไฟฟ้าโดยใช้อินเวอร์เตอร์ (ระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่เชื่อมต่อเข้ากับกริด); ในระบบสแตนด์อะโลน, แบตเตอรี่จะถูกใช้ในการเก็บพลังงานที่ไม่จำเป็นต้องใช้ในตอนนั้น แผงเซลล์แสงอาทิตย์ สามารถใช้ในการให้กำลังไฟหรือชาร์จอุปกรณ์พกพา

ทฤษฎี[แก้]

บทความหลัก : Theory of solar cells

เซลล์แสงอาทิตย์ทำงานในสามขั้นตอนดังนี้

  1. โฟตอนในแสงแดดกระทบแผงเซลล์แสงอาทิตย์และถูกดูดซึมโดยวัสดุกึ่งตัวนำเช่นซิลิกอน
  2. อิเล็กตรอน (ประจุลบ) ถูกกระเทาะหลุดออกจากอะตอม ก่อให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้า กระแสเริ่มต้นไหลผ่านวัสดุเพื่อหักล้างกับศักย์ไฟฟ้าและไฟฟ้านี้ถูกจับไว้ได้ เนื่องจากส่วนผสมพิเศษ ของเซลล์แสงอาทิตย์ อิเล็กตรอนได้รับอนุญาตให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวเท่านั้น
  3. อาเรย์หนึ่งของชุดเซลล์แสงอาทิตย์แปลงพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นกระแสไฟฟ้าตรง (DC ) ให้มีปริมาณที่ใช้งานได้

ประสิทธิภาพ[แก้]

บทความหลัก: Solar cell efficiency

แผงเซลล์แสงอาทิตย์บนสถานีอวกาศนานาชาติดูดซับแสงจากทั้งสองด้าน เซลล์สองหน้าเหล่านี้มีประสิทธิภาพมากขึ้นและทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่าแบบด้านเดียวที่ขนาดเทียบเท่ากัน

ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ตัวหนึ่งอาจถูกแยกออกเป็น ประสิทธิภาพการสะท้อน, ประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์, ประสิทธิภาพในการแยกตัวขนส่งประจุและประสิทธิภาพในการนำกระแส ประสิทธิภาพโดยรวมเป็นผลผลิตของประสิทธิภาพแต่ละตัวเหล่านี้

เซลล์แสงอาทิตย์มักจะมีเส้นโค้งประสิทธิภาพแรงดันไฟฟ้าไม่อิสระ, ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิและ มุมเงา(อังกฤษ: shadow angle)

เนื่องจากความยากลำบากในการวัดพารามิเตอร์เหล่านี้โดยตรง พารามิเตอร์อื่นๆจึงถูกวัดแทนเช่นประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์, ประสิทธิภาพทางควอนตัม,ประสิทธิภาพควอนตัมแบบบูรณาการ, อัตราส่วน VOC และปัจจัยการเติม. การสูญเสียเนื่องจากการสะท้อนเป็นส่วนหนึ่งของ ประสิทธิภาพควอนตัมภายใต้ "ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก". ความเสียหายจากการรวมตัวกัน สร้างส่วนหนึ่งของประสิทธิภาพควอนตัม, อัตราส่วน VOC และปัจจัยการเติม การสูญเสียจากแรงต้านทานส่วนใหญ่มีการแบ่งประเภทภายใต้ปัจจัยเติม แต่ยังสร้างส่วนเล็กๆน้อยๆของประสิทธิภาพควอนตัม, อัตราส่วน VOC

ปัจจัยเติมถูกกำหนดเป็นอัตราส่วนของพลังงานสูงสุดที่ได้รับจริงกับผลผลิตของแรงดันไฟฟ้า วงจรเปิดและกระแสลัดวงจร สิ่งนี้เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญในการประเมินประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ รูปแบบของเซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์จะมีปัจจัยเติม > 0.70. เซลล์ เกรด B มีปัจจัยเติมปกติระหว่าง 0.4 ถึง 0.7[14]. เซลล์ที่มีปัจจัยเติมที่สูงจะมีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าที่ต่ำและมีความต้านทาน shunt เทียบเท่าที่สูง ดังนั้นกระแสที่น้อยกว่าที่ถูกผลิตโดยเซลล์จะถูกกระจายไปในความสูญเสียภายใน

อุปกรณ์ซิลิกอนผลึก crystalline ทางเชื่อม p-n เดี่ยวตอนนี้จะเข้าใกล้ข้อจำกัดทางทฤษฎีของ ประสิทธิภาพทางพลังงานที่ 33.7 %, เป็นไปตามข้อสังเกตของขีดจำกัดของ Shockley-Queisser ในปี 1961. ในแบบสุดขั้ว ที่มีจำนวนอนันต์ของเลเยอร์ ข้อจำกัดที่สอดคล้องจะเป็น 86% โดยใช้แสงแดดเข้มข้น[15]

ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์แยกประเภทขบวนการผลิตในแต่ละผู้ผลิต

ใน กันยายน 2013, เซลล์แสงอาทิตย์ประสบความสำเร็จสถิติโลกใหม่ด้วยประสิทธิภาพร้อยละ 44.7 ที่แสดงให้เห็นโดยสถาบันเยอรมัน Fraunhofer สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์[16]


ค่าใช้จ่าย[แก้]

ค่าใช้จ่ายของเซลล์แสงอาทิตย์จะถูกกำหนดเป็นต่อหน่วยของพลังงานไฟฟ้าสูงสุด(peek) ภาษี ของพลังงานดิบที่ได้จากแสงอาทิตย์จะแตกต่างกันไปทั่วโลกและแม้แต่ในแต่ละรัฐภายในประเทศเดียวกันก็ตาม[17] การเก็บภาษีดังกล่าวจะมีประสิทธิภาพสูงในการส่งเสริมการพัฒนาโครงการพลังงานแสงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงเป็นที่สนใจเพื่อลดค่าใช้จ่ายของพลังงานแสงอาทิตย์ ค่าใช้จ่ายจำนวนมากของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์เป็นสัดส่วนกับพื้นที่แผงหรือพื้นที่ของโรงงาน เซลล์ที่มีประสิทธิภาพที่สูงกว่าอาจจะลดพื้นที่ที่จำเป็นและเพื่อลดค่าใช้จ่ายของโรงงานทั้งหมด แม้ว่าตัวเซลล์เองมีค่าใช้จ่ายที่มากกว่า ในการประเมินทางเศรษฐศาสตร์ของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ ประสิทธิภาพของเซลล์เปล่าที่จะเป็นประโยชน์จะต้องได้รับการประเมินภายใต้เงื่อนไขที่เป็นจริง พารามิเตอร์พื้นฐานที่จำเป็นต้องได้รับการประเมินก็คือกระแสลัดวงจรและแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด[18]

แผนภูมิด้านบนแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพในห้องปฏิบัติการที่ดีที่สุดที่ได้รับสำหรับวัสดุและเทคโนโลยีที่หลากหลาย โดยทั่วไปสิ่งนี้จะทำบนเซลล์ที่มีขนาดเล็กมาก เช่น หนึ่งตาราง เซนติเมตร ประสิทธิภาพเชิงพาณิชย์ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

Grid parity หมายถึงจุดที่ไฟฟ้าจากสุริยะเท่ากับหรือถูกกว่าพลังงานจากกริด Grid parity สามารถเข้าถึงได้โดยใช้เซลล์แสงอาทิตย์ต้นทุนต่ำ ผู้นำเสนอพลังงานแสงอาทิตย์หวังที่จะได้รับ grid parity แต่แรกในพื้นที่ที่มีความอุดมสมบูรณ์ของแสงอาทิตย์ และค่าใช้จ่ายที่สูงสำหรับการผลิตไฟฟ้าเช่นในรัฐแคลิฟอร์เนียและญี่ปุ่น[19] บางคนแย้งว่า grid parity มีได้ในฮาวายและเกาะอื่นๆที่หันมาใช้น้ำมันดีเซลในการผลิตไฟฟ้า จอร์จ ดับเบิลยู บุช ได้ตั้งปี 2015 เป็นวันที่สำหรับ grid parity ในสหรัฐอเมริกา[20][21] การพูดในที่ประชุมในปี 2007 หัวหน้าวิศวกร General Electric ได้คาดการณ์ grid parity โดยไม่ต้องมีการอุดหนุนในบริเวณที่แดดจัดๆของประเทศสหรัฐอเมริการาวปี 2015[22] สมาคมเซลล์แสงอาทิตย์ได้รายงานในปี 2012 ว่า ประเทศออสเตรเลียได้ grid parity แล้ว(ไม่นำเอาฟีดในอัตราภาษีศุลกากรมาพิจารณา)[23]

