การอภิปรายสั้น ๆ เกี่ยวกับประเภทของเซลล์แสงอาทิตย์

พลังงานแสงอาทิตย์เคยเป็นเพียงพลังงานสำรองสำหรับยานอวกาศและอุปกรณ์ล้ำสมัยเท่านั้น แต่ตอนนี้ไม่ใช่แบบนั้นอีกต่อไป ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา พลังงานแสงอาทิตย์ได้เปลี่ยนจากแหล่งพลังงานเฉพาะกลุ่มมาเป็นเสาหลักสำคัญของภูมิทัศน์พลังงานโลก

โลกได้รับรังสีดวงอาทิตย์อย่างต่อเนื่องประมาณ 173,000TW ซึ่งมากกว่าความต้องการไฟฟ้าเฉลี่ยทั่วโลกถึง 10 เท่า

[1] นั่นหมายความว่าพลังงานแสงอาทิตย์สามารถตอบสนองความต้องการพลังงานทั้งหมดของเราได้

ในช่วงครึ่งแรกของปี 2023 การผลิตพลังงานแสงอาทิตย์คิดเป็น 5.77% ของการผลิตไฟฟ้าทั้งหมดของสหรัฐฯ เพิ่มขึ้นจาก 4.95% ในปี 2022

[2] แม้ว่าเชื้อเพลิงฟอสซิล (ส่วนใหญ่เป็นก๊าซธรรมชาติและถ่านหิน) จะคิดเป็น 60.4% ของการผลิตพลังงานของสหรัฐฯ ในปี 2022

[3] แต่อิทธิพลที่เพิ่มขึ้นของพลังงานแสงอาทิตย์และการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์สมควรได้รับความสนใจ

 

ชนิดของเซลล์แสงอาทิตย์

 

ปัจจุบัน เซลล์แสงอาทิตย์ (หรือที่เรียกว่าเซลล์โฟโตวอลตาอิค (PV)) ในตลาดมี 3 ประเภทหลัก ได้แก่ เซลล์ผลึก เซลล์ฟิล์มบาง และเทคโนโลยีใหม่ แบตเตอรี่ 3 ประเภทนี้ต่างก็มีข้อดีในด้านประสิทธิภาพ ต้นทุน และอายุการใช้งาน

 

01 คริสตัล

แผงโซลาร์เซลล์บนหลังคาบ้านส่วนใหญ่ผลิตจากซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ที่มีความบริสุทธิ์สูง แบตเตอรี่ประเภทนี้มีประสิทธิภาพมากกว่า 26% และมีอายุการใช้งานมากกว่า 30 ปีในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

[4] ปัจจุบันแผงโซลาร์เซลล์ในครัวเรือนมีประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 22%

 

ซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์มีราคาถูกกว่าซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าและมีอายุการใช้งานสั้นกว่า ประสิทธิภาพที่ต่ำกว่าหมายความว่าต้องใช้แผงโซลาร์เซลล์มากขึ้นและต้องใช้พื้นที่มากขึ้น

 

เซลล์แสงอาทิตย์เซลล์แสงอาทิตย์แบบมัลติจั๊งก์ชั่นแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) มีประสิทธิภาพมากกว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบเดิม เซลล์เหล่านี้มีโครงสร้างหลายชั้น และแต่ละชั้นใช้สารที่แตกต่างกัน เช่น อินเดียมแกลเลียมฟอสไฟด์ (GaInP) อินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (InGaAs) และเจอร์เมเนียม (Ge) เพื่อดูดซับแสงอาทิตย์ที่มีความยาวคลื่นต่างกัน แม้ว่าคาดว่าเซลล์มัลติจั๊งก์ชั่นเหล่านี้จะมีประสิทธิภาพสูง แต่เซลล์เหล่านี้ยังคงมีต้นทุนการผลิตที่สูงและการวิจัยและพัฒนาที่ยังไม่พัฒนา ซึ่งจำกัดความเป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์และการใช้งานจริง

