เซลล์แสงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์ผลิตจากชั้นผลึกคริสตัลชั้นเดียวที่เรียกว่า a monocrystalline silicon wafer ที่มี contact grid ที่ทำจาก busbars (แถบใหญ่) และ fingers (แถบเล็ก)

เซลล์สุริยะ (อังกฤษ: solar cell) หรือ เซลล์โฟโตวอลเทอิก (Photovoltaic cell) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าซึ่งทำหน้าที่แปลงพลังงานแสงหรือโฟตอนเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยตรงโดยปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก[1] นั่นก็คือ คุณสมบัติของสารเช่น ค่าความต้านทาน แรงดัน และกระแส จะเปลี่ยนไปเมื่อมีแสงตกกระทบโดยไม่ต้องอาศัยแหล่งจ่ายไฟภายนอก และเมื่อต่อหลอดไฟ จะทำให้เกิดกระแสไหลผ่านหลอดนั้นได้

คำนิยามและความหมาย

คำว่า "Photovoltaic" มาจากภาษากรีก φῶς ( Photo ) หมายถึง "แสง" และคำว่า "โวลต์" ซึ่งเป็นหน่วยของแรงเหนี่ยวนำ, คำว่าโวลต์มาจากนามสกุลของนักฟิสิกส์ชาวอิตาเลียนชื่อ อเลสซานโดร Volta ซึ่งเป็นนักประดิษฐ์แบตเตอรี่ (เซลล์ไฟฟ้าเคมี ) คำว่า "Photovoltaic" ถูกใช้ใน ภาษาอังกฤษตั้งแต่ปี 1849[2]

หลักการทำงาน

โฟโตวอลเทอิกเป็นสาขาของเทคโนโลยีและการวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการประยุกต์ใช้เซลล์แสงอาทิตย์ในการผลิตกระแสไฟฟ้าจากแสง แม้คำว่าเซลล์แสงอาทิตย์มักถูกนำมาใช้เพื่อหมายถึงเซลล์ที่ใช้ผลิตกระแสไฟฟ้าจากแสงแดดโดยเฉพาะ แต่ความจริงแล้วแหล่งกำเนิดแสงไม่จำเป็นต้องเป็นดวงอาทิตย์ (เช่นแสงตะเกียงหรือไฟเทียม ฯลฯ) ในกรณีดังกล่าว เซลล์นั้นบางครั้งจะถูกเรียกเป็นตัวตรวจจับแสง (อังกฤษ: photodetector) (เช่น ตัวตรวจจับแสงอินฟราเรด) เพื่อตรวจจับแสงหรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆที่อยู่ในทัศนวิสัย หรือใช้วัดความเข้มของแสง

เซลล์แสงอาทิตย์สามารถนำมาใช้ในอุปกรณ์หลากหลายเช่นเครื่องชาร์จพกพาที่ทำจาก monocrystalline แบบนี้

การทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์หรือ photovoltaic (PV) cell ต้องมีคุณสมบัติพื้นฐาน 3 อย่างดังนี้

  • การดูดซึมของแสงเพื่อสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮล หรือ เอ็กซิตอน อย่างใดอย่างหนึ่ง
  • การแยกต่างหากของตัวขนส่งประจุที่ต่างชนิดกัน
  • การสกัดการแยกออกจากกันของตัวขนส่งเหล่านั้นออกไปยังวงจรภายนอก

ในทางตรงกันข้าม ตัวสะสมความร้อนจากแสงอาทิตย์จะจ่ายความร้อน โดยการดูดซับแสงแดด เพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ความร้อนโดยตรงหรือใช้ในการผลิตไฟฟ้าโดยอ้อมอย่างใดอย่างหนึ่ง

A monocrystalline solar cell

ในทางตรงกันข้าม "Photoelectrolytic cell" (photoelectrochemical cell) หมายถึง อย่างใดอย่างหนึ่งว่าเป็นชนิดหนึ่งของเซลล์สุริยะ (เช่นที่ พัฒนาโดย AE Becquerel และ modern dye-sensitized solar cells​​) หรือเป็นอุปกรณ์อย่างหนึ่งที่แยกน้ำโดยตรงให้เป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยการใช้พลังงานส่องสว่างจากดวงอาทิตย์เท่านั้น

