ภายในเซลล์แสงอาทิตย์มีกระแสไฟฟ้าหลายประเภท เช่น กระแสไฟฟ้ามืด กระแสไฟฟ้าย้อนกลับ และกระแสไฟฟ้ารั่วไหล กระแสไฟฟ้าเหล่านี้มีผลกระทบต่อกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้จากแผงโซลาร์เซลล์ในระดับที่แตกต่างกัน การแยกแยะลักษณะเฉพาะของกระแสไฟฟ้าเหล่านี้จะช่วยระบุสาเหตุของกำลังไฟฟ้าที่ผิดปกติของแผงโซลาร์เซลล์ ซึ่งนำไปสู่การแก้ไขปัญหาอย่างละเอียดถี่ถ้วน
กระแสน้ำมืด
คำนิยาม
กระแสไฟฟ้ามืด หรือที่เรียกว่ากระแสอิ่มตัวย้อนกลับในสภาวะไม่มีแสงส่องสว่าง หมายถึงกระแสไฟฟ้ากระแสตรงย้อนกลับที่เกิดขึ้นในรอยต่อ PN ภายใต้สภาวะไบแอสย้อนกลับเมื่อไม่มีแสงตกกระทบ โดยทั่วไปเกิดจากการแพร่กระจายของพาหะหรือข้อบกพร่องบนพื้นผิวและภายในอุปกรณ์ รวมถึงสิ่งเจือปนที่เป็นอันตราย
การก่อตัว
(1).กระบวนการแพร่กระจาย:ภายในรอยต่อ PN จะมีอิเล็กตรอนในบริเวณ N มากกว่า และมีโฮลในบริเวณ P มากกว่า เนื่องจากความแตกต่างของความเข้มข้น อิเล็กตรอนในบริเวณ N จึงแพร่กระจายไปยังบริเวณ P และโฮลในบริเวณ P ก็แพร่กระจายไปยังบริเวณ N แม้ว่าสนามไฟฟ้าภายในของรอยต่อ PN จะต้านทานการแพร่กระจายนี้ แต่การแพร่กระจายก็ยังคงเกิดขึ้นจนกว่าจะถึงสมดุลพลวัต ทำให้เกิดกระแสการแพร่กระจายขึ้น
(2).ข้อบกพร่องและสิ่งเจือปน:เมื่อมีข้อบกพร่องอยู่บนพื้นผิวหรือภายในอุปกรณ์ ข้อบกพร่องเหล่านั้นจะทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางการรวมตัวใหม่ โดยดักจับอิเล็กตรอนและโฮล และอำนวยความสะดวกในการรวมตัวกันใหม่ สารเจือปนที่เป็นอันตรายก็มีบทบาทคล้ายกัน โดยมีส่วนทำให้เกิดกระแสไฟฟ้ามืด
ผลกระทบ
กระแสไฟฟ้ามืดมักถูกนำมาพิจารณาในระหว่างการคัดแยกแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน กระแสไฟฟ้ามืดที่มากเกินไปบ่งชี้ถึงคุณภาพของเวเฟอร์ที่ไม่ดี เช่น มีสถานะพื้นผิวจำนวนมาก ข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึกจำนวนมาก สารเจือปนที่เป็นอันตราย หรือความเข้มข้นของการเจือปนที่สูงเกินไป เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากเวเฟอร์ดังกล่าวโดยทั่วไปจะมีอายุการใช้งานของพาหะส่วนน้อยต่ำ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการแปลงพลังงานที่ต่ำ
กระแสไฟฟ้ามืดในเซลล์แสงอาทิตย์
ในไดโอดแบบง่าย กระแสไฟฟ้ามืดจะสอดคล้องกับกระแสอิ่มตัวย้อนกลับ แต่ในเซลล์แสงอาทิตย์ กระแสไฟฟ้ามืดนั้นรวมถึงกระแสอิ่มตัวย้อนกลับ กระแสรั่วไหลของชั้นบาง และกระแสรั่วไหลของเนื้อวัสดุ
กระแสอิ่มตัวย้อนกลับ
คำนิยาม
กระแสอิ่มตัวย้อนกลับ หมายถึง กระแสในรอยต่อ PN เมื่อมีการให้ไบแอสย้อนกลับ แรงดันย้อนกลับจะทำให้ชั้นพร่องขยายกว้างขึ้น เพิ่มสนามไฟฟ้าและพลังงานศักย์ของอิเล็กตรอน ทำให้ตัวนำส่วนใหญ่ข้ามสิ่งกีดขวางได้ยากขึ้น ลดกระแสการแพร่ลงจนเกือบเป็นศูนย์
การก่อตัว
1. กระแสดริฟต์: สนามไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นทำให้พาหะส่วนน้อยในบริเวณ N และ P เคลื่อนที่ได้ง่ายขึ้น ก่อให้เกิดกระแสย้อนกลับ