 

02 ฟิล์ม

ผลิตภัณฑ์โฟโตวอลตาอิคแบบฟิล์มบางที่เป็นกระแสหลักในตลาดโลกคือแผงโซลาร์เซลล์แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) แผงโซลาร์เซลล์ดังกล่าวได้รับการติดตั้งแล้วหลายล้านแผงทั่วโลก โดยมีกำลังการผลิตไฟฟ้าสูงสุดมากกว่า 30 กิกะวัตต์ แผงโซลาร์เซลล์เหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการผลิตไฟฟ้าในระดับสาธารณูปโภคในโรงงานในสหรัฐอเมริกา

 

ในเทคโนโลยีฟิล์มบางนี้ โมดูลพลังงานแสงอาทิตย์ขนาด 1 ตารางเมตรจะมีแคดเมียมน้อยกว่าแบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียม (Ni-Cd) ขนาด AAA นอกจากนี้ แคดเมียมในโมดูลพลังงานแสงอาทิตย์ยังจับกับเทลลูเรียม ซึ่งไม่ละลายน้ำและคงตัวที่อุณหภูมิสูงถึง 1,200°C ปัจจัยเหล่านี้ช่วยลดอันตรายจากพิษจากการใช้แคดเมียมเทลลูไรด์ในแบตเตอรี่ฟิล์มบาง

 

ปริมาณเทลลูเรียมในเปลือกโลกมีเพียง 0.001 ส่วนต่อล้านส่วนเท่านั้น เช่นเดียวกับแพลตตินัมซึ่งเป็นธาตุที่หายาก ความหายากของเทลลูเรียมสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อต้นทุนของโมดูลแคดเมียมเทลลูไรด์ อย่างไรก็ตาม เราสามารถลดปัญหานี้ได้ด้วยการรีไซเคิล

ประสิทธิภาพของโมดูลแคดเมียมเทลลูไรด์สามารถสูงถึง 18.6% และประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ในสภาพแวดล้อมห้องปฏิบัติการสามารถสูงเกิน 22% [5] การใช้สารเจือปนอาร์เซนิกเพื่อทดแทนสารเจือปนทองแดง ซึ่งใช้มาเป็นเวลานาน สามารถปรับปรุงอายุการใช้งานของโมดูลได้อย่างมากและไปถึงระดับที่เทียบได้กับแบตเตอรี่แบบคริสตัล

 

03เทคโนโลยีใหม่ที่กำลังเกิดขึ้น

 

เทคโนโลยีโฟโตวอลตาอิคส์ยุคใหม่ที่ใช้ฟิล์มบางพิเศษ (น้อยกว่า 1 ไมครอน) และเทคนิคการเคลือบโดยตรงจะช่วยลดต้นทุนการผลิตและให้เซมิคอนดักเตอร์คุณภาพสูงสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ เทคโนโลยีเหล่านี้คาดว่าจะกลายเป็นคู่แข่งของวัสดุที่มีอยู่แล้ว เช่น ซิลิกอน แคดเมียมเทลลูไรด์ และแกเลียมอาร์เซไนด์

 

[6]มีเทคโนโลยีฟิล์มบางที่รู้จักกันดีสามประเภทในสาขานี้ ได้แก่ คอปเปอร์สังกะสีดีบุกซัลไฟด์ (Cu2ZnSnS4 หรือ CZTS) สังกะสีฟอสไฟด์ (Zn3P2) และคาร์บอนนาโนทิวบ์ผนังเดี่ยว (SWCNT) ในห้องปฏิบัติการ เซลล์แสงอาทิตย์คอปเปอร์อินเดียมแกลเลียมเซเลไนด์ (CIGS) มีประสิทธิภาพสูงสุดที่น่าประทับใจที่ 22.4% อย่างไรก็ตาม การจำลองระดับประสิทธิภาพดังกล่าวในเชิงพาณิชย์ยังคงเป็นความท้าทาย