เซลล์แสงอาทิตย์หลายๆชุดถูกประกอบเข้าด้วยกันเพื่อทำเป็นแผงเซลล์แสงอาทิตย์ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าจากแสงแดด หลายๆเซลล์รวมเข้ามาเป็นกลุ่มๆ ทุกกลุ่มวางตัวเป็นหนึ่งแผง เรียกว่าแผงโซลาร์เซลล์หนึ่งแผงหรือหนึ่ง "โมดูลของเซลล์แสงอาทิตย์" ซึ่งจะแตกต่างจาก"โมดูล ความร้อนแสงอาทิตย์" หรือ "แผงน้ำร้อนแสงอาทิตย์ . " พลังงานไฟฟ้าที่ถูกสร้างขึ้นจากโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ซึ่งถูกเรียกขานว่าพลังงานแสงอาทิตย์เป็นตัวอย่างของการนำพลังงานจากดวงอาทิตย์มาใช้ กลุ่มของแผงเซลล์แสงอาทิตย์หลายๆแผงที่เชื่อมต่อกันเรียกว่า "อาเรย์"

ประวัติการค้นพบ

ปรากฏการณ์ของโฟโตโวลตาอิกถูกแสดงให้เห็นถึงด้วยการทดลองเป็นครั้งแรกโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อ A.E. Becquerel ในปี 1839 ตอนอายุ 19 เขาทำการทดลองในห้องปฏิบัติการ ของพ่อของเขา เขาได้สร้างเซลล์แสงอาทิตย์เป็นตัวแรกของโลก ต่อมา Willoughby Smith ได้ อธิบาย"ผลของแสงบนซีลีเนียมระหว่างเดินทางของกระแสไฟฟ้า"เป็นครั้งแรกในบทความชิ้นหนึ่งที่ได้รับการตีพิมพ์ในฉบับ 20 กุมภาพันธ์ 1873 เรื่องธรรมชาติ อย่างไรก็ตามมันไม่มีอะไรเกิดขึ้นจนกระทั่งปี 1883 เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำด้วย solid state ได้ถูกสร้างขึ้นเป็นครั้งแรกโดย Charles Fritts ผู้เคลือบสารกึ่งตัวนำซีลีเนียมด้วยชั้นที่บางมากๆของทองเพื่อทำให้เป็นทางเชื่อม(อังกฤษ: junction) อุปกรณ์นี้มีประสิทธิภาพประมาณ 1% เท่านั้น ในปี 1888 นักฟิสิกส์ชาวรัสเซียชื่อ Aleksandr Stoletov สร้างเซลล์แรกที่อยู่บนพื้นฐานของปรากฏการ์ณโฟโตโวลตาอิกด้านนอกที่ถูกค้นพบโดย Heinrich Hertz ก่อนหน้านี้ในปี 1887[3]

Albert Einstein ได้อธิบายกลไกพื้นฐานของตัวกระตุ้นผู้ขนส่งที่ส่งเสริมด้วยแสง หรือผลของโฟโตโวลตาอิก ในปี 1905 ที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ในปี 1921[4] ต่อมา Russell Ohl จดสิทธิบัตรเซลล์แสงอาทิตย์ทำด้วยเซมิคอนดักเตอร์ทางเชื่อมในปี 1946[5] ซึ่งถูกค้นพบในขณะที่เขากำลังทำงานในหลายชุดของความก้าวหน้าที่จะนำไปสู่​​ทรานซิสเตอร์

