การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งเป็นทางเลือกด้านพลังงานสะอาดชั้นนำ ได้รับความสนใจอย่างมากจากภาคอุตสาหกรรม หากคุณสนใจ ลองมาศึกษาโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์และวัสดุโฟโตโวลตาอิกที่เกี่ยวข้องกันดู
การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งมักเรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์นั้น เปลี่ยนแสงแดดให้เป็นไฟฟ้าโดยตรง ในแผงโซลาร์เซลล์ โฟตอนจากดวงอาทิตย์จะไปแย่งจับอิเล็กตรอนจากพันธะอะตอมของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เมื่ออิเล็กตรอนเหล่านี้ถูกบังคับให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน ก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ หรือส่งเข้าสู่ระบบไฟฟ้าได้
นับตั้งแต่ที่นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส อเล็กซานเดอร์-เอ็ดมอนด์ เบคเคอเรล ได้เสนอทฤษฎีเกี่ยวกับเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์เป็นครั้งแรกในปี 1839 การผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ก็เป็นหัวข้อสำคัญของการวิจัยมาโดยตลอด ปัจจุบัน ด้วยทีมวิจัยชั้นนำจากสหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น และยุโรป ที่เร่งการพัฒนาเชิงพาณิชย์ของระบบพลังงานแสงอาทิตย์ ตลาดระหว่างประเทศสำหรับอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์จึงยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง
โมดูลเซลล์แสงอาทิตย์
แม้ว่าวัสดุที่ใช้ในระบบเซลล์แสงอาทิตย์จะแตกต่างกัน แต่โมดูลทั้งหมดประกอบด้วยหลายชั้นจากด้านหน้าไปด้านหลัง แสงแดดจะผ่านชั้นป้องกันก่อน (โดยปกติคือกระจก) จากนั้นผ่านชั้นสัมผัสโปร่งใสเข้าไปในเซลล์ ตรงกลางของโมดูลคือวัสดุดูดซับ ซึ่งดักจับโฟตอนเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า ชนิดของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้จะขึ้นอยู่กับความต้องการเฉพาะของระบบเซลล์แสงอาทิตย์นั้นๆ
ใต้ชั้นวัสดุดูดซับความร้อนคือชั้นโลหะด้านหลัง ซึ่งทำหน้าที่ต่อวงจรไฟฟ้าให้สมบูรณ์ ใต้ชั้นโลหะลงไปคือชั้นฟิล์มคอมโพสิต ซึ่งทำหน้าที่กันน้ำและเป็นฉนวนให้กับแผงโซลาร์เซลล์ แผงโซลาร์เซลล์มักจะมีชั้นป้องกันเพิ่มเติมที่ทำจากกระจก โลหะผสมอะลูมิเนียม หรือพลาสติก
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ในระบบเซลล์แสงอาทิตย์อาจเป็นซิลิคอน ฟิล์มบางแบบผลึกหลายเหลี่ยม หรือฟิล์มบางแบบผลึกเดี่ยว วัสดุซิลิคอนประกอบด้วยซิลิคอนผลึกเดี่ยว ซิลิคอนผลึกหลายเหลี่ยม และซิลิคอนอสัณฐาน ซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่มีโครงสร้างสม่ำเสมอมีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์สูงกว่าซิลิคอนผลึกหลายเหลี่ยม
ในซิลิคอนอสัณฐาน อะตอมของซิลิคอนจะกระจายตัวแบบสุ่ม ส่งผลให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานต่ำกว่าซิลิคอนผลึกเดี่ยว อย่างไรก็ตาม ซิลิคอนอสัณฐานสามารถดักจับโฟตอนได้มากกว่า และการผสมกับธาตุต่างๆ เช่น เจอร์มาเนียมหรือคาร์บอน สามารถช่วยเพิ่มคุณสมบัตินี้ได้
คอปเปอร์อินเดียมไดซีลีไนด์ (CIS), แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) และซิลิคอนฟิล์มบาง เป็นวัสดุฟิล์มบางแบบผลึกหลายเหลี่ยมที่ใช้กันทั่วไป วัสดุที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) มักจะรวมฟิล์มบางซิลิคอนแบบผลึกเดี่ยวเข้าไปด้วย วัสดุเหล่านี้ถูกเลือกใช้สำหรับการใช้งานด้านเซลล์แสงอาทิตย์โดยเฉพาะ โดยพิจารณาจากคุณสมบัติเฉพาะ เช่น ความเป็นผลึก ขนาดช่องว่างพลังงาน ความสามารถในการดูดซับ และความง่ายในการแปรรูป
ปัจจัยภายนอกที่มีผลต่อสารกึ่งตัวนำ
การจัดเรียงอะตอมในโครงสร้างผลึกเป็นตัวกำหนดความเป็นผลึกของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการขนส่งประจุ ความหนาแน่นกระแส และประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของเซลล์แสงอาทิตย์ ช่องว่างพลังงานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หมายถึงพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นในการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนจากสถานะผูกพันไปยังสถานะอิสระ (ทำให้เกิดการนำไฟฟ้า) ช่องว่างพลังงาน ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้สัญลักษณ์ Eg อธิบายถึงความแตกต่างของพลังงานระหว่างแถบวาเลนซ์ (พลังงานต่ำ) และแถบนำไฟฟ้า (พลังงานสูง)
ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนบ่งบอกถึงระยะทางที่โฟตอนที่มีความยาวคลื่นเฉพาะสามารถทะลุผ่านตัวกลางได้ก่อนที่จะถูกดูดกลืน ค่านี้จะถูกกำหนดโดยวัสดุของเซลล์และความยาวคลื่นของโฟตอนที่ถูกดูดกลืน
ต้นทุนและความง่ายในการแปรรูปวัสดุและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ รวมถึงประเภทและปริมาณของวัสดุที่ใช้ วงจรการผลิต และลักษณะการเคลื่อนย้ายของเซลล์ในห้องการตกตะกอน ปัจจัยแต่ละอย่างมีบทบาทสำคัญในการตอบสนองความต้องการการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ที่เฉพาะเจาะจง