[7]เซลล์ฟิล์มบางเพอรอฟสไกต์จากตะกั่วฮาไลด์เป็นเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ที่กำลังได้รับความนิยม เพอรอฟสไกต์เป็นสารชนิดหนึ่งที่มีโครงสร้างผลึกตามสูตรเคมี ABX3 เป็นแร่สีเหลือง น้ำตาล หรือดำที่มีองค์ประกอบหลักคือแคลเซียมไททาเนต (CaTiO3) เซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเด็มเพอรอฟสไกต์ที่ใช้ซิลิกอนในเชิงพาณิชย์ที่ผลิตโดยบริษัท Oxford PV ของอังกฤษ มีประสิทธิภาพสูงสุดเป็นประวัติการณ์ที่ 28.6% และจะเริ่มผลิตในปีนี้

[8]ภายในเวลาเพียงไม่กี่ปี เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ก็มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับเซลล์ฟิล์มบางแคดเมียมเทลลูไรด์ที่มีอยู่ในปัจจุบัน ในงานวิจัยและการพัฒนาแบตเตอรี่เพอรอฟสไกต์ในช่วงแรก อายุการใช้งานถือเป็นปัญหาใหญ่ เนื่องจากสั้นมากจนคำนวณได้เพียงไม่กี่เดือนเท่านั้น

ปัจจุบัน เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์มีอายุการใช้งาน 25 ปีขึ้นไป ข้อดีของเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ในปัจจุบัน ได้แก่ ประสิทธิภาพการแปลงสูง (มากกว่า 25%) ต้นทุนการผลิตต่ำ และอุณหภูมิต่ำที่จำเป็นสำหรับกระบวนการผลิต

 

การสร้างแผงโซล่าเซลล์แบบบูรณาการ

 

เซลล์แสงอาทิตย์บางประเภทได้รับการออกแบบมาให้จับแสงได้เพียงบางส่วนของสเปกตรัมของดวงอาทิตย์โดยให้แสงที่มองเห็นได้ผ่านเข้ามาได้ เซลล์โปร่งใสเหล่านี้เรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสีย้อม (DSC) และถือกำเนิดขึ้นในสวิตเซอร์แลนด์เมื่อปี 1991 ผลการวิจัยและพัฒนาใหม่ๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้ปรับปรุงประสิทธิภาพของ DSC ให้ดีขึ้น และแผงเซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้อาจจะวางตลาดได้ในไม่ช้านี้

 

บริษัทบางแห่งเติมอนุภาคนาโนอนินทรีย์ลงในชั้นกระจกโพลีคาร์บอเนต อนุภาคนาโนในเทคโนโลยีนี้จะเลื่อนส่วนเฉพาะของสเปกตรัมไปที่ขอบกระจก ทำให้สเปกตรัมส่วนใหญ่สามารถผ่านเข้าไปได้ แสงที่รวมตัวอยู่ที่ขอบกระจกจะถูกนำไปใช้โดยเซลล์แสงอาทิตย์ นอกจากนี้ ปัจจุบันยังมีการศึกษาเทคโนโลยีการนำวัสดุฟิล์มบางเพอรอฟสไกต์ไปใช้กับหน้าต่างกระจกใสและผนังภายนอกอาคาร

 

วัตถุดิบที่จำเป็นสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์

เพื่อเพิ่มการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ ความต้องการในการขุดหาวัตถุดิบสำคัญ เช่น ซิลิกอน เงิน ทองแดง และอลูมิเนียม จะเพิ่มมากขึ้น กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริการะบุว่าซิลิกอนเกรดโลหะวิทยา (MGS) ประมาณ 12% ของโลกถูกแปรรูปเป็นโพลีซิลิกอนสำหรับแผงโซลาร์เซลล์

 