เซลล์แสงอาทิตย์ในทางปฏิบัติตัวแรกได้รับการพัฒนาในปี 1954 ที่ Bell Laboratories[6] โดย Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller และ Gerald Pearson พวกเขาใช้ซิลิกอนจุดเชื่อม p-n แบบกระจัดกระจาย ที่ทำประสิทธิภาพได้ถึง 6% เมื่อเทียบกับเซลล์ซีลีเนียมที่พบว่ามันยากที่จะไปถึง 0.5%[7] นาย Les Hoffman ซึ่งเป็นซีอีโอ ของบริษัท ฮอฟแมน อิเล็กทรอนิกส์ได้ให้แผนกเซมิคอนดักเตอร์ของเขาบุกเบิกการผลิตและการผลิตแบบจำนวนมากของเซลล์แสงอาทิตย์. จาก 1954 ถึง 1960 ฮอฟแมนได้ปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์จาก 2% ให้เป็น 14%. ในตอนแรกเซลล์พวกนั้นถูกพัฒนา สำหรับของเล่นและการใช้งานเล็กๆน้อยๆอื่นๆ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้มีต้นทุนที่สูงมาก ในแง่การเปรียบเทียบ เซลล์ที่ผลิต 1 วัตต์ของพลังงานไฟฟ้าด้วยแสงแดดที่สดใสเสียค่าใช้จ่าย ประมาณ $250 เปรียบเทียบกับ $2 ถึง $3 ต่อวัตต์ไฟฟ้าจากโรงงานถ่านหิน

อาจจะเป็นเพราะความสำเร็จที่ทำโดยฮอฟแมนอิเล็กทรอนิกส์ เซลล์แสงอาทิตย์ถูกนำออกจากความสับสนโดยข้อเสนอแนะให้นำพวกมันไปใช้กับดาวเทียม Vanguard I ที่เปิดตัวใน ปี 1958 ในแผนเดิม ดาวเทียมจะได้รับพลังงานจากแบตเตอรี่เท่านั้น และเป็นไปตามแผนในช่วงเวลาสั้นๆก่อนที่แผนนี้จะถูกพับลงไป โดยการเพิ่มเซลล์ที่ด้านนอกของตัวยาน เวลาสำหรับภารกิจอาจจะถูกขยายออกไปโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญกับตัวยานอวกาศหรือระบบพลังงานของมัน ในปี 1959 ประเทศสหรัฐอเมริกาส่งยาน Explorer 6. มันใช้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดใหญ่คล้ายกับปีก ซึ่งกลายเป็นคุณสมบัติทั่วไปในดาวเทียมในอนาคต อาร์เรย์เหล่านี้ประกอบด้วย 9600 ชุดของเซลล์แสงอาทิตย์ของฮอฟแมน มีความสงสัยในทางลบบางอย่างในตอนแรก แต่ในทางปฏิบัติ เซลล์พิสูจน์แล้วว่าเป็นความสำเร็จอย่างมาก และเซลล์แสงอาทิตย์ได้รับการออกแบบ อย่างรวดเร็วในดาวเทียมใหม่ๆ ที่โดดเด่นก็คือที่เทลสตาร์ของเบลล์

การปรับปรุงเป็นไปอย่างเชื่องช้าในอีกสองทศวรรษต่อมา และการใช้งานอย่างแพร่หลายเป็นการใช้ในการใช้ในงานอวกาศเท่านั้น ในที่ซึ่งอัตราส่วนระหว่างพลังงานกับน้ำหนักของเซลล์เหล่านี้จะสูงกว่าเทคโนโลยีที่แข่งขันกันอยู่ใดๆ อย่างไรก็ตาม ความสำเร็จนี้ยังเป็นเหตุผลสำหรับความคืบหน้าที่ช้าอีกด้วยเนื่องจากผู้ใช้ในอวกาศก็เต็มใจที่จะจ่ายเท่าไรก็ได้สำหรับเซลล์ที่ดีที่สุดที่เป็นไปได้ ไม่มีเหตุผลอะรที่จะลงทุนในการแก้ปัญหาให้ต้นทุนต่ำลงถ้าจะเป็นการลดประสิทธิภาพ แทนที่จะทำอย่างนั้น ราคาของเซลล์จะถูกกำหนดอย่างมากโดยอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากพวกเขาย้ายไปทำวงจรรวมในปี 1960 ได้นำไปสู่​​ความพร้อมของผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่ในราคาที่ต่ำกว่า ในขณะที่ราคาของวงจรรวมลดลง ราคาของเซลล์ที่เกิดขึ้นก็ลดลงเช่นกัน อย่างไรก็ตาม ผลกระทบเหล่านี้ถูกจำกัดลง และในปี 1971 ต้นทุนของเซลล์ประมาณว่าได้ลดลงเหลือ $100 ต่อวัตต์[8]

