เซลล์แสงอาทิตย์ทนต่อแสงแดดได้จริงหรือไม่?

เซลล์แสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์ที่ไม่ใช้กลไก ซึ่งใช้สารกึ่งตัวนำในการเปลี่ยนแสงแดดให้เป็นไฟฟ้าโดยตรงผ่านปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก โดยทั่วไปแล้ว หลายคนอาจคิดว่าเซลล์แสงอาทิตย์ทำงานได้ดีภายใต้แสงแดดจัด แต่เป็นเช่นนั้นจริงหรือ?

มนุษยชาติใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์มานานแล้ว โดยมีวิธีการแปลงพลังงานหลักๆ สามวิธี ได้แก่ การแปลงเป็นไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ การแปลงเป็นความร้อนจากแสงอาทิตย์ และการแปลงเป็นปฏิกิริยาเคมีจากแสงอาทิตย์ การผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ (PV) ซึ่งแปลงแสงแดดเป็นกระแสไฟฟ้า เป็นหนึ่งในวิธีการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด

ปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิกถูกค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1839 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส เอ็ดมอนด์ เบคเคอเรล ซึ่งหมายถึงการเกิดศักย์ไฟฟ้าเมื่อแสงตกกระทบสารกึ่งตัวนำ ต่อมา ไอน์สไตน์ได้อธิบายปรากฏการณ์นี้โดยใช้ทฤษฎีควอนตัมของแสง ซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1921

ต่างจากปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกซึ่งเกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบตัวนำเดี่ยว ปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิกเกิดขึ้นที่รอยต่อระหว่างแผ่นสารกึ่งตัวนำสองแผ่น เมื่อเชื่อมต่อด้วยสายไฟ รอยต่อนี้จะสร้างสนามไฟฟ้า ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลได้

แล้วเซลล์แสงอาทิตย์เปลี่ยนแสงแดดเป็นไฟฟ้าได้อย่างไร? แสงแดดเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีช่วงคลื่นกว้าง เมื่อแสงแดดตกกระทบเซลล์แสงอาทิตย์ รังสีนั้นอาจถูกสะท้อน ดูดซับ หรือทะลุผ่านไปได้ มีเพียงรังสีที่ถูกดูดซับเท่านั้นที่จะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า

สำหรับสารกึ่งตัวนำที่ใช้ซิลิคอนเป็นองค์ประกอบหลัก จำเป็นต้องใช้พลังงาน 1.11 อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) เพื่อทำให้เกิดการหลุดออกของอิเล็กตรอนจากอะตอม เฉพาะโฟตอนที่มีพลังงานสูงกว่าเกณฑ์นี้เท่านั้นที่จะสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้ อย่างไรก็ตาม พลังงานส่วนเกินจากโฟตอนที่มีพลังงานสูงจะสูญเสียไปในรูปของความร้อน ซึ่งทำให้แผงโซลาร์เซลล์ร้อนขึ้นและอาจมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิของอากาศโดยรอบ

ตรงกันข้ามกับความเชื่อที่แพร่หลาย เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากซิลิคอนนั้นชอบสภาพแวดล้อมที่เย็นกว่า แม้ว่าจะยังคงต้องการแสงแดดก็ตาม เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แผงโซลาร์เซลล์จะผลิตพลังงานได้น้อยลง แม้ว่าจะได้รับแสงแดดในปริมาณเท่าเดิมก็ตาม

อุณหภูมิสูงจะทำให้แรงดันไฟฟ้าวงเปิด (แรงดันไฟฟ้าเมื่อไม่มีกระแสไหล) ลดลงเป็นหลัก ในขณะที่กระแสไฟฟ้าลัดวงจร (กระแสไฟฟ้าเมื่อเซลล์ลัดวงจร) จะยังคงค่อนข้างคงที่ ซึ่งหมายความว่าอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะนำไปสู่ประสิทธิภาพที่ลดลงและกำลังไฟฟ้าขาออกที่ลดลง

โดยทั่วไปแล้ว เซลล์แสงอาทิตย์จะถูกทดสอบที่อุณหภูมิมาตรฐาน 25 องศาเซลเซียส (77 องศาฟาเรนไฮต์) เมื่ออุณหภูมิของแผงสูงถึง 60 องศาเซลเซียส (140 องศาฟาเรนไฮต์) หรือสูงกว่านั้น กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้จะลดลงอย่างมาก สำหรับทุกๆ องศาที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น กระแสไฟฟ้าลัดวงจรจะเพิ่มขึ้นเพียง 0.04% ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าวงเปิดจะลดลง 0.4%

แม้ว่าประสิทธิภาพจะลดลงในช่วงฤดูร้อน แต่ปริมาณแสงแดดที่มากมายในฤดูนี้ก็ยังส่งผลให้การผลิตพลังงานโดยรวมสูงกว่าฤดูอื่นๆ