องค์ประกอบสำคัญของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์

องค์ประกอบสำคัญของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์คือเซลล์แสงอาทิตย์ การพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์แบบโซลาร์เซลล์สามารถแบ่งออกได้เป็นสามยุคอย่างคร่าว ๆ รุ่นแรกคือเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอน รุ่นที่สองคือเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบาง เทคโนโลยีใหม่ๆ เช่น เซลล์รวมพลังงานสูง เซลล์แสงอาทิตย์แบบอินทรีย์ เซลล์แสงอาทิตย์แบบยืดหยุ่น และเซลล์แสงอาทิตย์นาโนที่ไวต่อสีย้อม เรียกรวมกันว่าเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นที่สาม ในปัจจุบัน กระแสหลักคือเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ซิลิคอนรุ่นแรก และส่วนแบ่งการตลาดของเซลล์ฟิล์มบางก็ค่อยๆ ขยายตัว ยกเว้นเซลล์หัววัดพลังงานสูง เซลล์รุ่นที่สามส่วนใหญ่ยังคงอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนาในห้องปฏิบัติการ

เซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอน

ในบรรดาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอน เทคโนโลยีโมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอนเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาเต็มที่ที่สุด ประสิทธิภาพและต้นทุนของเซลล์ดังกล่าวได้รับผลกระทบจากกระบวนการผลิตเป็นหลัก กระบวนการผลิตส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นหลายขั้นตอน เช่น การหล่อโลหะ การหั่น การแพร่ พื้นผิว การพิมพ์สกรีน และการเผา ประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ผลิตโดยกระบวนการทั่วไปนี้โดยทั่วไปคือ 16 เปอร์เซ็นต์ -18 เปอร์เซ็นต์

ประสิทธิภาพการแปลงของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดโมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอนสูงที่สุด แต่ต้นทุนก็สูงขึ้นเช่นกัน เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดโพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอนสามารถลดต้นทุนได้เป็นอย่างดี ข้อดีคือสามารถผลิตแท่งซิลิกอนทรงสี่เหลี่ยมขนาดใหญ่ได้โดยตรง ซึ่งเหมาะสำหรับการผลิตขนาดใหญ่ อุปกรณ์นี้ค่อนข้างเรียบง่าย ดังนั้นกระบวนการผลิตจึงเรียบง่าย ประหยัดพลังงาน และประหยัดวัสดุซิลิกอน ความต้องการวัสดุยังค่อนข้างต่ำ

นอกเหนือจากการลดต้นทุนของวัสดุและต้นทุนของเซลล์แสงอาทิตย์แล้ว ความสำเร็จส่วนใหญ่ยังทำได้ผ่านสองด้าน: หนึ่งคือการลดวัสดุสิ้นเปลือง เช่น การลดความหนาของซิลิคอนเวเฟอร์ อีกประการหนึ่งคือการปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลง วิธีการปรับปรุงประสิทธิภาพรวมถึงประเด็นต่อไปนี้: ประการแรกคือการเพิ่มการดูดกลืนแสง เช่น พื้นผิวพื้นผิว การเตรียมชั้นป้องกันแสงสะท้อน และการลดความกว้างของอิเล็กโทรดด้านหน้า ประการที่สองคือการลดการรวมตัวกันอีกครั้งของพาหะที่สร้างด้วยแสงและปรับปรุงการใช้โฟตอน เช่น เทคโนโลยีการสร้างฟิล์มปล่อยแสง ประการที่สามคือการลดความต้านทานและเพิ่มการดูดซับโฟโตเคอร์เรนต์โดยอิเล็กโทรด เช่น การเติมพาร์ติชันและเทคโนโลยีสนามไฟฟ้าย้อนกลับ

บันทึกปัจจุบันสำหรับประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกของเซลล์แสงอาทิตย์แบบโมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอนอยู่ที่ 24.7 เปอร์เซ็นต์ที่สร้างขึ้นโดยเซลล์แสงอาทิตย์โครงสร้าง PERL ของมหาวิทยาลัยนิวเซาท์เวลส์ คุณสมบัติทางเทคนิคประกอบด้วย: ความเข้มข้นของสารเติมฟอสฟอรัสบนพื้นผิวซิลิกอนต่ำเพื่อลดการรวมตัวกันของพื้นผิวและหลีกเลี่ยงการมีอยู่ของพื้นผิว "ชั้นที่ตายแล้ว"; การแพร่กระจายที่มีความเข้มข้นสูงในท้องถิ่นจะใช้ใต้อิเล็กโทรดที่พื้นผิวด้านหน้าและด้านหลังเพื่อลดการรวมตัวกันอีกครั้งของบริเวณอิเล็กโทรดและสร้างหน้าสัมผัสโอห์มมิกที่ดี อิเล็กโทรดที่พื้นผิวด้านหน้าถูกทำให้แคบลงโดยกระบวนการโฟโตลิโทกราฟีเพื่อเพิ่มพื้นที่การดูดกลืนแสง อิเล็กโทรดที่พื้นผิวด้านหน้าใช้ส่วนผสมของโลหะที่เข้ากันได้มากกว่า เช่น ไททาเนียม แพลเลเดียม และเงิน เพื่อลดความต้านทานการสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดและซิลิกอน พื้นผิวด้านหน้าและด้านหลังของแบตเตอรี่ใช้ SiO2 และวิธีการสัมผัสจุดเพื่อลดการรวมตัวกันของพื้นผิวของเซลล์ อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้ยังไม่ได้ถูกนำไปใช้ในเชิงอุตสาหกรรม

นอกจากเทคโนโลยี PERL แล้ว ยังสามารถใช้เทคโนโลยีอื่นๆ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลงได้อีกด้วย เช่นเซลล์หนังกลับแบบเซาะร่องผิวของบีพี โซลาร์ และอิเล็กโทรดด้านหลัง (EWT) ผ่านเทคโนโลยี แบบแรกลดความกว้างของอิเล็กโทรดด้านหน้าเป็นหลักผ่านกระบวนการเซาะร่องด้วยเลเซอร์ และเพิ่มพื้นที่การดูดซับแสงแดด และการผลิตขนาดใหญ่สามารถบรรลุประสิทธิภาพ 18.3 เปอร์เซ็นต์ ; ด้านหลังจึงเพิ่มพื้นที่การดูดกลืนแสงของด้านหน้าได้ประสิทธิภาพ 21.3 เปอร์เซ็นต์

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบาง

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกซิลิคอนมีประสิทธิภาพสูงและยังคงครองใจผู้ใช้จำนวนมากในการใช้งานขนาดใหญ่และการผลิตในภาคอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากวัสดุซิลิกอนมีราคาค่อนข้างสูง จึงเป็นเรื่องยากมากที่จะลดต้นทุนลงอย่างมาก เพื่อค้นหาทางเลือกอื่นแทนเซลล์ซิลิกอนผลึก เซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางที่มีต้นทุนต่ำกว่าได้ถือกำเนิดขึ้น แบตเตอรี่แบบฟิล์มบางที่นิยมใช้ ได้แก่ แบตเตอรี่แบบฟิล์มบางแบบซิลิคอน แบตเตอรี่แบบฟิล์มบางแบบแคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) และแบตเตอรี่แบบฟิล์มบางแบบคอปเปอร์อินเดียมแกลเลียมเซเลไนด์ (CIGS)

ความหนาของเซลล์ฟิล์มบางจากซิลิกอนมีเพียง 2 ไมครอน เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์ผลึกซิลิคอนที่มีความหนาประมาณ 180 ไมครอน ปริมาณของวัสดุซิลิคอนมีเพียงประมาณร้อยละ 1.5 ของเซลล์ผลึกซิลิคอน และต้นทุนต่ำ ตามจำนวนของจุดเชื่อมต่อ PN ที่มี เซลล์ฟิล์มบางที่มีซิลิกอนจะแบ่งออกเป็นเซลล์ที่มีจุดเชื่อมต่อทางเดียว เซลล์ที่มีทางแยกสองทาง และเซลล์ที่มีหลายทางแยก ทางแยก PN ที่แตกต่างกันสามารถดูดซับแสงแดดที่มีความยาวคลื่นต่างกันได้ ในปัจจุบัน ประสิทธิภาพสูงสุดของเซลล์แบบแยกทางเดียวสามารถสูงถึง 7 เปอร์เซ็นต์ และเซลล์แบบสองทางสามารถสูงถึง 10 เปอร์เซ็นต์