ในช่วงเวลาที่ผ่านมา การปรับปรุงเพิ่มเติมได้ทำให้ต้นทุนการผลิตลดลงต่ำกว่า $1 ต่อวัตต์ และมีราคาขายส่งอยู่ที่ต่ำกว่า $2 ค่าใช้จ่ายในส่วนของการทำ"สมดุลของระบบ"ตอนนี้สูงกว่าค่าแผงเซลล์เสียอีก ในปี 2010 อาร์เรย์เชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่สามารถถูกสร้างได้ต่ำกว่า $3.40 ต่อวัตต์หลังการทำ commissioning ระบบอย่างเต็มที่

ขณะที่อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ถูกเคลื่อนไปสู่เซลล์ที่มีขนาดใหญ่กว่าเดิม อุปกรณ์เก่าจึงถูกขายออกไปในราคาที่ถูกมากๆ เซลล์มีขนาดใหญ่ขึ้นในขณะที่อุปกรณ์เก่าที่ยังมีอยู่ในตลาดกลายเป็นส่วนเกินเช่นแผงเดิมของ ARCO Solar ที่ใช้เซลล์ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 2 ถึง 4 นิ้ว (50 ถึง 100 มม.) แผงในปี 1990 และ ต้น 2000 โดยทั่วไปใช้เวเฟอร์ขนาด 5 นิ้ว ( 125 มิลลิเมตร) และตั้งแต่ ปี 2008 เกือบทุกแผงใหม่ใช้เซลล์ขนาด 6 นิ้ว (150 มิลลิเมตร) การเข้าตลาดอย่างแพร่หลายของโทรทัศน์จอแบนในปลายปี 1990 และ ต้นยุค 2000 นำไปสู่​​การมีจำหน่ายอย่างกว้างขวางของแก้วคุณภาพสูงแผ่นใหญ่ๆที่ใช้บนด้านหน้าของแผงเซลล์

ในช่วงปี 199X, เซลล์แบบโพลีซิลิคอนได้รับความนิยมมากขึ้น เซลล์เหล่านี้ให้ประสิทธิภาพต่ำกว่า monosilicon ที่เป็นเพื่อนของมัน แต่พวกมันจะถูกสร้างในถังขนาดใหญ่ที่ช่วยลดต้นทุนการผลิต โดยช่วงกลางยุค 200X, โพลีซิลิคอนเป็นที่โดดเด่นในตลาดแผงต้นทุนต่ำ แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้ ความหลากหลายของปัจจัยได้ผลักดันให้โมโนซิลิคอนที่มีประสิทธิภาพสูงได้กลับเข้ามาใช้งานอย่างแพร่หลาย

หลายผู้ผลิตของเซลล์แบบเวเฟอร์ได้ตอบสนองกับราคาซิลิกอนสูงในราคาที่ 2004-2008 ด้วยการลดอย่างรวดเร็วในการบริโภคซิลิกอน ในปี 2008 ตามที่ Jef Poortmans ผู้อำนวยการฝ่าย อินทรีย์และพลังงานแสงอาทิตย์ของ IMEC เซลล์ปัจจุบันจะใช้ระหว่างแปดถึงเก้ากรัมของ ซิลิคอนในการผลิตกระแสไฟฟ้าต่อวัตต์ ด้วยเวเฟอร์ที่มีความหนาในราว 0.200 มิลลิเมตร