วัสดุในทางปฏิบัติ[แก้]

ข้อจำกัดของ Shockley-Queisser สำหรับประสิทธิภาพสูงสุดทางทฤษฎีของเซลล์แสงอาทิตย์ เซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างของแบนด์ ระหว่าง 1 ถึง 1.5eV หรือใกล้แสงอินฟราเรดใกล้ จะมีศักยภาพมากที่สุดในการขึ้นรูปแบบของเซลล์ทางเชื่อมเดียวที่มีประสิทธิภาพ (ประสิทธิภาพ"จำกัด" ที่แสดงนี้สามารถเกินกว่านี้ได้โดย เซลล์แสงอาทิตย์แบบ multijunction)

วัสดุที่ต่างกันแสดงประสิทธิภาพที่ต่างกันและมีค่าใช้จ่ายที่ต่างกัน วัสดุสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ ที่มีประสิทธิภาพจะต้องมีลักษณะที่ตรงกับสเปกตรัมของแสงที่มีอยู่ เซลล์บางตัวถูกออกแบบมาเพื่อแปลงความยาวคลื่นของแสงอาทิตย์ที่มาถึงพื้นผิวโลกได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม เซลล์แสงอาทิตย์บางตัวจะเหมาะสำหรับการดูดซึมแสงนอกชั้นบรรยากาศของโลกได้เป็นอย่างดี วัสดุที่ดูดซับแสงมักจะสามารถใช้ในการกำหนดค่าทางกายภาพหลายอย่างเพื่อใช้ประโยชน์จากการดูดกลืนแสงที่แตกต่างกันและกลไกการแยกประจุ

เซลล์แสงอาทิตย์อุตสาหกรรมถูกทำจากซิลิกอน monocrystalline , polycrystalline ซิลิคอน, ซิลิคอนอสัณฐาน, แคดเมียมเทลลูไรด์ หรือทองแดง อินเดียม selenide/ซัลไฟด์ หรือ ระบบที่ใช้วัสดุ multijunction ที่มีพื้นฐานจาก GaAs

เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีอยู่ในปัจจุบันจำนวนมากจะทำจากวัสดุที่เป็นกลุ่มที่ถูกตัดให้เป็นเวเฟอร์หนา ระหว่าง 180 ถึง 240 ไมโครเมตร แล้วนำไปผ่านขบวนการผลิตเหมือนเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ

ผลึกซิลิกอน Crystalline[แก้]

บทความหลัก: Monocrystalline silicon, Polycrystalline silicon, Silicon, and list of silicon producers

โครงสร้างพื้นฐานของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำด้วยซิลิคอนและกลไกการทำงานของมัน

โดยทั่วไป, วัสดุที่เป็นกลุ่มก้อนที่แพร่หลายมากที่สุดสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์คือผลึกซิลิคอน crystalline (ย่อๆว่าเป็นกลุ่มของ c-Si) หรือที่เรียกว่า "ซิลิคอนเกรดแสงอาทิตย์" กลุ่มก้อนซิลิกอนแบ่งออกเป็นหลายประเภทตามความเป็นผลึกและขนาดผลึกในก้อนโลหะ, ริบบิ้นหรือเวเฟอร์ เซลล์เหล่านี้จะขึ้นอยู่รอบแนวคิดของทางเชื่อมทั้งหมดดังนี้

  1. ซิลิกอน monocrystalline (c-Si) มักจะถุกผลิตโดยใช้กระบวนการ Czochralski. เวเฟอร์เซลล์คริสตัลเดี่ยวมีแนวโน้มที่จะมีราคาแพงและเพราะพวกมันจะถูกตัดออกจากแท่งทรงกระบอก พวกมันจะไม่ครอบคลุมโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์สี่เหลี่ยมอย่างสมบูรณ์โดยไม่ต้องเสียซิลิกอน กลั่นจำนวนมาก ดังนั้นแผง C-Si ส่วนใหญ่ได้เปิดช่องว่างที่มุมทั้งสี่ของเซลล์
  2. ซิลิกอน polycrystalline หรือ ซิลิคอน multicrystalline (poly-Si or mc-Si) ทำจากโลหะ หล่อสี่เหลี่ยม - บล็อกขนาดใหญ่ของซิลิกอนหลอมละลายที่ถูกทำให้เย็นและเป็นผลึกอย่างระมัดระวัง เซลล์โพลี-Si มีราคาไม่แพงในการผลิตถูกกว่าเซลล์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวแต่จะมี ประสิทธิภาพน้อยกว่า กรมข้อมูลพลังงานของสหรัฐอเมริกาแสดงให้เห็นว่ายอดขายของซิลิคอนโพลี่คริสตัลไลน์ที่สูงขึ้นกว่ายอดขายของ monocrystalline
  3. ซิลิกอนริบบิ้น[24] เป็นโพลี่คริสตัลไลน์ ซิลิคอนชนิดหนึ่ง: มันจะเกิดขึ้นโดยการดึงฟิล์มบางแบนจากซิลิกอนหลอมเหลวและผลที่ได้จะเป็นโครงสร้างโพลึ่คริสตัลไลน์ เซลล์เหล่านี้มีประสิทธิภาพต่ำกว่า poly-Si แต่ประหยัดค่าใช้จ่าย การผลิตอันเนื่องมาจากการลดลงอย่างมากในการสูญเสียซิลิกอน เพราะวิธีการนี้ไม่จำเป็นต้อง เลื่อยจากแท่งสาร
  4. ซิลิกอนโมโน-เหมือน-มัลติ: ถูกพัฒนาในยุค 200X และถูกแนะนำในเชิงพาณิชย์ราวปี 2009, โมโน-เหมือน-มัลติ หรือ cast-mono ใช้ห้องหล่อโพลี่คริสตัลไลน์ที่มีอยู่กับ"เมล็ด" เล็กๆของวัสดุโมโน ผลที่ได้คือก้อนวัสดุเหมือนโมโนที่มีโพลีอยู่รอบนอก เมื่อแปรรูปออกจากกัน ส่วน ภายในจะเป็นเซลล์เหมิอนโมโนที่มีประสิทธิภาพสูง (แต่เป็นรูปสี่เหลี่ยมแทนที่จะเป็นรูป"ตัด") ในขณะที่ขอบด้านนอกจะถูกขายเป็นโพลีธรรมดา ผลที่ได้คือสายการผลิตเซลล์เหมือนโมโนในราคาของเหมือนโพลี่[25]

ฟิล์มบาง[แก้]

บทความหลัก: Thin film solar cell

เทคโนโลยีฟิล์มบางช่วยลดปริมาณของวัสดุที่จำเป็นในการสร้างวัสดุที่ใช้งานของเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์แสงอาทิตย์ฟิล์มบางส่วนใหญ่จะถูกคั่นกลางระหว่างสองบานหน้าต่างกระจกเพื่อทำให้เป็นโมดูล เนื่องจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนใช้เพียงหนึ่งบานกระจกหน้าต่าง แผงฟิล์มบางจึงมีน้ำหนักประมาณสองเท่าของแผงผลึกซิลิกอน แม้ว่าพวกมันจะมีผลกระทบต่อระบบนิเวศน้อยกว่า(พิจารณาจากการวิเคราะห์ วงจรชีวิต)[26] ส่วนใหญ่ของแผงแบบฟิล์มมีประสิทธิภาพการแปลงที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญตามหลังซิลิกอนอยู่ร้อยละ 2 ถึง 3[27] ได้มีการลงทุนขนาดใหญ่ในเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ฟิล์มบางเนื่องจากการประสบความสำเร็จของ First Solar และสัญญาที่ไม่เป็นผลส่วนใหญ่ของค่าใช้จ่ายที่ต่ำกว่าและความยืดหยุ่นเมื่อเทียบกับเซลล์ซิลิคอนเวเฟอร์ แต่พวกมันไม่ได้กลายเป็นผลิตภัณฑ์พลังงานแสงอาทิตย์หลักเนื่องจากประสิทธิภาพที่ต่ำกว่าและใข้พื้นที่ที่ใหญ่กว่าในการผลิตต่อวัตต์ที่สอดคล้องกัน แคดเมียมเทลลลูไรด์ (CdTe), ทองแดงอินเดียมแกลเลียม selenide (CIGS) และซิลิกอนอสัณฐาน (a-Si) เป็นสามเทคโนโลยีฟิล์มบางที่มักจะถูกใช้ในการผลิตแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบกลางแจ้ง ณ ธันวาคม 2013, CdTe มีประสิทธิภาพด้านค่าใช้จ่ายที่ดีที่สุด (ค่าใช้จ่ายในการผลิตในสหรัฐต่อวัตต์ติดตั้งเป็น 0.59$ รายงานโดย First Solar) ใช้เทคโนโลยีฟิล์มบางกันอย่างแพร่หลายและเทคโนโลยี CIGS มีประสิทธิภาพในห้องปฏิบัติการสูงสุด (20.4% ณ ธันวาคม 2013) แม้ว่าเซลล์ CdTe ที่ผลิตโดย First Solar จะมีประสิทธิภาพทางอุตสาหกรรมสูงสุดและประสิทธิภาพของห้องปฏิบัติการสำหรับเทคโนโลยี ฟิล์มบาง GaAs ที่ยังไม่โตเต็มที่จะมีประสิทธิภาพสูงสุดถึง 28%