จีนเป็นผู้เล่นหลักในสาขานี้ โดยผลิต MGS ประมาณร้อยละ 70 ของโลกและโพลีซิลิคอนร้อยละ 77 ของอุปทานในปี 2563

 

กระบวนการแปลงซิลิกอนเป็นโพลีซิลิกอนต้องใช้ความร้อนที่สูงมาก ในจีน พลังงานสำหรับกระบวนการเหล่านี้ส่วนใหญ่มาจากถ่านหิน ซินเจียงมีทรัพยากรถ่านหินมากมายและต้นทุนไฟฟ้าต่ำ และการผลิตโพลีซิลิกอนคิดเป็น 45% ของผลผลิตทั่วโลก

 

[12]การผลิตแผงโซลาร์เซลล์ใช้เงินประมาณ 10% ของเงินทั้งหมดของโลก การทำเหมืองเงินเกิดขึ้นส่วนใหญ่ในเม็กซิโก จีน เปรู ชิลี ออสเตรเลีย รัสเซีย และโปแลนด์ และอาจนำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น การปนเปื้อนของโลหะหนักและการอพยพชุมชนในท้องถิ่นโดยบังคับ

 

การทำเหมืองทองแดงและอลูมิเนียมยังสร้างความท้าทายต่อการใช้ที่ดินอีกด้วย สำนักงานสำรวจธรณีวิทยาของสหรัฐฯ ระบุว่าชิลีผลิตทองแดงได้ 27% ของการผลิตทองแดงทั่วโลก รองลงมาคือเปรู (10%) จีน (8%) และสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก (8%) สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (IEA) เชื่อว่าหากการใช้พลังงานหมุนเวียนทั่วโลกถึง 100% ภายในปี 2050 ความต้องการทองแดงจากโครงการพลังงานแสงอาทิตย์จะเพิ่มขึ้นเกือบสามเท่า

[13]บทสรุป

 

พลังงานแสงอาทิตย์จะกลายเป็นแหล่งพลังงานหลักของเราในสักวันหนึ่งหรือไม่ ราคาของพลังงานแสงอาทิตย์กำลังลดลงและประสิทธิภาพกำลังดีขึ้น ในขณะเดียวกัน มีเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ให้เลือกใช้มากมาย เราจะระบุเทคโนโลยีหนึ่งหรือสองอย่างได้เมื่อใดและนำไปใช้ให้เกิดประโยชน์ได้จริง เราจะผสานพลังงานแสงอาทิตย์เข้ากับโครงข่ายไฟฟ้าได้อย่างไร

 

วิวัฒนาการของพลังงานแสงอาทิตย์จากเฉพาะทางไปสู่กระแสหลักเน้นย้ำถึงศักยภาพในการตอบสนองและเกินความต้องการพลังงานของเรา แม้ว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบผลึกจะครองตลาดในปัจจุบัน แต่ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีฟิล์มบางและเทคโนโลยีใหม่ ๆ เช่น แคดเมียมเทลลูไรด์และเพอรอฟสไกต์กำลังปูทางไปสู่การใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพและบูรณาการมากขึ้น พลังงานแสงอาทิตย์ยังคงเผชิญกับความท้าทายมากมาย เช่น ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการขุดวัตถุดิบและอุปสรรคในการผลิต แต่ถึงอย่างไร พลังงานแสงอาทิตย์ก็เป็นอุตสาหกรรมที่เติบโตอย่างรวดเร็ว มีนวัตกรรม และมีแนวโน้มที่ดี

 

ด้วยความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและแนวทางปฏิบัติที่ยั่งยืน การเติบโตและการพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์จะนำไปสู่อนาคตของพลังงานที่สะอาดและอุดมสมบูรณ์ยิ่งขึ้น ด้วยเหตุนี้ พลังงานแสงอาทิตย์จึงเติบโตอย่างมีนัยสำคัญในส่วนผสมพลังงานของสหรัฐฯ และคาดว่าจะกลายเป็นโซลูชันที่ยั่งยืนระดับโลก