การผลิตและใช้งาน

ในต่างประเทศ

เทคโนโลยีอื่นๆได้พยายามที่จะเข้าสู่ตลาด ตอนแรก Solar เป็นผู้ผลิตแผงที่ใหญ่ที่สุดในระยะสั้นๆในปี 2009 ในแง่ของการผลิตพลังงานต่อปี การใช้เซลล์ชนิดฟิล์มบางสอดไส้ระหว่างแก้ว สองชั้น ตั้งแต่นั้นมา แผงซิลิกอนได้รับคืนตำแหน่งที่โดดเด่นของพวกมันทั้งในแง่ของราคาที่ลดลงและการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของการผลิตของจีน ส่งผลให้จีนเป็นผู้ผลิตชั้นนำ ในช่วงปลายปี 2011 ผลิตผลที่มีประสิทธิภาพในประเทศจีน ควบคู่ไปกับการลดลงของอุปสงค์ในยุโรปที่เกิดจากความวุ่นวายงบประมาณได้ลดราคาลงสำหรับแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ผลึก crystal ลงไปที่ ประมาณ $1.09[9] ต่อวัตต์ในเดือนตุลาคม 2011 ราคายังคงตกในปี 2012 ถึง $0.62/watt ใน 4Q2012 โดยคาดว่าจะมีการลดราคาต่อไปอีกในปี 2013[10] ปี ๒๕๕๓ [11]

กระบวนการที่ทันสมัยมากขึ้นอันหนึ่งคือ โมโน-เหมือน-มัลติ วัตถุประสงค์เพื่อให้ประสิทธิภาพการทำงานของโมโนมีเท่าค่าใช้จ่ายของโพลีและอยู่ในระหว่างการเปิดตัวในปี 2012. ในปี 2013 การดิ่งลงของต้นทุนของซิลิกอนยังคงมีต่อไปเพื่ออนำไปในยุคใหม่ของเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีราคาไม่แพง ทำให้ต้นทุนของ'ไม่ใช่เซลล์' และแม้กระทั่ง 'ไม่ใช่โมดูล' มีความสำคัญมากกว่าที่เคย สำหรับความก้าวหน้าของพลังงานแสงอาทิตย์ที่ประหยัด

ในประเทศไทย

ในประเทศไทย เริ่มมีการติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อผลิตไฟฟ้ามาตั้งแต่ปี 2526 จนถึงปี 2553 มียอดติดตั้งรวม 100.39 MW แจกจ่ายไฟฟ้า(เฉพาะเชื่อมกับสายส่งของ กฟผ แล้ว) ทั้งปี 2553 รวม 21.6 GWh หรือ 0.0134% ของปริมาณความต้องการใช้ไฟฟ้าทั้งหมด 161,350 GWh โดยการไฟฟ้าฝ่ายผลิต ผลิตไฟฟ้าได้ 2.2 GWh ผู้ผลิตรายย่อย 19.4 GWh

ตามพระราชบัญญัติการพัฒนาพลังงานหมุนเวียน 15 ปีนับจากปี 2552 กำหนดเป้าหมายการใช้พลังงานหมุนเวียนไว้ที่ 20.3% ของพลังงานทั้งหมด โดยมีสัดส่วนของพลังงานจากเซลล์แสงอาทิตย์อยู่ที่ 6% ดังนั้น ตามแผนงาน ในปี 2565 ประเทศไทยต้องมีโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยเซลล์แสงอาทิตย์มีกำลังการผลิตรวม 500 MW ตัวเลขในปี 2554 อยู่ระหว่างดำเนินการติดตั้ง 265 MW และอยู่ระหว่างการพิจารณาจาก กฟผ อีก 336 MW[12]

โรงไฟฟ้าที่สร้างที่จังหวัดลพบุรีด้วยเทคโนโลยี amorphous thin film ต้องใช้แผงเซลล์แสงอาทิตย์ถึง 540,000 ชุด มีกำลังการผลิต 73 MW จะเป็นโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ระบบโฟโตโวลตาอิคส์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก[13]

การประยุกต์ใช้

เซลล์แสงอาทิตย์ polycrystalline ที่วัตถุด้านหลังถูกเคลือบในโมดูล
เซลล์สุริยะ โพลี่คริสตัลไลน์
บทความหลัก: photovoltaic system

