มารู้จักเซลล์แสงอาทิตย์กันเถอะ

nBOOix6

ดร. สุรวุฒิ ช่วงโชติ

เซลล์แสงอาทิตย์ หรือ โซลาร์เซลล์ (solar cell) มีชื่อเรียกอื่นอีก เช่น เซลล์โฟโตโวลตาอิก (photovoltaic cell, PV) หรือ เซลล์สุริยะ เป็นต้น เป็นอุปกรณ์ที่สร้างจากสารกึ่งตัวนำสำหรับการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์หรือโฟตอนมาเป็นพลังงานไฟฟ้า  โดยการเปลี่ยนพลังงานดังกล่าวสามารถเกิดเป็นไฟฟ้ากระแสตรงได้ในขั้นตอนเดียว โดยไม่มีส่วนเคลื่อนไหวใดๆ

การทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์

เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบเซลล์แสงอาทิตย์ที่เป็นสารกึ่งตัวนำ จะทำให้เกิดการกระตุ้นของอิเล็กตรอน เกิดอิเล็กตรอนอิสระ รวมทั้งเกิดความต่างศักย์ระหว่างขั้วของเซลล์แสงอาทิตย์ ดังนั้นเมื่อมีการต่อขั้วทั้งสองข้างของเซลล์แสงอาทิตย์ก็จะเกิดการไหลของอิเล็กตรอนเพื่อให้เกิดสมดุล ในทางไฟฟ้าเมื่อมีอิเล็กตรอนไหลก็ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น

โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ที่เป็นพื้นฐานมากที่สุดคือเซลล์แบบรอยต่อพีเอ็น (p-n junction) เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ของซิลิกอน ดังรูป เมื่อมีแสงอาทิตย์ตกกระทบกับเซลล์แสงอาทิตย์จะเกิดการสร้างพาหะนำไฟฟ้าประจุลบ (อิเล็กตรอน) และประจุบวก (โฮล) โครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบรอยต่อพีเอ็นจะทำหน้าที่สร้างสนามไฟฟ้าภายในเซลล์เพื่อแยกอิเล็กตรอนให้ไหลผ่านสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (n-type) ไปที่ขั้วลบหรือขั้วไฟฟ้าด้านหน้า และทำให้โฮลไหลผ่านสารกึ่งตัวนำชนิดพี (p-type) ไปที่ขั้วบวกหรือขั้วไฟฟ้าด้านหลัง ด้วยเหตุนี้ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าแบบกระแสตรงขึ้นที่ขั้วทั้งสอง เมื่อเราต่อเซลล์แสงอาทิตย์เข้ากับเครื่องใช้ไฟฟ้าก็จะมีกระแสไฟฟ้าไหลในวงจร

PV_Figure-1
เซลล์แสงอาทิตย์แบบรอยต่อพีเอ็นของซิลิกอน

ชนิดของเซลล์แสงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 กลุ่มกว้างๆ ตามประเภทของสารกึ่งตัวนำที่นำมาใช้ดูดกลืนแสงและส่งผ่านประจุ คือเซลล์แสงอาทิตย์ที่สร้างจากสารอนินทรีย์และเซลล์แสงอาทิตย์ที่สร้างจากสารอินทรีย์  โดยเซลล์ทั้งหมดสามารถแบ่งออกได้อีกเป็น 3 ยุคการพัฒนา

เซลล์แสงอาทิตย์ที่พัฒนาได้ในยุคแรกคือเซลล์แสงอาทิตย์จากสารกึ่งตัวนำซิลิกอนแบบผลึกซึ่งให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้สูงกว่า 25% จึงเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่นิยมใช้ในท้องตลาดมากที่สุด แต่เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ต้องสร้างในห้องสะอาดด้วยกระบวนการผลิตที่ซับซ้อน จึงมีราคาแพง

ต่อมาในยุคที่ 2 มีการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์จากสารกึ่งตัวนำซิลิกอนที่ไม่เป็นผลึก (โครงสร้างอสัณฐาน) เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบางที่ใช้กระบวนการผลิตที่ง่ายขึ้น สร้างบนวัสดุโค้งงอและยืดหยุ่นได้ แต่ประสิทธิภาพก็ลดลง นอกจากนั้นยังมีความสำเร็จในการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์จากสารประกอบกึ่งตัวนำชนิดต่างๆ เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดแกลเลียมอาร์เซไนด์ (gallium arsenide, GaAs) เซลล์แสงอาทิตย์ชนิด (copper indium gallium selenide, CIGS) และเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดแคดเมียมเทลลูไรด์ (cadmium telluride, CdTe) เป็นต้น เซลล์เหล่านี้สามารถผลิตได้ง่ายกว่าเซลล์จากซิลิกอนแบบผลึก แต่ก็มีความคำนึงถึงสารประกอบกึ่งตัวนำบางตัวที่อาจเป็นอันตราย เช่น สารประกอบแคดเมียม ทำให้ผู้ใช้บางส่วนกังวลในเรื่องดังกล่าว อย่างไรก็ดีในปัจจุบันมีการศึกษามากมายระบุว่าการผลิตและใช้งานเซลล์แสงอาทิตย์ในกลุ่มนี้ไม่ส่งผลกระทบเชิงลบกับผู้ใช้และสิ่งแวดล้อม

ในยุคหลังสุด มีการใช้สารกึ่งตัวนำที่เป็นสารอินทรีย์มาใช้เป็นส่วนประกอบของเซลล์แสงอาทิตย์ เช่น สีในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (dye-sensitized solar cell, DSSC) และพอลิเมอร์นำไฟฟ้าในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสารอินทรีย์ (organic photovoltaic cell, OPV) เป็นต้น การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์กลุ่มหลังนี้ทำได้ง่ายด้วยกระบวนการทางสารละลาย รวมทั้งราคาในการผลิตที่ถูก แต่ประสิทธิภาพของเซลล์ก็ยังต่ำ คือประมาณ 12% ใน DSSC และ 5 – 8% ใน OPV จึงต้องมีการวิจัยและพัฒนาต่อไป

PV_Figure-2
ชนิดของเซลล์แสงอาทิตย์แบ่งตามยุคการพัฒนา