เซลล์แสงอาทิตย์แคดเมียมเทลลูไรด์[แก้]

บทความหลัก: Cadmium telluride photovoltaics

เซลล์แสงอาทิตย์แคดเมียมเทลลูไรด์ใช้ฟิล์มบางทำจากแคดเมียมเทลลูไรด์(CdTe)ซึ่งเป็นชั้นของสารกึ่งตัวนำเพื่อดูดซับและแปลงแสงแดดให้เป็นไฟฟ้า ข้อเสียอย่างหนึ่งของเทคโนโลยีนี้(ซึ่งวัสดุฟิล์มบางนี้เท่านั้นณเวลานี้ที่เป็นคู่แข่งของผลึกซิลิคอนในด้านค่าใช้จ่าย/วัตต์) ก็คือแคดเมียมมีพิษร้ายถึงตาย อีกประเด็นก็คือเทลลูเรียม (แอนไอออนคือ "เทลลูไรด์") เป็นโลหะที่ หายากมากในเปลือกโลก เซลล์ CdTe จึงไม่มีโอกาสที่จะมีบทบาทหลักในการแก้ปัญหาของการทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลในระยะยาว

แคดเมียมที่พบในเซลล์จะเป็นพิษถ้าปล่อยออกไป อย่างไรก็ตามการปล่อยจะเป็นไปไม่ได้ในระหว่างการดำเนินงานปกติของเซลล์และไม่น่าเป็นไปได้ในระหว่างที่เกิดเพลิงไหม้บนหลังคาของที่อยู่อาศัย[28] หนึ่งตารางเมตรของ CdTe มีประมาณจำนวนเดียวกันของ Cd เป็น C เซลล์แบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมเดียว ในเสถียรภาพมากกว่าและรูปแบบที่ละลายน้ำได้น้อยกว่า[29]

คอปเปอร์อินเดียมแกลเลียม selenide[แก้]

บทความหลัก: Copper indium gallium selenide solar cell

คอปเปอร์อินเดียมแกลเลียม selenide (CIGS) เป็นวัสดุช่องว่างแถบโดยตรง มันมีประสิทธิภาพสูงสุด (~ 20%) ในหมู่วัสดุฟิล์มบางทั้งหลาย (ดูเซลล์แสงอาทิตย์ CIGS ) วิธีการดั้งเดิมของการผลิตจะเกี่ยวข้องกับกระบวนการสูญญากาศรวมทั้งการระเหยร่วมและการสปัตเตอร์ ความคืบหน้าล่าสุดที่ IBM และ Nanosolar ที่พยายามที่จะลดค่าใช้จ่ายโดยการใช้กระบวนการแก้ปัญหา ที่ไม่ใช้สูญญากาศ

เซลล์ฟิล์มบาง GaAs[แก้]

มหาวิทยาลัยเนเมเกนดัตช์ Radboud ได้สร้างสถิติสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ฟิล์มบาง ที่มีประสิทธิภาพดัวยการใช้ GaAs ทางเชื่อมเดี่ยวไว้ที่ 25.8% ในเดือนสิงหาคม 2008 โดยใช้ชั้น GaAs หนาเพียง 4 ไมโครเมตรเท่านั้นซึ่งสามารถย้ายจากฐานเวเฟอร์ไปเป็นกระจกหรือฟิล์มพลาสติก เมื่อเร็ว ๆ นี้ สถิตินี้ได้รับการเพิ่มขึ้นเป็น 28.8%[30] ประสิทธิภาพสูงที่ได้รับในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบาง GaAs มีสาเหตุมาจากการเจริญเติบโตของการ epitaxy ของ GaAs ที่มีคุณภาพสูงอย่างมาก, การทำ passivation ที่พื้นผิวโดย AlGaAs[31] และส่งเสริมการรีไซเคิลโฟตอนโดยการออกแบบฟิล์มบาง[32]

ฟิล์มบางซิลิคอน[แก้]

เซลล์ชนิดฟิล์มบางซิลิกอนตามหลักจะถูกสะสมโดยการสะสมไอทางเคมี(เช่นส่วนขยายพลาสมา หรือ PE- CVD ) จากก๊าซไซเลนและก๊าซไฮโดรเจน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์การสะสม สิ่งนี้ สามารถให้ผลผลิตต่อไปนี้[33]

  1. ซิลิกอนอสัณฐาน (a-Si หรือ a-Si:H)
  2. ซิลิกอน Protocrystalline หรือ
  3. ผลึกนาโนซิลิคอน (nc -Si หรือ nc-Si:H) หรือเรียกว่า microcrystalline ซิลิกอน

มีการพบว่า ซิลิกอน protocrystalline ที่มีผลึกนาโนซิลิคอนในปริมาณต่ำจะดีที่สุดสำหรับแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดสูง[34] ชนิดของซิลิกอนเหล่านี้ปรากฏว่าให้การผูกพันกันที่ห้อยลงมาและปิดไปมาซึ่งจะส่งผลในข้อบกพร่องที่ลึก (ระดับพลังงานใน bandgap) เช่นเดียวกับการสลายตัวของแบนด์ที่เป็น valence และการนำกระแส (แบนด์ปลาย) เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากวัสดุเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานต่ำกว่าก้อนซิลิกอน แต่ก็มี ราคาไม่แพงในการผลิต ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบางยังต่ำอันเนื่องมาจากจำนวนที่ลดลงของตัวขนส่งประจุต่อโฟตอนที่ตกกระทบ

เซลล์แสงอาทิตย์ซิลิกอนอสัณฐาน (a-Si)ถูกทำจากซิลิกอนอสัณฐานหรือ microcrystalline silicon และโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานคือ p-i-n junction. a-Si เป็นที่น่าสนใจที่นำถูกนำมาใช้เป็นวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ เพราะเป็นวัสดุที่อุดมสมบูรณ์ และปลอดสารพิษ (ไม่เหมือน CdTe เพื่อนของมัน) และใช้อุณหภูมิในการผลิตต่ำ ทำให้การผลิตอุปกรณ์สามารถทำได้บนพื้นผิวที่มีความยืดหยุ่นและค่าใช้จ่ายต่ำ เนื่องจากโครงสร้างอสัณฐานมีอัตราการดูดซึมของแสงที่สูงกว่าเซลล์ผลึก crystalline คลื่นแสงที่สมบูรณ์สามารถถูกดูดซึมด้วยชั้นบางมากๆของวัสดุที่ใช้งานเปลี่ยนแสงให้เป็นไฟฟ้า ฟิล์มที่หนาเพียง 1 ไมโครเมตรจะสามารถดูดซับ 90% ของ พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้งานได้[35] สิ่งนี้จะช่วยลดความต้องการใช้วัสดุลง พร้อมๆกับ เทคโนโลยีปัจจุบันที่มีความสามารถในการเก็บสะสมของ a-Si ด้วยพื้นที่ขนาดใหญ่, ขนาดของการนำไปใช้งานสำหรับเซลล์ประเภทนี้อยู่ในระดับสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมันเป็นอสัณฐาน มันจึงมีความผิดปกติตามธรรมชาติและการผูกพันแบบห้อยอยู่สูง ทำให้มันเป็นตัวนำที่ไม่ดีสำหรับต้วขนส่งประจุไฟฟ้า การผูกพันแบบห้อยนี้ทำหน้าที่เป็นศูนย์รวมตัวกันใหม่ที่ลดอายุการใช้งานของตัวขนส่งอย่างรุนแรงและยึดติดระดับ Fermi level เพื่อให้การโดปวัสดุให้เป็น n-type หรือ p-type เป็นไปไม่ได้ Amorphous Silicon ยังทนทุกข์ทรมานจาก Staebler-Wronski effect ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอนอสัณฐานลดลงเมื่อเซลล์สัมผัสกับแสง การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์แบบ a-Si ฟิล์มบางจะใช้กระจกเป็นพื้นผิวและฝังชั้นบางมากๆของซิลิกอนโดยวิธี plasma-enhanced chemical vapor deposition ( PECVD ) หลายผู้ผลิต a-Si กำลังทำงานเพื่อลดค่าใช้จ่ายต่อวัตต์และเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงให้สูงด้วยการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเซลล์แสงอาทิตย์ multijunction เพื่อทำแผงเซลล์แสงอาทิตย์ บริษ้ท Anwell เทคโนโลยี จำกัด เพิ่งประกาศเป้าหมายสำหรับ PECVD แบบ multi-substrate-multi-chamber เพื่อลดค่าใช้จ่ายลงที่ US 0.50$ ต่อวัตต์[36]

