แผงโซลาร์เซลล์แผงแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นโดย Charles Fritts ในปี 1883 โดยการเคลือบซีลีเนียมชั้นบาง ๆ ด้วยชั้นทองคำที่บางมาก ซึ่งมีประสิทธิภาพการแปลงไฟฟ้าเพียงประมาณ 1% จากแสงอาทิตย์เท่านั้น
แต่ปัจจุบันเทคโนโลยีไปได้ไกลขึ้นมาก โดยมีทั้งการเปลี่ยนวัตุดิบในการผลิตแผงเป็นรูปแบบต่างๆที่มีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นไฟฟ้ามากขึ้นเรื่อยๆ เช่น
- อมอร์ฟัส (Amorphous) หรือฟิล์มบาง ที่ใช้กันทั่วไปในเครื่องคิดเลข
- โพลีคริสตัลไลน์ (Polycrystalline) ที่ได้รับความนิยมมากในอดีต
- โมโนคริสตัลไลน์ (Monocrystalline) ที่ประสิทธิภาพดีที่สุดและได้รับความนิยมมากที่สุดในปัจจุบัน แบรนด์ที่คุ้นหู้เราทั้งหมดเช่น JA Solar, Jinko และ Longi ล้วนเป็นกลุ่มนี้ทั้งหมดครับ
- เพอรอฟสไกต์ ที่ยังอยู่ในช่วงทดลอง แต่มีประสิทธิภาพดีไม่แพ้โมโนคริสตัลไลน์ (ล่าสุดมีการทดลองในห้องแลปที่สามารถรีดประสิทธิภาพได้ถึง 38.39%)
บทความนี้จะมาอธิบายรายละเอียดแต่ละชนิด รวมถึงข้อดี-ข้อเสียให้ผู้อ่านได้เข้าใจมากขึ้น ว่าเทคโนโลยีของแผงโซลาร์เซลล์ก้าวหน้าไปถึงไหนแล้วครับ
1. แผงโซลาร์เซลล์ชนิด อมอร์ฟัส (Amorphous Solar Cells)
หรือ แผงชนิดฟิล์มบาง (Thin Film)
เป็นการนำ “สาร” ที่สามารถแปลงพลังงานจากแสงเป็นกระแสไฟฟ้ามาฉาบชั้นบางๆซ้อนกันหลายๆชั้น คล้ายแผ่นฟิล์มบาง
ซึ่งสารฉาบที่ว่านี้ก็มีด้วยกันหลายชนิด ชื่อเรียกของแผงโซล่าเซลล์ชนิดฟิล์มบางจึงแตกต่างกันออกไป เช่น Amorphous Silicon (a-Si) ซึ่งได้รับความนิยมมากที่สุด อื่นๆก็จะมี Cadmium
Telluride (CdTe), Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) และ Gallium Arsenide (GaAs) เป็นต้น
ข้อดี
1. ราคาถูกกว่าแผงชนิดอื่น
2. ผลิตจำนวนมากได้ง่ายกว่า
3. ทนต่ออากาศภายนอกที่ร้อนได้ดี
4. ไม่มีปัญหาเรื่องวงจรไหม้จากความสกปรก
5. ประยุกต์ใช้ได้หลายอุปกรณ์
ข้อเสีย
1. ประสิทธิภาพต่ำที่สุด เฉลี่ยที่ 7–13%
2. ไม่เหมาะใช้ในพื้นที่จำกัด
3. สิ้นเปลืองค่าโครงสร้างและอุปกรณ์อื่นๆ
4. การรับประกันสั้นกว่าแผงชนิดอื่น
2. แผงโซลาร์เซลล์ชนิด โพลีคริสตัลไลน์ (Polycrystalline Silicon Solar Cells)
เป็นแผงโซลาร์เซลล์ชนิดแรกที่ทำจาก ผลึกซิลิคอน
โดยในกระบวนการผลิต สามารถที่จะนำเอา “ซิลิคอนหลายโมเลกุลหรือเศษซิลิคอน” มาละลายและหล่อเป็นแท่งโลหะ ซึ่งจะถูกหั่นเป็นชิ้นคล้ายเวเฟอร์ จากนั้นเวเฟอร์จะถูกเจือด้วยวัสดุเฉพาะเพื่อสร้างจุดเชื่อมต่อ p-n ซึ่งจำเป็นสำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้าเมื่อโดนแสงแดด แต่ละเซลล์ก็เชื่อมต่อกัน ห่อหุ้มด้วยวัสดุป้องกัน และประกอบเป็นแผงโซลาร์เซลล์ พร้อมแปลงแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า
ข้อดี
1. กระบวนการผลิตที่ง่ายไม่ซับซ้อน
2. ประสิทธิภาพในที่อุณหภูมิสูงดีกว่าชนิดโมโนคริสตัลไลน์เล็กน้อย
3. ราคาถูกกว่าเมื่อเทียบกับชนิดโมโนคริสตัลไลน์
ข้อเสีย
1. ประสิทธิภาพโดยเฉลี่ยอยู่ที่ 13–16%