เซลล์แสงอาทิตย์ มักจะมีการเชื่อมต่อและห่อหุ้มด้วยระบบไฟฟ้าเป็นโมดูล โมดูลนี้มักจะมีแผ่น กระจกด้านหน้า (หันหาดวงอาทิตย์) ช่วยให้แสงผ่านในขณะที่มันปกป้องเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์จากรอยขีดข่วนและแรงกระทบอันเนื่องมาจากฝุ่นที่พัดมากับลม, ฝน, ลูกเห็บ ฯลฯ เซลล์แสงอาทิตย์ยังมีการเชื่อมต่อแบบอนุกรมในโมดูลเพื่อผบวกแรงดันเข้าด้วยกัน แม้ว่าการเชื่อมต่อเซลล์แบบขนานจะให้กระแสที่สูงขึ้น แต่ก็มีปัญหาที่สำคัญมากเกิดขึ้น ตัวอย่างเช่น ผลกระทบจากเงาสามารถทำให้แถว(ของหลายเซลล์ที่ต่ออนุกรม)ในแนวขนานที่อ่อนแอปิดตัวลดลง (สว่างน้อยกว่า) ก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานที่สำคัญและยังทำลายแถวที่อ่อนแอนั้นด้วย อันเนื่องมาจากการให้ไบอัสกลับหลังที่มีมากเกินไปที่ใส่ให้กับเซลล์เงาจากพันธมิตรที่ส่องสว่าง สตริงของเซลล์อนุกรมมักจะได้รับการจัดการอย่างเป็นอิสระและไม่ได้ถูกเชื่อมต่อแบบขนาน ยกเว้นจะเป็นวงจรขนานพิเศษ แม้ว่าโมดูลสามารถถูกเชื่อมต่อระหว่างกันเพื่อสร้างอาร์เรย์ที่มี แรงดันไฟฟ้าดีซีสูงสุดและกำลังการผลิตกระแสโหลดที่ต้องการโดยการใช้ MPPTs อิสระ (maximum power point trackers) ที่จะให้ทางออกที่ดีกว่า ในกรณีที่ไม่มีวงจรขนาน shunt diodes สามารถนำมาใช้เพื่อลดการสูญเสียพลังงานอันเนื่องมาจากการเกิดเงาในอาร์เรย์กับชุดเซลล์ที่ต่อกันอยู่แบบอนุกรม/ขนาน

เพื่อให้ใช้พลังงานที่สร้างโดยแสงอาทิตย์ในทางปฏิบัติ ส่วนใหญ่กระแสไฟฟ้ามักจะป้อนเข้ากริดไฟฟ้าโดยใช้อินเวอร์เตอร์ (ระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่เชื่อมต่อเข้ากับกริด); ในระบบสแตนด์อะโลน, แบตเตอรี่จะถูกใช้ในการเก็บพลังงานที่ไม่จำเป็นต้องใช้ในตอนนั้น แผงเซลล์แสงอาทิตย์ สามารถใช้ในการให้กำลังไฟหรือชาร์จอุปกรณ์พกพา

ประสิทธิภาพ

แผงเซลล์แสงอาทิตย์บนสถานีอวกาศนานาชาติดูดซับแสงจากทั้งสองด้าน เซลล์สองหน้าเหล่านี้มีประสิทธิภาพมากขึ้นและทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่าแบบด้านเดียวที่ขนาดเทียบเท่ากัน
บทความหลัก: Solar cell efficiency

ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ตัวหนึ่งอาจถูกแยกออกเป็น ประสิทธิภาพการสะท้อน, ประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์, ประสิทธิภาพในการแยกตัวขนส่งประจุและประสิทธิภาพในการนำกระแส ประสิทธิภาพโดยรวมเป็นผลผลิตของประสิทธิภาพแต่ละตัวเหล่านี้

เซลล์แสงอาทิตย์มักจะมีเส้นโค้งประสิทธิภาพแรงดันไฟฟ้าไม่อิสระ, ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิและ มุมเงา (อังกฤษ: shadow angle)