2. การพึ่งพาอุณหภูมิ: เนื่องจากตัวนำส่วนน้อยเกิดขึ้นจากความร้อน จำนวนของตัวนำส่วนน้อยจึงคงที่ที่อุณหภูมิที่กำหนด และกระแสย้อนกลับก็คงที่เช่นกัน
กระแสไฟรั่ว
คำนิยาม
เซลล์แสงอาทิตย์สามารถแบ่งออกได้เป็นสามส่วน ได้แก่ ชั้นบาง (N-region) ชั้นพร่องประจุ (PN junction) และส่วนเนื้อใน (P-region) ข้อบกพร่องและสิ่งเจือปนในบริเวณเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางการรวมตัวใหม่ โดยดักจับอิเล็กตรอนและโฮลเพื่ออำนวยความสะดวกในการรวมตัวใหม่ กระบวนการนี้สร้างกระแสไฟฟ้าขนาดเล็ก ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดกระแสไฟฟ้ามืดที่วัดได้
ประเภท
• กระแสรั่วไหลในชั้นบาง: เกิดจากข้อบกพร่องและสิ่งเจือปนในชั้นบางนั้น
• กระแสรั่วไหลในเนื้อวัสดุ: เกิดจากข้อบกพร่องและสิ่งเจือปนในบริเวณเนื้อวัสดุ
วัตถุประสงค์ของการทดสอบกระแสไฟฟ้ามืด
1. การป้องกันการชำรุดเสียหาย
เมื่อเซลล์ได้รับไบแอสย้อนกลับหรือขั้วของโมดูลกลับด้าน กระแสไฟฟ้ามืดที่มากเกินไปอาจนำไปสู่การเสียหายของเซลล์อย่างรวดเร็ว แม้ว่าจะเกิดขึ้นได้ยาก แต่การทดสอบกระแสไฟฟ้ามืดจะช่วยป้องกันเหตุการณ์ดังกล่าวได้
2. การตรวจสอบกระบวนการผลิต
การทดสอบกระแสไฟฟ้ามืดช่วยระบุปัญหาที่อาจเกิดขึ้นในกระบวนการผลิต กระแสไฟฟ้ามืดประกอบด้วยกระแสอิ่มตัวย้อนกลับ กระแสรั่วไหลของชั้นบาง และกระแสรั่วไหลของเนื้อวัสดุ ซึ่งแสดงด้วย J1J_1J1, J2J_2J2 และ J3J_3J3 ตามลำดับ
เมื่อจ่ายแรงดันย้อนกลับ:
• ภูมิภาคที่ 1: กระแสรั่วไหลของชั้นบาง (J2J_2J2) เป็นตัวกำหนดหลัก
• ภูมิภาคที่ 2: กระแสรั่วไหลรวม (bulk leakage current) เป็นตัวกำหนดหลัก
• เขต 3: มีลักษณะเด่นคือ J1J_1J1 (กระแสอิ่มตัวย้อนกลับ)
ขอบเขตของบริเวณเหล่านี้ถูกกำหนดโดยแรงดันไฟฟ้าทดสอบเฉพาะ
ผลกระทบจากแรงดันไฟฟ้า
เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับเซลล์ จะทำให้เกิดการฉีดกระแสไฟฟ้าเข้าไปในแผ่นซิลิคอน กระตุ้นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่สมดุล ยิ่งแรงดันไฟฟ้าสูงเท่าไร ก็ยิ่งกระตุ้นตัวนำไฟฟ้ามากขึ้นเท่านั้น ส่งผลให้กระแสไฟฟ้ามืดสูงขึ้น อย่างไรก็ตาม อัตราการเติบโตจะช้าลงเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น จนกระทั่งเซลล์เสียหาย
การทดสอบมาตรฐาน
โดยทั่วไปจะทดสอบกระแสไฟฟ้ามืดที่แรงดัน 12V โดยการเปรียบเทียบผลการทดสอบกับกราฟมาตรฐาน จะสามารถประเมินสถานะของเซลล์ได้:
• กระแสไฟฟ้ามืดที่มากเกินไปในบริเวณที่ 1 บ่งชี้ถึงปัญหาในชั้นบางๆ
• กระแสไฟฟ้ามืดที่มากเกินไปในบริเวณที่ 2 บ่งชี้ว่ามีปัญหาในบริเวณส่วนใหญ่ของวัสดุ
• กระแสไฟฟ้ามืดที่มากเกินไปในบริเวณที่ 3 บ่งชี้ถึงปัญหาที่จุดเชื่อมต่อ PN เช่น การแพร่กระจาย การพิมพ์สกรีน หรือความไม่สม่ำเสมอของอุณหภูมิ
บทสรุป
การทดสอบกระแสไฟฟ้ามืดมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการระบุปัญหาที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิต และการปรับปรุงการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์