ซิลิกอนอสัณฐานมี bandgap ที่ (1.7 eV) สูงกว่าผลึกซิลิคอน (c -Si) ที่ (1.1 eV) ซึ่งหมายความว่ามันดูดซับส่วนที่มองเห็นด้วยตาเปล่าของสเปกตรัมแสงอาทิตย์ได้รุนแรงกว่าส่วนของคลื่นอินฟราเรด เนื่องจาก nc-Si มี bandgap ประมาณเดียวกับ c-Si, nc -Si และ a-Si สามารถถูกนำมารวมกันในชั้นบางๆ, ซึ่งเป็นการสร้างเซลล์ชั้นๆที่เรียกว่าแทนเดมเซลล์ เซลล์ ด้านบนที่เป็น a-Si จะดูดซับแสงที่มองเห็น ส่วนเซลล์ด้านล่างที่เป็น nc-Si จะดูดซึมคลื่นอินฟราเรด

เร็วๆนี้ การแก้ปัญหาหลายอย่างที่จะเอาชนะข้อจำกัดของซิลิกอนผลึกฟิล์มบางได้รับการพัฒนาขึน แผนการดักจับแสงที่มีความยาวคลื่นที่ยาวและถูกดูดซึมได้น้อยจะถูกจับคู่อ้อมๆลงในซิลิกอนและลัดเลาะฟิล์มหลายต่อหลายครั้งจะสามารถเพิ่มการดูดซึมของแสงแดดอย่างมีนัยสำคัญในฟิล์มซิลิคอนบาง[37] การลดพื้นสัมผัสด้านบนสุดของผิวหน้าเซลล์เป็นวิธีการหนึ่งเพื่อลดการสูญเสียแสง วิธีนี้มีจุดมุ่งหมายที่จะลดพื้นที่ที่ถูกปกคลุมเหนือเซลล์เพื่อยอมให้มีแสงส่องลงในเซลล์ให้มากที่สุด การเคลือบป้องกันการสะท้อนแสงยังสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการสร้างการรบกวนที่ไม่สร้างสรรค์ภายในเซลล์ ซึ่งสามารถทำได้โดยการปรับเปลี่ยนดัชนีหักเหของการเคลือบพื้นผิวหน้า ถ้าการรบกวนที่ไม่สร้างสรรค์เกิดขึ้น จะไม่มีการสะท้อนคลื่นแสงและทำให้แสงทั้งหมดจะถูกส่งเข้าไปในเซลล์เซมิคอนดักเตอร์ การจัดองค์ประกอบพื้นผิวเป็นอีกตัวเลือกหนึ่ง แต่อาจจะทำงานได้น้อยกว่า เพราะมันยังเพิ่ม ราคาการผลิตอีกด้วย โดยการจัดองค์ประกอบใหกับพื้นผิวของเซลล์แสงอาทิตย์ แสงที่สะท้อนสามารถหักเหเข้าไปในพื้นผิว ซึ่งลดแสงที่จะสะท้อนออก การดักแสงด้วยวิธีอื่นจะช่วยในการลด ความหนาโดยรวมของอุปกรณ์; ความยาวของเส้นทางที่แสงจะเดินทางจะยาวกว่าความหนาของ อุปกรณ์มาก สิ่งนี้สามารถทำได้โดยการเพิ่มตัวสะท้อนกลับให้กับอุปกรณ์ เช่นเดียวกับการจัดองค์ประกอบพื้นผิว ถ้าพื้นผิวทั้งด้านหน้าและด้านหลังของอุปกรณ์ตรงตามเกณฑ์ แสงจะ 'ติดกับ ' เนื่องจากไม่มีเส้นทางออกเนื่องจากการหักเหภายใน เทคนิคการการผลิตด้วยความร้อนสามารถเพิ่มคุณภาพอย่างมีนัยสำคัญของผลึกซิลิกอน และจะนำไปสู่​​ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นของเซลล์แสงอาทิตย์ขั้นสุดท้าย[38] ความก้าวหน้าต่อไปเพื่อเข้าสู่การพิจารณาด้านเรขาคณิตในการสร้างอุปกรณ์จะสามารถใช้ประโยชน์จากมิติของวัสดุนาโน การสร้างอาร์เรย์เส้นลวดนาโนแบบขนานที่มีขนาดใหญ่ช่วยให้เกิดการดูดซึมตามความยาวของสายไฟในขณะที่ยังคงรักษาตัวขนส่งส่วนน้อยความยาวสั้นไปตามทิศทางของรัศมี การเพิ่มอนุภาคนาโนระหว่างสายไฟนาโนจะช่วยให้เกิดกระแสไหลผ่านอุปกรณ์ เป็นเพราะรูปทรงเรขาคณิตตามธรรมชาติของอาร์เรย์ เหล่านั้น พื้นผิวที่ถูกปรับแต่งจะขึ้นรูปตามธรรมชาติซึ่งจะช่วยให้เก็บกักแสงได้มากขึ้น ประโยชน์ต่อไปของรูปทรงเรขาคณิตนี้ก็คือว่าอุปกรณ์ประเภทนี้จะใช้วัสดุประมาณ 100 เท่าน้อยกว่าวัสดุอุปกรณ์ที่ทำด้วยเวเฟอร์ตามปกติ

เซลล์ Multijunction[แก้]

บทความหลัก: Multijunction photovoltaic cell

เซลล์ multijunction ประสิทธิภาพสูงแต่เดิมถูกพัฒนามาสำหรับการใช้งานพิเศษ เช่นดาวเทียม และสำรวจอวกาศ แต่ยังถูกนำมาใช้ในขณะนี้อย่างมีประสิทธิภาพกับสถานีรวมพลังงานแสงอาทิตย์ในแนวพื้นโลก เซลล์ Multijunction ประกอบด้วยหลายๆฟิล์มบาง แต่ละเซลล์แสงอาทิตย์ติดตั้งซ้อนๆกัน มักจะใช้ขั้นตอน metalorganic vapour phase epitaxy ยกตัวอย่างเช่นเซลล์สามทางเชื่อมอาจประกอบด้วยเซมิคอนดักเตอร์เช่น GaAs, Ge และ GaInP2[39] แต่ละชนิดของสารกึ่งตัวนำจะมีลักษณะสมบัติเกียวกับพลังงานช่องว่างแถบซึ่งพูดง่ายๆว่าทำให้มันสามารถดูดซับแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุดในสีบางสี หรือพูดให้แม่นยำมากขึ้นเพื่อดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าบนส่วนหนึ่งของสเปกตรัม การผสมกันของหลายเซมิคอนดักเตอร์จะเลือกสรรเพื่อดูดซับอย่างมีประสิทธิภาพส่วนใหญ่ของสเปกตรัมแสงอาทิตย์ จึงสร้างกระแสไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

อุปกรณ์ multijunction ที่ทำจาก GaAs เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในปัจจุบัน เมื่อ 15 ตุลาคม 2012, เซลล์ metamorphic สามทางเชื่อมสามารถสร้างสถิติทำได้ถึง 44%[40]

เซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดมที่ทำจาก monolithic ต่ออนุกรมกับ gallium indium phosphide (GaInP), gallium arsenide GaAs, และ germanium Ge p–n junctions จะเห็นความต้องการในตลาดเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว[41] ระหว่าง ธันวาคม 2006 ถึงธันวาคม 2007 ค่าใช้จ่ายของโลหะ 4N แกลเลียมเพิ่มขึ้นจากประมาณ $350 ต่อกิโลกรัมไปเป็น $680 ต่อกิโลกรัม นอกจากนี้ราคาโลหะเจอร์เมเนียมได้เพิ่มขึ้นอย่างมาก ถึง $1000-1200 ต่อกิโลกรัมในปีนี้ วัสดุเหล่านั้นรวมถึงแกลเลียม (4N, 6N และ 7N Ga), สารหนู (4N, 6N และ 7N ) และ เจอร์เมเนียม, pyrolitic boron nitride (PBN) ทดลองสำหรับปลูกผลึกและ โบรอน ออกไซด์ ผลิตภัณฑ์เหล่านี้มีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมการผลิตสารตั้งต้นทั้งหมด

เซลล์แสงอาทิตย์สามทางเชื่อมที่ทำด้วย GaAs ยังถูกนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับของDutch four-time World Solar Challenge winners Nuna ในปี 2003, 2005 and 2007, และโดย the Dutch solar cars Solutra (2005), Twente One (2007) and 21Revolution (2009).

หัวข้อการวิจัยที่เกิดขึ้นใหม่และเทคโนโลยียุคก่อนอุตสาหกรรมของเซลล์แสงอาทิตย์[แก้]

สีที่ดูดซับแสง (DSSC)[แก้]

บทความหลัก: Dye-sensitized solar cells

เซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสี (DSSC) ทำจากวัสดุราคาถูกและไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อนในการผลิต ดังนั้นมันจึงสามารถที่จะทำในรูปแบบ DIY ได้ อาจจะอนุญาตให้ผู้เล่นในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ประเภทนี้ได้มากกว่าประเภทอื่นๆ ในการผลิตเป็นจำนวนมาก มันควรจะมีราคาถูกอย่างมีนัยสำคัญหรือแพงน้อยกว่าการออกแบบเซลล์โซลิดสเตทแบบเก่า DSSC สามารถออกแบบให้เป็นแผ่นยืดหยุ่น และถึงแม้จะมีประสิทธิภาพการแปลงน้อยกว่าเซลล์ฟิล์มบางที่ดีที่สุดก็ตาม อัตราส่วนราคา/ประสิทธิภาพของมันควรจะสูงพอที่จะช่วยให้พวกมันสามารถแข่งขันกับการผลิตไฟฟ้าด้วยเชื้อเพลิงฟอสซิล

โดยปกติ สีย้อม metalorganic รูทีเนียม (Ru ศูนย์กลาง)ถูกใช้เป็น monolayer ของวัสดุที่ดูดซับแสง เซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสีขึ้นอยู่กับชั้น mesoporous ของ อนุภาคนาโน ไทเทเนียมไดออกไซด์ เพื่อขยายพื้นที่ผิวอย่างมาก (200-300 m2/g TiO2 เมื่อเทียบกับประมาณ 10 m2/g ของผลึกเดี่ยวแบน) อิเล็กตรอนที่ถูกสร้างขึ้นจากแสงจากสีย้อมดูดซับแสงถูกส่งต่อไปยัง TiO2 n-type และโฮลจะถูกดูดซึมโดยอิเล็กโทรไลท์ในอีกด้านหนึ่งของสีย้อม วงจรจะสมบูรณ์โดยคู่รีดอกซ์ในอิเล็กโทรไลท์ซึ่งอาจจะเป็นของเหลวหรือของแข็งก็ได้ เซลล์ชนิดนี้จะช่วยให้การใช้วัสดุที่มีความยืดหยุ่นมากยิ่งขึ้นและโดยทั่วไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่ถูกผลิตโดยการพิมพ์หน้าจอ หรือการใช้หัวฉีดอัลตร้าโซนิค ด้วยศักยภาพสำหรับค่าใช้จ่ายในการผลิตที่ต่ำกว่าที่ใช้สำหรับผลิตเซลล์แสงอาทิตย์จำนวนมาก อย่างไรก็ตาม สีในเซลล์เหล่านี้ยังประสบตวามลำบากจากการย่อยสลายภายใต้ความร้อนและแสง UV และการทำกล่องใส่เซลล์ถือเป็นเรื่องยากในการปิดผนึกเนื่องจากตัวทำละลายที่ใช้ในการประกอบ ทั้งๆที่เป็นดังกล่าวข้างต้น สิ่งนี้เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่นิยมกับบางผลกระทบเชิงพาณิชย์ที่คาดการณ์ภายในทศวรรษนี้ การจัดส่งเชิงพาณิชย์ครั้งแรก ของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ DSSC ได้เกิดขึ้นในเดือนกรกฎาคม ปี 2009 จากนวัตกรรม G24i[42]

เซลล์แสงอาทิตย์จุดควอนตัม (QDSCs)[แก้]

บทความหลัก: Quantum dot solar cell

เซลล์แสงอาทิตย์จุดควอนตัม (QDSCs) จะขึ้นอยู่กับเซลล์ Grätzel หรือ เซลล์แสงอาทิตย์ไวต่อสี มีสถาปัตยกรรมแต่ใช้อนุภาคนาโนเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างแถบต่ำ ประดิษฐ์ด้วยผลึกขนาดเล็กที่พวกมันสร้างรูปแบบเป็นจุดควอนตัม (เช่น CdS, CdSe, Sb2S3, PbS, ฯลฯ) แทนที่จะใช้สีย้อมอินทรีย์หรือสี organometallic เป็นตัวซึมซับแสง จุดควอนตัม (QDs) ได้ดึงดูดความสนใจมากเพราะคุณสมบัติที่ไม่เหมือนใคร การ quantization ขนาดของมันช่วยให้ช่องว่างแถบ ที่ได้รับการปรับจูนโดยเพียงแค่เปลี่ยนขนาดของอนุภาค มันยังมีค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียที่สูงและได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการผลิตหลาย exciton[43]

ใน QDSC ชั้น mesoporous ของอนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์สร้างรูปเป็นกระดูกสันหลัง ของเซลล์ เหมือนใน DSSC มาก แล้วขั้น TiO2 นี้จะสามารถถูกทำเป็น photoactive โดยการเคลือบด้วยจุดควอนตัมของสารกึ่งตัวนำที่ใช้การสะสมแบบอาบสารเคมี, การสะสมแบบ electrophoretic หรือการดูดซับชั้นอิออนที่ต่อเนื่องและการทำปฏิกิริยา แล้ววงจรไฟฟ้าจะสมบูรณ์ผ่านการใช้คู่รีดอกซ์ที่เป็นของเหลวหรือของแข็ง ในช่วง 3-4 ปีที่ผ่านมา ประสิทธิภาพของ QDSCs ได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว[44] ด้วยประสิทธิภาพมากกว่า 5% แสดงให้เห็นทั้งทางเชื่อมของเหลว[45] และเซลล์สถานะของแข็ง[46] ในความพยายามที่จะลดต้นทุนการผลิตของอุปกรณ์เหล่านี้, กลุ่มวิจัย Prashant Kamat [47] เมื่อเร็วๆนี้ แสดงให้เห็นถึงสีแสงอาทิตย์ที่ทำด้วย TiO2 และ CdSe ที่สามารถนำไปใช้โดยการใช้วิธีการขั้นตอนเดียวโดยใข้กับพื้นผิวตัวนำ ใดๆ และได้แสดงให้เห็นประสิทธิภาพกว่า 1%[48]

เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์/โพลิเมอร์[แก้]

บทความหลัก : Organic solar cell and Polymer solar cell

เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์เป็นเทคโนโลยีที่ค่อนข้างใหม่ ซึ่งอาจจะมีสัญญาณของการลดราคาอย่างมาก เซลล์เหล่านี้สามารถถูกผลิตจากสารละลายของเหลว จึงเป็นไปได้ของกระบวนการพิมพ์ม้วนต่อม้วนที่ง่าย มีศักยภาพที่นำไปสู่การผลิตขนาดใหญ่ที่ราคาไม่แพง นอกจากนี้ เซลล์เหล่านี้จะเป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานบางอย่างที่ความยืดหยุ่นทางกลไกและสามารถทิ้งได้มีความสำคัญ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของเซลล์ในปัจจุบันมีต่ำมากและอุปกรณ์ในทางปฏิบัติยังไม่มีอยู่จริง

เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์และเซลล์แสงอาทิตย์พอลิเมอถูกสร้างขึ้นจากฟิล์มบาง (ปกติ 100 นาโนเมตร) ของสารกึ่งตัวนำอินทรีย์รวมทั้งโพลีเมอ เช่น polyphenylene vinylene และสาร โมเลกุลขนาดเล็ก เช่น copper phthalocyanine (เม็ดสีอินทรีย์สีฟ้าหรือสีเขียว) และ คาร์บอน ฟูลเลอรี และอนุพันธ์ fullerene เช่น PCBM การแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพที่ประสบความสำเร็จในวันนี้จะใช้โพลีเมอร์ที่นำไฟฟ้าต่ำมากเมื่อเทียบกับวัสดุอนินทรีย์ อย่างไรก็ตาม การปรับปรุงที่ผ่านมาได้นำไปสู่ ​​NREL (ห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติ) ที่ประสิทธิภาพ ได้รับการรับรองที่ 8.3% สำหรับ Konarka Power Plastic[49] และเซลล์ แทนเดมอินทรีย์ในปี 2012 ได้ถึง 11.1%


พื้นที่ที่ใช้งานของอุปกรณ์อินทรีย์ประกอบด้วยสองวัสดุ วัสดุหนึ่งทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนและอีกตัวเป็นผู้รับ เมื่อโฟตอนถูกแปลงเป็นคู่อิเล็กตรอนกับโฮล (เช่นในวัสดุผู้บริจาค), ที่แตกต่างจากเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดอื่นส่วนใหญ่, ประจุทั้งหลายมีแนวโน้มที่จะยังคง ผูกพันในรูปแบบของ exciton และถูกแยกออกจากกัน เมื่อ exciton กระจายไปยังอินเตอร์เฟซของผู้บริจาค-ผู้รับ ความยาวการแพร่ exciton ที่สั้นของระบบพอลิเมอร์ส่วนใหญ่มักจะจำกัด ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ดังกล่าว อินเตอร์เฟซโครงสร้างนาโน บางครั้งอยู่ในรูปของกลุ่ม heterojunctions ที่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้[50]

ในปี 2011 นักวิจัยที่ Massachusetts Institute of Technology และ มหาวิทยาลัยรัฐมิชิแกน ได้พัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์โปร่งใสตัวแรกที่มีประสิทธิภาพสูงที่มีประสิทธิภาพพลังงานใกล้เคียงกับ 2% ด้วยความโปร่งใสให้กับสายตาของคนมากกว่า 65% ประสบความสำเร็จโดยการเลือก การดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตและส่วนใกล้อินฟราเรดของสเปกตรัมด้วยสารโมเลกุลขนาดเล็ก[51][52] นักวิจัยที่ UCLA เมื่อเร็วๆนี้ได้พัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำด้วยวัสดุเหมือนพอลิเมอร์ ต่อด้วยวิธีการเดียวกัน นั่นคือ 70% โปร่งใสและมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน 4%[53] เร็ว ๆ นี้ ข้อจำกัดของประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ทั้งแบบทึบแสงและโปร่งใสได้ถูกระบุไว้[54][55] เซลล์ที่มีความยืดหยุ่นและน้ำหนักเบาเหล่านี้สามารถผลิตได้ในจำนวนมากด้วยต้นทุนต่ำและสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างหน้าต่างพลังงานไฟฟ้า

ในปี 2013 นักวิจัยประกาศเซลล์พอลิเมอร์ที่มีประสิทธิภาพราว 3%[56][57] พวกเขาใช้วัสดุอินทรีย์พอลิเมอร์สี่เหลี่ยมประกอบตัวเองได้ที่จัดวางตัวเองลงในชั้นๆที่แตกต่างกัน งานวิจัยที่ตั้งเป้าไปที่ P3HT-b-PFTBT ที่แยกออกเป็นหลายแถบ กว้างราว 16 นาโนเมตร

การผลิต[แก้]

เครื่องคิดเลขพลังงานแสงอาทิตย์ในช่วงต้น

เนื่องจากเซลล์แสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ พวกมันจึงแบ่งปันบางส่วนของการประมวลผลและเทคนิคการผลิตเช่นเดียวกับอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำอื่นๆ เช่นคอมพิวเตอร์และหน่วยชิปความจำ อย่างไรก็ตาม ความต้องการที่เข้มงวดสำหรับความสะอาดและการควบคุมคุณภาพของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ได้มีความผ่อนคลายมากขึ้นสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ โรงงาน เซลล์แสงอาทิตย์ในเชิงพานิชย์ขนาดใหญ่ในวันนี้ส่วนใหญ่ผลิตเซลล์แสงอาทิตย์แบบ poly-crystalline พิมพ์หน้าจอหรือหรือแบบผลึกซิลิกอนเดียว

เวเฟอร์ซิลิกอน poly-crystalline ถูกผลิตโดยก้อนซิลิกอนหล่อขึ้นรูปแล้วเลื่อยออกด้วยสายโลหะเพื่อให้ได้แผ่นเวเฟอร์บางมากๆ (180 ถึง 350 ไมโครเมตร) แผ่นเวเฟอร์มักจะถูกโดปให้เป็นสาร p-type เล็กน้อย ในการทำเซลล์แสงอาทิตย์จากแผ่นเวเฟอร์ การกระจายของพื้นผิวของ ตัวที่จะถูกโดปให้เป็น n-type จะถูกดำเนินการบนด้านหน้าของเวเฟอร์ การนี้จะสร้างรูป p-n junction ขึ้นไม่กี่ร้อยนาโนเมตรใต้พื้นผิว

การเคลือบป้องกันการสะท้อนเพื่อเพิ่มปริมาณของแสงเข้าไปในเซลล์แสงอาทิตย์มักจะถูกทำขึ้นต่อจากนั้น ซิลิกอนไนไตรด์ได้ค่อยๆแทนที่ไทเทเนียมไดออกไซด์เพื่อเป็นสารเคลือบผิวป้องกันแสงสะท้อน เพราะว่าคุณภาพที่ยอดเยี่ยมของมันในการเคลือบผิว มันจะป้องกันไม่ให้ตัวขนส่งรวมตัวกันอีกที่พื้นผิวของเซลล์แสงอาทิตย์ มันมักจะถูกนำมาใช้อยู่ในชั้นหนาหลายร้อยนาโนเมตร โดยใช้การสะสมไอเคมีแบบพลาสมา (PECVD) บางเซลล์แสงอาทิตย์มีการปรับพื้นผิวด้านหน้าเหมือนการเคลือบป้องกันแสงสะท้อนเพื่อเพิ่มปริมาณของแสงลงในเซลล์ พื้นผิวดังกล่าวจะสามารถเกิดขึ้นในซิลิกอนผลึกเดี่ยวเท่านั้น แต่ในปีที่ผ่านมาวิธีการของการขึ้นรูปบนซิลิคอน multicrystalline ได้รับการพัฒนาขึ้น

ต่อมาเวเฟอร์จะมีหน้าสัมผัสโลหะเต็มพื้นที่ถูกทำขึ้นบนพื้นผิวด้านหลังและหน้าสัมผ้สที่มีรูปร่างคล้ายตารางโลหะที่ทำขึ้นจาก "นิ้วมือ" ดีและ"บัสบาร์"ขนาดใหญ่จะถูกพิมพ์ลงบนผิวหน้าโดยใช้ โลหะเงินป้าย หน้าสัมผ้สด้านหลังยังถูกขึ้นรูปโดยการพิมพ์ด้วยโลหะเช่นอะลูมิเนียม ปกติหน้าสัมผ้สนี้จะครอบคลุมตลอดทั้งด้านหลังของเซลล์ แม้ว่าในการออกแบบเซลล์บางครั้งมันจะถูกพิมพ์ในรูปแบบตาราง แล้วการป้ายจะถูกยิงที่หลายร้อยองศาเซลเซียสเพื่อขึ้นรูปให้เป็นขั้วไฟฟ้าโลหะหน้าสำมผ้ส ohmic ด้วยซิลิกอน บางบริษัทใช้ขั้นตอนการชุบไฟฟ้าเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์ หลังจากหน้าสัมผัสโลหะถูกทำเสร็จแล้ว เซลล์แสงอาทิตย์จะเชื่อมต่อกันกับสายไฟแบนหรือริบบิ้นโลหะและประกอบเป็นโมดูลหรือ"แผงเซลล์แสงอาทิตย์" แผงเซลล์แสงอาทิตย์จะมีแผ่นกระจกด้านหน้าและที่ห่อหุ้มทำจากพอลิเมอร์ที่ด้านหลัง