เนื่องจากความยากลำบากในการวัดพารามิเตอร์เหล่านี้โดยตรง พารามิเตอร์อื่นๆจึงถูกวัดแทนเช่นประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์, ประสิทธิภาพทางควอนตัม,ประสิทธิภาพควอนตัมแบบบูรณาการ, อัตราส่วน VOC และปัจจัยการเติม. การสูญเสียเนื่องจากการสะท้อนเป็นส่วนหนึ่งของ ประสิทธิภาพควอนตัมภายใต้ "ประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก". ความเสียหายจากการรวมตัวกัน สร้างส่วนหนึ่งของประสิทธิภาพควอนตัม, อัตราส่วน VOC และปัจจัยการเติม การสูญเสียจากแรงต้านทานส่วนใหญ่มีการแบ่งประเภทภายใต้ปัจจัยเติม แต่ยังสร้างส่วนเล็กๆน้อยๆของประสิทธิภาพควอนตัม, อัตราส่วน VOC

ปัจจัยเติมถูกกำหนดเป็นอัตราส่วนของพลังงานสูงสุดที่ได้รับจริงกับผลผลิตของแรงดันไฟฟ้า วงจรเปิดและกระแสลัดวงจร สิ่งนี้เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญในการประเมินประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ รูปแบบของเซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์จะมีปัจจัยเติม > 0.70. เซลล์ เกรด B มีปัจจัยเติมปกติระหว่าง 0.4 ถึง 0.7[14]. เซลล์ที่มีปัจจัยเติมที่สูงจะมีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าที่ต่ำและมีความต้านทาน shunt เทียบเท่าที่สูง ดังนั้นกระแสที่น้อยกว่าที่ถูกผลิตโดยเซลล์จะถูกกระจายไปในความสูญเสียภายใน

อุปกรณ์ซิลิกอนผลึก crystalline ทางเชื่อม p-n เดี่ยวตอนนี้จะเข้าใกล้ข้อจำกัดทางทฤษฎีของ ประสิทธิภาพทางพลังงานที่ 33.7 %, เป็นไปตามข้อสังเกตของขีดจำกัดของ Shockley-Queisser ในปี 1961. ในแบบสุดขั้ว ที่มีจำนวนอนันต์ของเลเยอร์ ข้อจำกัดที่สอดคล้องจะเป็น 86% โดยใช้แสงแดดเข้มข้น[15]

ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์แยกประเภทขบวนการผลิตในแต่ละผู้ผลิต

ใน กันยายน 2013, เซลล์แสงอาทิตย์ประสบความสำเร็จสถิติโลกใหม่ด้วยประสิทธิภาพร้อยละ 44.7 ที่แสดงให้เห็นโดยสถาบันเยอรมัน Fraunhofer สำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์[16]

ค่าใช้จ่าย

ค่าใช้จ่ายของเซลล์แสงอาทิตย์จะถูกกำหนดเป็นต่อหน่วยของพลังงานไฟฟ้าสูงสุด(peek) ภาษี ของพลังงานดิบที่ได้จากแสงอาทิตย์จะแตกต่างกันไปทั่วโลกและแม้แต่ในแต่ละรัฐภายในประเทศเดียวกันก็ตาม[17] การเก็บภาษีดังกล่าวจะมีประสิทธิภาพสูงในการส่งเสริมการพัฒนาโครงการพลังงานแสงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงเป็นที่สนใจเพื่อลดค่าใช้จ่ายของพลังงานแสงอาทิตย์ ค่าใช้จ่ายจำนวนมากของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์เป็นสัดส่วนกับพื้นที่แผงหรือพื้นที่ของโรงงาน เซลล์ที่มีประสิทธิภาพที่สูงกว่าอาจจะลดพื้นที่ที่จำเป็นและเพื่อลดค่าใช้จ่ายของโรงงานทั้งหมด แม้ว่าตัวเซลล์เองมีค่าใช้จ่ายที่มากกว่า ในการประเมินทางเศรษฐศาสตร์ของโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ ประสิทธิภาพของเซลล์เปล่าที่จะเป็นประโยชน์จะต้องได้รับการประเมินภายใต้เงื่อนไขที่เป็นจริง พารามิเตอร์พื้นฐานที่จำเป็นต้องได้รับการประเมินก็คือกระแสลัดวงจรและแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด[18]