2. ใช้เนื้อที่ติดตั้งมากกว่าโมโนคริสตัลไลน์ ในประสิทธิภาพเท่ากัน
3. กระบวนการผลิตมีของเสียมากกว่าโมโนคริสตัลไลน์
4. ประสิทธิภาพในที่แสงน้อยด้อยกว่าโมโนคริสตัลไลน์
3. แผงโซลาร์เซลล์ชนิด โมโนคริสตัลไลน์ (Monocrystalline Silicon Solar Cells)
เป็นแผงโซลาร์เซลล์ชนิดที่ทำมาจากผลึกซิลิคอนเชิงเดี่ยวที่มีความบริสุทธิ์สูง (Mono-Si) มาเข้กระบวนการกวนให้ผลึกเกาะกันที่แกนกลาง (Czochralski process) จนเกิดเป็นทรงกระบอก
จากนั้นจึงนำมาตัดให้เป็นสี่เหลี่ยม
แล้วนำไปหั่นเป็นชิ้นคล้ายเวเฟอร์ แบบเดียวกับการทำโพลีคริสตัลไลน์ แต่จะเพิ่มตัดมุมทั้งสี่ออก เพื่อที่จะทำให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด และลดการใช้วัตถุดิบโมโนซิลิคอนลง ก่อนที่จะนำมาตัดเป็นแผ่นอีกที ทำให้แผงโมโนคริสตัลไลน์สังเกตง่ายกว่าชนิดอื่นจากการตัดมุมทั้งสี่มุมออกและมีสีค่อนข้างเข้มกว่าแผงโพลีคริสตัลไลน์
ข้อดี
1. ประสิทธิภาพสูงสุด เฉลี่ยอยู่ที่ 17–22% (กลุ่ม N-type เกิน 23%)
2. ประสิทธิภาพต่อพื้นที่สูงสุด
3. อายุการใช้งานยาวนานที่สุด 25 ปีขึ้นไป
4. ผลิตไฟฟ้าได้ดีที่สุดในที่แสงน้อย
5. ได้รับความนิยมมากที่สุดในปัจจุบัน
ข้อเสีย
1. ราคาแพงที่สุด
2. มีโอกาสวงจรไหม้จากสิ่งสกปรก หรือผลิตไฟได้น้อยจากสิ่งบดบังแผง
3. การดูแลต้องใส่ใจมากกว่าแผงชนิดอื่น
4. แผงโซลาร์เซลล์ชนิด เพอรอฟสไกต์ (Perovskite Solar Cells)
เป็นวิธีการใหม่ ที่ยังอยู่ในช่วงทดลอง โดยจุดเด่นของเพอรอฟสไกต์เป็นแร่ธรรมชาติที่พบในยอดเขา Ural ประเทศรัสเซีย มีกระบวนการผลิตที่ง่าย น้ำหนักเบา สามารถดัดให้โค้งงอ ขึ้นรูปได้ง่าย ไม่จำเป็นต้องอาศัยเทคโนโลยีขั้นสูงในการผลิต และมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานไฟฟ้าที่สูงเทียบเท่าเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดโมโนคริสตัลไลน์
แม้ว่าต้นทุนการผลิตจะต่ำกว่าโซล่าเซลล์แบบซิลิกอน แต่ต้นทุนด้านอุปกรณ์การใช้และการแปรรูปไฟฟ้าที่มีราคาที่ค่อนข้างสูง รวมถึงประเด็นด้านความทนทานและความปลอดภัย เพราะเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ใช้สารอินทรีย์บางชนิดที่เป็นส่วนประกอบจึงทำให้ไม่ทนต่อความชื้นและออกซิเจน
ดังนั้น แผงชนิดเพอรอฟสไกต์ยังต้องการได้รับการวิจัยและทดลองอีกมากกว่าจะได้รับการใช้งานในระดับคนทั่วไปจริง
** มีงานวิจัยที่เผยแพร่เมื่อ 2 อาทิตย์ก่อน ที่นำ เพอรอฟสไกต์มาใช้คู่กับ Copper indium gallium selenide (CIGS) แล้วได้ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าที่ 38.39% สูงกว่าโมโนคริสตัลไลน์ที่ยังไม่ถึง 30% ด้วยซ้ำ แต่การทดลองนี้ได้ผลลัพธ์จากโมเดลการทดลองในแสงที่เหมาะสมเท่านั้น แต่ก็ถือเป็นเรื่องดีที่อนาคตเราจะได้ใช้งานพลังงานไฟฟ้าจากพลังงานบริสุทธิ์ครับ
ใครสนใจอ่านได้ที่งานวิจัย Outstanding conversion efficiency of 38.39% from a Perovskite/CIGS tandem PV cell: A synergic optimization through computational modeling ครับ