ผู้ผลิตและการรับรอง[แก้]

ห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติจะทำการทดสอบเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ มีสาม การรับรองที่เชื่อถือได้ของอุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์ ได้แก่ UL และ IEEE (ทั้งสองเป็น มาตรฐานของสหรัฐอเมริกา) และ IEC มีบริษัทเซลล์แสงอาทิตย์มากมายทั่วโลก ดูรายชื่อของ บริษัท photovoltaics เรียงตามประเทศและการจัดอันดับ

เซลล์แสงอาทิตย์เป็นผลิตภัณฑ์ที่ผลิตส่วนใหญ่ในประเทศญี่ปุ่น, เยอรมนี, จีนแผ่นดินใหญ่, ไต้หวัน, มาเลเซียและสหรัฐอเมริกา ในขณะที่ยุโรป, จีน, สหรัฐและ ญี่ปุ่นมีการครอบงำ (94% หรือมากกว่าเมือปี 2013) ในระบบที่ติดตั้งแล้วสำหรับทศวรรษที่ผ่านมา[58] อย่างไรก็ตาม ในประเทศอื่นๆอีกมากจะมีหรือกำลังจะซื้อกำลังการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์อย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่เทคโนโลยีกำลังมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องไปสู่​​ประสิทธิภาพ ที่สูงขึ้น ในเซลล์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับค่าใช้จ่ายต่ำในการผลิตไฟฟ้า ไม่จำเป็นต้องเป็นผู้ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด แต่เป็นผู้ที่มีความสมดุลระหว่างการผลิตต้นทุนต่ำและมีประสิทธิภาพสูงพอที่จะลดความสมดุลของพื้นที่ที่เกี่ยวข้องกับค่าใช้จ่ายของระบบ จริงๆแล้ว บริษัทเหล่านั้นที่มีเทคโนโลยีการผลิตขนาดใหญ่ในการเคลือบผิวพื้นผิวที่มีราคาไม่แพงอาจจะเป็นผู้ผลิตไฟฟ้าสุทธิมีค่าใช้จ่ายต่ำสุด แม้จะมีประสิทธิภาพของเซลล์ที่ต่ำกว่าของเทคโนโลยี คริสตัลเดียว

การผลิตเซลล์/โมดูลแสงอาทิตย์ทั่วโลกเพิ่มขึ้น 10% ในปี 2012 แม้จะมีการลดลง 9% ในการลงทุนพลังงานแสงอาทิตย์ตามรายงานประจำปีสถานะ PV "ที่ออกโดยศูนย์การวิจัยร่วมคณะกรรมาธิการยุโรป" ตั้งแต่ 2009 การผลิตเซลล์ได้เพิ่มขึ้นสี่เท่า[59][60][61]

ประเทศจีน[แก้]

สาเหตุหลักมาจากการลงทุนของรัฐบาลอย่างหนัก จีนมีบทบาทที่สำคัญที่สุดในการเปลี่ยนโฉมหน้าของการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ในหลายปีที่ผ่านมา บริษัทจีนได้ผลิตเซลล์/โมดูลแสงอาทิตย์ด้วยความจุของ ~23 GW ใน 2013 (60% ของการผลิตทั่วโลก)[62]

ประเทศสหรัฐอเมริกา[แก้]

บทความหลัก: Photovoltaics in the United States

การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ในสหรัฐอเมริกาได้รับความเดือดร้อนอันเนื่องมาจากวิกฤตการเงินโลก แต่ตอนนี้กำลังเพิ่มขึ้น ส่วนหนึ่งเนื่องจากราคาที่ลดลงฮวบฮาบของซิลิกอนคุณภาพดี[63][64]

ดูเพิ่ม[แก้]

  • Anomalous photovoltaic effect
  • Autonomous building
  • Black silicon
  • Energy development
  • Electromotive force (Solar cell)
  • Flexible substrate
  • Green technology
  • Inkjet solar cell
  • List of solar cell manufacturers
  • Metallurgical grade silicon
  • Microgeneration
  • Maximum power point tracking
  • Nanoflake
  • Photovoltaics
  • p–n junction
  • Plasmonic solar cell
  • Printed electronics
  • Quantum efficiency
  • พลังงานทดแทน
  • Roll-to-roll processing
  • Shockley-Queisser limit
  • Solar module quality assurance
  • Solar roof
  • Solar shingles
  • Solar tracker
  • Spectrophotometry
  • Solar Energy Materials and Solar Cells (journal)
  • Sunlight Solar Energy
  • Theory of solar cell
  • Thermophotovoltaics

อ้างอิง[แก้]