เนื่องจากวัสดุมีอัตราการดูดกลืนแสงที่ดี ประสิทธิภาพการแปลงของเซลล์ฟิล์มบางแคดเมียมเทลลูไรด์จึงสูงกว่าเซลล์ฟิล์มบางที่ทำจากซิลิคอน และประสิทธิภาพในปัจจุบันสามารถสูงถึง 12 เปอร์เซ็นต์ อย่างไรก็ตาม ธาตุแคดเมียมมีผลในการก่อมะเร็ง และปริมาณสำรองตามธรรมชาติของเทลลูเรียมมีจำกัด ซึ่งจำกัดการพัฒนาระยะยาวของแบตเตอรี่นี้

แบตเตอรี่แบบฟิล์มบาง Copper indium gallium selenide ถือเป็นทิศทางการพัฒนาในอนาคตของแบตเตอรี่แบบฟิล์มบางที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งสามารถปรับปรุงอัตราการดูดซับแสงแดดโดยการปรับกระบวนการผลิต ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการแปลง ในปัจจุบัน ประสิทธิภาพการแปลงของห้องปฏิบัติการสามารถสูงถึง 20.1 เปอร์เซ็นต์ และประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์สามารถสูงถึง 13-14 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสูงที่สุดในบรรดาแบตเตอรี่แบบฟิล์มบางทั้งหมด

เซลล์แสงอาทิตย์ยุคที่สาม

เซลล์รุ่นที่สามสามารถบรรลุประสิทธิภาพการแปลงที่สูงขึ้นในทางทฤษฎี ในขั้นตอนนี้ ยกเว้นเซลล์หัววัด ส่วนใหญ่ยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยในห้องปฏิบัติการ

เซลล์หัววัดโดยทั่วไปใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ III-V ส่วนใหญ่เนื่องจากเซมิคอนดักเตอร์ III-V มีความทนทานต่ออุณหภูมิสูงกว่าซิลิกอนมาก ยังคงมีประสิทธิภาพการแปลงโฟโตอิเล็กทริกสูงภายใต้แสงสว่างสูง และโครงสร้างแบบหลายทางแยกทำให้สเปกตรัมการดูดกลืนแสงและสเปกตรัมแสงแดด ใกล้เคียงกัน และประสิทธิภาพการแปลงทางทฤษฎีสามารถสูงถึง 68 เปอร์เซ็นต์ ในปัจจุบัน จุดแยก PN สามแห่งเกิดจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันสามชนิด ได้แก่ เจอร์เมเนียม แกลเลียมอาร์เซไนด์ และแกลเลียมอินเดียมฟอสฟอรัส หากดำเนินการผลิตขนาดใหญ่ ประสิทธิภาพจะสูงถึงกว่า 40 เปอร์เซ็นต์

เซลล์แสงอาทิตย์ถูกบรรจุเป็นแผงเซลล์แสงอาทิตย์ และการประยุกต์ใช้เซลล์แสงอาทิตย์ที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะของเซลล์แสงอาทิตย์และการพัฒนาความต้องการของตลาด ในยุคแรก ๆ พลังงานแสงอาทิตย์ส่วนใหญ่ถูกใช้ในสถานีฐานการสื่อสารและดาวเทียมประดิษฐ์ และต่อมาก็ค่อย ๆ เข้าสู่ภาคพลเรือน เช่น โซลาร์รูฟ ในสถานการณ์เหล่านี้ พื้นที่ติดตั้งมีขนาดเล็กและต้องการความหนาแน่นของพลังงานสูง ดังนั้นโมดูลผลึกซิลิคอนจึงครองส่วนแบ่งตลาดหลัก ด้วยการพัฒนาโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ทะเลทรายขนาดใหญ่และอาคารไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ ต้นทุนที่ครอบคลุมค่อยๆ เข้ามาแทนที่ความหนาแน่นของพลังงานเป็นปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณา และการใช้งานแบตเตอรี่แบบฟิล์มบางก็เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ นอกจากนี้ การใช้เทคโนโลยีที่แตกต่างกันยังได้รับผลกระทบจากปัจจัยอื่นๆ เช่น สภาพแวดล้อมการใช้งานและสภาพอากาศ