ที่มา: www.energy.gov
เมื่อแสงส่องลงบนเซลล์สุริยะ (PV) หรือที่เรียกว่าโซลาร์เซลล์ แสงนั้นอาจถูกสะท้อน ดูดกลืน หรือผ่านเข้าไปในเซลล์โดยตรง เซลล์ PV ประกอบด้วยวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ "กึ่ง" หมายความว่าสามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าฉนวน แต่ไม่เท่ากับตัวนำที่ดีเช่นโลหะ มีวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลายชนิดที่ใช้ในเซลล์ PV
เมื่อสารกึ่งตัวนำสัมผัสกับแสง มันจะดูดซับพลังงานของแสงและถ่ายโอนไปยังอนุภาคที่มีประจุลบในวัสดุที่เรียกว่าอิเล็กตรอน พลังงานพิเศษนี้ทำให้อิเล็กตรอนสามารถไหลผ่านวัสดุเป็นกระแสไฟฟ้าได้ กระแสไฟฟ้านี้ถูกดึงออกมาผ่านหน้าสัมผัสโลหะที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นเส้นคล้ายกริดบนเซลล์แสงอาทิตย์ และสามารถนำมาใช้เป็นพลังงานให้กับบ้านของคุณและส่วนที่เหลือของโครงข่ายไฟฟ้าได้
ประสิทธิภาพของเซลล์ PV เป็นเพียงปริมาณพลังงานไฟฟ้าที่ออกมาจากเซลล์เมื่อเปรียบเทียบกับพลังงานจากแสงที่ส่องลงมา ซึ่งบ่งชี้ว่าเซลล์มีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งได้อย่างไร ปริมาณไฟฟ้าที่ผลิตจากเซลล์ PV ขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะ (เช่น ความเข้มและความยาวคลื่น) ของแสงที่มีอยู่และคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพหลายประการของเซลล์
คุณสมบัติที่สำคัญของเซมิคอนดักเตอร์ PV คือ bandgap ซึ่งระบุความยาวคลื่นของแสงที่วัสดุสามารถดูดซับและเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ หากแถบคาดของเซมิคอนดักเตอร์ตรงกับความยาวคลื่นของแสงที่ส่องบนเซลล์ PV เซลล์นั้นก็จะสามารถใช้พลังงานที่มีอยู่ทั้งหมดได้อย่างมีประสิทธิภาพ
เรียนรู้เพิ่มเติมด้านล่างเกี่ยวกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับเซลล์ PV
ซิลิคอน
ปัจจุบัน Siliconis เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดในเซลล์แสงอาทิตย์ โดยคิดเป็นประมาณ 95% ของโมดูลที่ขายได้ในปัจจุบัน นอกจากนี้ยังเป็นวัสดุที่มีมากเป็นอันดับสองของโลก (รองจากออกซิเจน) และเป็นสารกึ่งตัวนำที่ใช้กันมากที่สุดในชิปคอมพิวเตอร์ เซลล์ผลึกซิลิกอนทำจากอะตอมของซิลิกอนที่เชื่อมต่อกันเพื่อสร้างโครงผลึก โครงตาข่ายนี้มีโครงสร้างที่เป็นระเบียบซึ่งทำให้การแปลงแสงเป็นไฟฟ้ามีประสิทธิภาพมากขึ้น
โซลาร์เซลล์ที่ทำจากซิลิกอนในปัจจุบันให้ประสิทธิภาพสูง ต้นทุนต่ำ และอายุการใช้งานยาวนาน คาดว่าโมดูลจะมีอายุ 25 ปีขึ้นไป โดยยังคงผลิตพลังงานเดิมได้มากกว่า 80% หลังจากเวลานี้
โฟโตโวลตาอิกแบบฟิล์มบาง
เซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางสร้างขึ้นโดยการวางวัสดุ PV บางชั้นบางๆ ไว้บนวัสดุรองรับ เช่น แก้ว พลาสติก หรือโลหะ เซมิคอนดักเตอร์ PV แบบฟิล์มบางในตลาดปัจจุบันมีอยู่ 2 ประเภทหลัก ๆ ได้แก่ แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) และทองแดงอินเดียมแกลเลียมไดเซเลไนด์ (CIGS) วัสดุทั้งสองสามารถวางโดยตรงบนด้านหน้าหรือด้านหลังของพื้นผิวโมดูล
CdTe เป็นวัสดุ PV ที่พบมากเป็นอันดับสองรองจากซิลิคอน และเซลล์ CdTe สามารถผลิตได้โดยใช้กระบวนการผลิตที่มีต้นทุนต่ำ แม้ว่าสิ่งนี้จะทำให้พวกมันเป็นทางเลือกที่คุ้มค่า แต่ประสิทธิภาพของมันก็ยัง' ไม่สูงพอๆ กับซิลิคอน เซลล์ CIGS มีคุณสมบัติที่เหมาะสมที่สุดสำหรับวัสดุ PV และมีประสิทธิภาพสูงในห้องปฏิบัติการ แต่ความซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับการรวมองค์ประกอบทั้งสี่ทำให้การเปลี่ยนจากห้องปฏิบัติการเป็นการผลิตมีความท้าทายมากขึ้น ทั้ง CdTe และ CIGS ต้องการการปกป้องมากกว่าซิลิคอนเพื่อให้สามารถทำงานกลางแจ้งได้ยาวนาน
โฟโตโวลตาอิกส์เพรอฟสกี
เซลล์ Perovskitesolar เป็นเซลล์ฟิล์มบางประเภทหนึ่งและได้รับการตั้งชื่อตามโครงสร้างผลึกที่มีลักษณะเฉพาะ เซลล์ Perovskite ถูกสร้างขึ้นด้วยชั้นของวัสดุที่พิมพ์ เคลือบ หรือเคลือบด้วยสุญญากาศบนชั้นรองรับที่อยู่ด้านล่าง ซึ่งเรียกว่าพื้นผิวโดยทั่วไปแล้วจะประกอบได้ง่ายและสามารถเข้าถึงประสิทธิภาพที่คล้ายกับผลึกซิลิกอน ในห้องปฏิบัติการ ประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ของ perovskite ได้พัฒนาขึ้นเร็วกว่าวัสดุ PV อื่นๆ จาก 3% ในปี 2009 เป็นมากกว่า 25% ในปี 2020 เพื่อให้สามารถใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์ เซลล์แสงอาทิตย์ Perovskite PV จะต้องมีเสถียรภาพเพียงพอที่จะอยู่รอดกลางแจ้ง 20 ปี ดังนั้นนักวิจัย กำลังทำงานเพื่อให้มีความทนทานมากขึ้นและพัฒนาเทคนิคการผลิตขนาดใหญ่ที่มีต้นทุนต่ำ
โฟโตโวลตาอิกอินทรีย์
เซลล์ PV อินทรีย์หรือ OPV ประกอบด้วยสารประกอบที่อุดมด้วยคาร์บอน (อินทรีย์) และสามารถปรับแต่งเพื่อเพิ่มฟังก์ชันเฉพาะของเซลล์ PV เช่น bandgap ความโปร่งใส หรือสี ปัจจุบันเซลล์ OPV มีประสิทธิภาพเพียงครึ่งเดียวของเซลล์ซิลิคอนผลึกและมีอายุการใช้งานสั้นลง แต่การผลิตในปริมาณมากอาจมีราคาถูกกว่า นอกจากนี้ยังสามารถนำไปใช้กับวัสดุรองรับต่างๆ เช่น พลาสติกที่มีความยืดหยุ่น ทำให้ OPV สามารถรองรับการใช้งานได้หลากหลาย
จุดควอนตัม
เซลล์แสงอาทิตย์แบบจุดควอนตัมนำไฟฟ้าผ่านอนุภาคเล็กๆ ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ ที่มีความกว้างเพียงไม่กี่นาโนเมตร เรียกว่าจุดควอนตัม จุดควอนตัมเป็นวิธีใหม่ในการประมวลผลวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ แต่เป็นการยากที่จะสร้างการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างกัน ดังนั้นในปัจจุบันจึงยังไม่มีประสิทธิภาพมากนัก อย่างไรก็ตาม พวกมันสร้างเป็นโซลาร์เซลล์ได้ง่าย สามารถวางลงบนวัสดุพิมพ์โดยใช้วิธีการปั่นเคลือบ สเปรย์ หรือเครื่องพิมพ์แบบม้วนต่อม้วน เช่นเดียวกับที่ใช้พิมพ์หนังสือพิมพ์