  1. ปรากฏการณ์ที่รอยต่อพี-เอ็น เมื่อได้รับแสงจะเกิด อิเลกตรอนและโฮลอิสระขึ้น ซึ่งแรงดันภายในพี-เอ็นจะทำให้ประจุอิเลกตรอนและโฮลที่เกิดขึ้นแยกตัวออกจากกัน ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตขึ้นที่ปลายทั้ง2 ของรอยต่อพี-เอ็น [วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี]
  2. Alfred Smee (1849). Elements of electro-biology,: or the voltaic mechanism of man; of electro-pathology, especially of the nervous system; and of electro-therapeutics. London: Longman, Brown, Green, and Longmans. p. 15.
  3. Peter Gevorkian (1 August 2007). Sustainable energy systems engineering: the complete green building design resource. McGraw-Hill Professional. pp. 498–. ISBN 978-0-07-147359-0. Retrieved 29 February 2012.
  4. "The Nobel Prize in Physics 1921: Albert Einstein", Nobel Prize official page
  5. "Light sensitive device" U.S. Patent 2,402,662 Issue date: June 1946
  6. K. A. Tsokos, "Physics for the IB Diploma", Fifth edition, Cambridge University Press, Cambridge, 2008, ISBN 0-521-70820-6
  7. Perlin, John (2004). "The Silicon Solar Cell Turns 50". National Renewable Energy Laboratory. Retrieved 5 October 2010.
  8. Perlin (1999) p. 50
  9. Solar Stocks: Does the Punishment Fit the Crime? (FSLR, SPWRA, STP, JASO, TSL, LDK, TAN) – 24/7 Wall St. 24/7 Wall St. (2011-10-06). Retrieved on 2012-01-03.
  10. Parkinson, Giles. "Plunging Cost Of Solar PV (Graphs)". Clean Technica. Retrieved 18 May 2013.
  11. [เซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Cell)], การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย
  12. PV Status 2010, PV Status 2010.
  13. National Survey Report USA 2010, National Survey Report USA 2010.
  14. "T.Bazouni: What is the Fill Factor of a Solar Panel". Retrieved 2009-02-17.
  15. A. De Vos, "Detailed balance limit of the efficiency of tandem solar cells", Journal of Physics D: Applied Physics Volume 13, Issue 5 (14 May 1980), page 839-846 doi:10.1088/0022-3727/13/5/018
  16. "Solar cell hits new world record with 44.7 percent efficiency". Retrieved 2013-09-26.
  17. Solar Feed in Tariffs. Solarfeedintariff.net. Retrieved on 2011-01-19.
  18. N. Gupta, G. F. Alapatt, R. Podila, R. Singh, K.F. Poole, (2009). "Prospects of Nanostructure-Based Solar Cells for Manufacturing Future Generations of Photovoltaic Modules". International Journal of Photoenergy 2009: 1. doi:10.1155/2009/154059 .
  19. BP Global – Reports and publications – Going for grid parity at the Wayback Machine (archived June 8, 2011). Bp.com. Retrieved on 2011-01-19.
  20. BP Global – Reports and publications – Gaining on the grid. Bp.com. Retrieved on 2011-01-19.
  21. The Path to Grid Parity (Graphic)
  22. Wynn, Gerard (2007-10-19). "Solar power edges towards boom time". Reuters. Retrieved 2009-07-29.
  23. Solar industry celebrates grid parity, ABC News, Matt Peacock, staff,Wed Jun 20, 2012
  24. D.S. Kim, A.M. Gabor, V. Yelundur, A.D. Upadhyaya, V. Meemongkolkiat, A. Rohatgi (18 May 2003). "String ribbon silicon solar cells with 17.8% efficiency". Proceedings of 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 2003 2: 1293–1296. ISBN 4-9901816-0-3.
  25. Wayne McMillan, "The Cast Mono Dilemma", BT Imaging
  26. J. Pearce and A. Lau, "Net Energy Analysis For Sustainable Energy Production From Silicon Based Solar Cells", Proceedings of American Society of Mechanical Engineers Solar 2002: Sunrise on the Reliable Energy Economy, editor R. Cambell-Howe, 2002.
  27. Datasheets of the market leaders: First Solar for thin film, Suntech and SunPower for crystalline silicon
  28. Fthenakis, Vasilis M. (2004). "Life cycle impact analysis of cadmium in CdTe PV production" (PDF). Renewable and Sustainable Energy Reviews 8 (4): 303–334. doi:10.1016/j.rser.2003.12.001.
  29. Fthenakis, Vasilis M. (2004). "Life cycle impact analysis of cadmium in CdTe PV production" (PDF). Renewable and Sustainable Energy Reviews 8 (4): 303–334. doi:10.1016/j.rser.2003.12.001.
  30. Yablonovitch, Eli; Miller, Owen D.; Kurtz, S. R. (2012). "The opto-electronic physics that broke the efficiency limit in solar cells". 2012 38th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. p. 001556. doi:10.1109/PVSC.2012.6317891. ISBN 978-1-4673-0066-7.
  31. Schnitzer, I. et al. (1993). "Ultrahigh spontaneous emission quantum efficiency, 99.7% internally and 72% externally, from AlGaAs/GaAs/AlGaAs double heterostructures". Applied Physics Letters 62 (2): 131. doi:10.1063/1.109348.
  32. Wang, X. et al. (2013). "Design of GaAs Solar Cells Operating Close to the Shockley–Queisser Limit". IEEE Journal of Photovoltaics 3 (2): 737. doi:10.1109/JPHOTOV.2013.2241594.
  33. Collins, R; Ferlauto, A.S.; Ferreira, G.M.; Chen, Chi; Koh, Joohyun; Koval, R.J.; Lee, Yeeheng; Pearce, J.M. et al. (2003). "Evolution of microstructure and phase in amorphous, protocrystalline, and microcrystalline silicon studied by real time spectroscopic ellipsometry". Solar Energy Materials and Solar Cells 78 (1–4): 143. doi:10.1016/S0927-0248(02)00436-1.
  34. J. M. Pearce, N. Podraza, R. W. Collins, M.M. Al-Jassim, K.M. Jones, J. Deng, and C. R. Wronski (2007). "Optimization of Open-Circuit Voltage in Amorphous Silicon Solar Cells with Mixed Phase (Amorphous + Nanocrystalline) p-Type Contacts of Low Nanocrystalline Content". Journal of Applied Physics 101 (11): 114301. doi:10.1063/1.2714507.
  35. Photovoltaics. Engineering.Com (2007-07-09). Retrieved on 2011-01-19.
  36. "ANWELL produces its first solar panel". NextInsight. 2009-09-01.
  37. Widenborg, Per I.; Aberle, Armin G. (2007). "Polycrystalline Silicon Thin-Film Solar Cells on AIT-Textured Glass Superstrates". Advances in OptoElectronics 2007: 1. doi:10.1155/2007/24584.
  38. Terry, Mason L.; Straub, Axel; Inns, Daniel; Song, Dengyuan; Aberle, Armin G. (2005). "Large open-circuit voltage improvement by rapid thermal annealing of evaporated solid-phase-crystallized thin-film silicon solar cells on glass". Applied Physics Letters 86 (17): 172108. doi:10.1063/1.1921352.
  39. Triple-Junction Terrestrial Concentrator Solar Cells. (PDF) . Retrieved on 2012-01-03.
  40. [1]. Optics.org (2011-04-19). Retrieved on 2011-01-19.
  41. Oku, Takeo; Kumada, Kazuma; Suzuki, Atsushi; Kikuchi, Kenji (10 April 2012). "Effects of germanium addition to copper phthalocyanine/fullerene-based solar cells". Central European Journal of Engineering 2 (2): 248–252. doi:10.2478/s13531-011-0069-7.
  42. http://gcell.com/
  43. Semonin, O. E.; Luther, J. M.; Choi, S.; Chen, H.-Y.; Gao, J.; Nozik, A. J.; Beard, M. C. (2011). "Peak External Photocurrent Quantum Efficiency Exceeding 100% via MEG in a Quantum Dot Solar Cell". Science 334 (6062): 1530–3. doi:10.1126/science.1209845. PMID 22174246.
  44. Kamat, Prashant V. (2012). "Boosting the Efficiency of Quantum Dot Sensitized Solar Cells through Modulation of Interfacial Charge Transfer". Accounts of Chemical Research: 120411095315008. doi:10.1021/ar200315d.
  45. Santra, Pralay K.; Kamat, Prashant V. (2012). "Mn-Doped Quantum Dot Sensitized Solar Cells: A Strategy to Boost Efficiency over 5%". Journal of the American Chemical Society 134 (5): 2508–11. doi:10.1021/ja211224s. PMID 22280479.
  46. Moon, Soo-Jin; Itzhaik, Yafit; Yum, Jun-Ho; Zakeeruddin, Shaik M.; Hodes, Gary; GräTzel, Michael (2010). "Sb2S3-Based Mesoscopic Solar Cell using an Organic Hole Conductor". The Journal of Physical Chemistry Letters 1 (10): 1524. doi:10.1021/jz100308q.
  47. Solar Cell Research || The Prashant Kamat lab at the University of Notre Dame. Nd.edu (2007-02-22). Retrieved on 2012-05-17.
  48. Genovese, Matthew P.; Lightcap, Ian V.; Kamat, Prashant V. (2012). "Sun-BelievableSolar Paint. A Transformative One-Step Approach for Designing Nanocrystalline Solar Cells". ACS Nano 6 (1): 865–72. doi:10.1021/nn204381g. PMID 22147684.
  49. Konarka Power Plastic reaches 8.3% efficiency. pv-tech.org. Retrieved on 2011-05-07.
  50. Mayer, A et al. (2007). "Polymer-based solar cells". Materials Today 10 (11): 28. doi:10.1016/S1369-7021(07)70276-6.
  51. Lunt, Richard R.; Vladimir Bulović (2011). "Transparent, near-infrared organic photovoltaic solar cells for window and energy-scavenging applications". Appl. Phys. Lett. 98 (11).
  52. Rudolf, John Collins. "Transparent Photovoltaic Cells Turn Windows Into Solar Panels". green.blogs.nytimes.com.
  53. "UCLA Scientists Develop Transparent Solar Cell". Enviro-News.com. July 24, 2012.
  54. Lunt, Richard R.; Timothy P. Osedach, Patrick R. Brown, Jill A. Rowehl, Vladimir Bulović (2011). "Practical Roadmap and Limits to Nanostructured Photovoltaics". Adv. Mat. 23 (48): 5712–5727. doi:10.1002/adma.201103404.
  55. Lunt, Richard R. (2012). "Theoretical limits for visibly transparent photovoltaics". Appl. Phys. Lett. 101 (4).
  56. Guo, C.; Lin, Y. H.; Witman, M. D.; Smith, K. A.; Wang, C.; Hexemer, A.; Strzalka, J.; Gomez, E. D.; Verduzco, R. (2013). "Conjugated Block Copolymer Photovoltaics with near 3% Efficiency through Microphase Separation". Nano Letters 13 (6): 130522121011001. doi:10.1021/nl401420s. edit
  57. "Organic polymers create new class of solar energy devices". KurzweilAI. Retrieved 2013-06-01.
  58. http://iet.jrc.ec.europa.eu/remea/sites/remea/files/pv_status_report_2013.pdf
  59. http://iet.jrc.ec.europa.eu/remea/sites/remea/files/pv_status_report_2013.pdf
  60. http://ec.europa.eu/dgs/jrc/downloads/jrc_20130930_newsrelease_pv_status.pdf
  61. http://iet.jrc.ec.europa.eu/remea/pv-status-report-2013
  62. http://iet.jrc.ec.europa.eu/remea/sites/remea/files/pv_status_report_2013.pdf
  63. http://cleantechnica.com/2013/03/07/plunging-cost-of-solar-pv-graphs/
  64. http://www.downtoearth.org.in/content/falling-silicon-prices-shakes-solar-manufacturing-industry

แหล่งข้อมูลอื่น[แก้]