จุดควอนตัมมีหลายขนาดและแถบคาดของพวกมันสามารถปรับแต่งได้ ทำให้พวกมันสามารถรวบรวมแสงที่ยากต่อการจับและจับคู่กับเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ เช่น perovskites เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์แบบหลายจุด (ดูเพิ่มเติมด้านล่าง)
พลังงานแสงอาทิตย์แบบมัลติจังค์ชั่น
อีกกลยุทธ์หนึ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์คือการจัดวางเซมิคอนดักเตอร์หลายชั้นเพื่อสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบหลายจุด เซลล์เหล่านี้เป็นกองวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานแล้ว เมื่อเทียบกับเซลล์แบบแยกเดี่ยวซึ่งมีเซมิคอนดักเตอร์เพียงตัวเดียว แต่ละชั้นมี bandgap ต่างกัน ดังนั้นแต่ละชั้นจึงดูดซับส่วนต่างๆ ของสเปกตรัมสุริยะที่แตกต่างกัน ทำให้ใช้แสงแดดได้ดีกว่าเซลล์แบบแยกเดี่ยว เซลล์แสงอาทิตย์แบบหลายทางแยกสามารถเข้าถึงระดับประสิทธิภาพที่บันทึกได้ เนื่องจากแสงที่ไม่ถูกดูดซับโดยชั้นเซมิคอนดักเตอร์แรกจะถูกดักจับโดยชั้นที่อยู่ข้างใต้
ในขณะที่เซลล์สุริยะทั้งหมดที่มีมากกว่าหนึ่งแถบความถี่เป็นเซลล์สุริยะแบบหลายจุด เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีช่องสัญญาณสองช่องพอดีจะเรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบควบคู่ เซลล์แสงอาทิตย์แบบมัลติจังก์ชันที่รวมเซมิคอนดักเตอร์จากคอลัมน์ III และ V ในตารางธาตุเรียกว่า เซลล์แสงอาทิตย์แบบมัลติจังก์ชัน III-V
เซลล์แสงอาทิตย์แบบหลายทางแยกได้แสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่สูงกว่า 45% แต่พวกมันมีราคาแพงและผลิตได้ยาก ดังนั้นจึงสงวนไว้สำหรับการสำรวจอวกาศ กองทัพใช้เซลล์แสงอาทิตย์ III-V ในโดรน และนักวิจัยกำลังสำรวจการใช้งานอื่นๆ สำหรับเซลล์สุริยะเหล่านี้ซึ่งประสิทธิภาพสูงเป็นกุญแจสำคัญ
โฟโตโวลตาอิกส์เข้มข้น
PV ความเข้มข้นหรือที่เรียกว่า CPV เน้นแสงแดดไปยังเซลล์แสงอาทิตย์โดยใช้กระจกหรือเลนส์ ด้วยการเน้นแสงแดดไปยังพื้นที่ขนาดเล็ก จึงจำเป็นต้องใช้วัสดุ PV น้อยลง วัสดุ PV จะมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อแสงมีความเข้มข้นมากขึ้น ดังนั้นเซลล์และโมดูล CPV จะมีประสิทธิภาพโดยรวมสูงสุด อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีราคาแพงกว่า เทคนิคการผลิต และความสามารถในการติดตามการเคลื่อนไหวของดวงอาทิตย์ ดังนั้นการแสดงให้เห็นถึงความได้เปรียบด้านต้นทุนที่จำเป็นในปัจจุบัน' โมดูลซิลิคอนปริมาณสูงจึงกลายเป็นเรื่องท้าทาย