แผนภูมิด้านบนแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพในห้องปฏิบัติการที่ดีที่สุดที่ได้รับสำหรับวัสดุและเทคโนโลยีที่หลากหลาย โดยทั่วไปสิ่งนี้จะทำบนเซลล์ที่มีขนาดเล็กมาก เช่น หนึ่งตาราง เซนติเมตร ประสิทธิภาพเชิงพาณิชย์ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

Grid parity หมายถึงจุดที่ไฟฟ้าจากสุริยะเท่ากับหรือถูกกว่าพลังงานจากกริด Grid parity สามารถเข้าถึงได้โดยใช้เซลล์แสงอาทิตย์ต้นทุนต่ำ ผู้นำเสนอพลังงานแสงอาทิตย์หวังที่จะได้รับ grid parity แต่แรกในพื้นที่ที่มีความอุดมสมบูรณ์ของแสงอาทิตย์ และค่าใช้จ่ายที่สูงสำหรับการผลิตไฟฟ้าเช่นในรัฐแคลิฟอร์เนียและญี่ปุ่น[19] บางคนแย้งว่า grid parity มีได้ในฮาวายและเกาะอื่นๆที่หันมาใช้น้ำมันดีเซลในการผลิตไฟฟ้า จอร์จ ดับเบิลยู บุช ได้ตั้งปี 2015 เป็นวันที่สำหรับ grid parity ในสหรัฐอเมริกา[20][21] การพูดในที่ประชุมในปี 2007 หัวหน้าวิศวกร General Electric ได้คาดการณ์ grid parity โดยไม่ต้องมีการอุดหนุนในบริเวณที่แดดจัดๆของประเทศสหรัฐอเมริการาวปี 2015[22] สมาคมเซลล์แสงอาทิตย์ได้รายงานในปี 2012 ว่า ประเทศออสเตรเลียได้ grid parity แล้ว(ไม่นำเอาฟีดในอัตราภาษีศุลกากรมาพิจารณา)[23]

วัสดุในทางปฏิบัติ

ข้อจำกัดของ Shockley-Queisser สำหรับประสิทธิภาพสูงสุดทางทฤษฎีของเซลล์แสงอาทิตย์ เซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างของแบนด์ ระหว่าง 1 ถึง 1.5eV หรือใกล้แสงอินฟราเรดใกล้ จะมีศักยภาพมากที่สุดในการขึ้นรูปแบบของเซลล์ทางเชื่อมเดียวที่มีประสิทธิภาพ (ประสิทธิภาพ"จำกัด" ที่แสดงนี้สามารถเกินกว่านี้ได้โดย เซลล์แสงอาทิตย์แบบ multijunction)

วัสดุที่ต่างกันแสดงประสิทธิภาพที่ต่างกันและมีค่าใช้จ่ายที่ต่างกัน วัสดุสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ ที่มีประสิทธิภาพจะต้องมีลักษณะที่ตรงกับสเปกตรัมของแสงที่มีอยู่ เซลล์บางตัวถูกออกแบบมาเพื่อแปลงความยาวคลื่นของแสงอาทิตย์ที่มาถึงพื้นผิวโลกได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม เซลล์แสงอาทิตย์บางตัวจะเหมาะสำหรับการดูดซึมแสงนอกชั้นบรรยากาศของโลกได้เป็นอย่างดี วัสดุที่ดูดซับแสงมักจะสามารถใช้ในการกำหนดค่าทางกายภาพหลายอย่างเพื่อใช้ประโยชน์จากการดูดกลืนแสงที่แตกต่างกันและกลไกการแยกประจุ

เซลล์แสงอาทิตย์อุตสาหกรรมถูกทำจากซิลิกอน monocrystalline , polycrystalline ซิลิคอน, ซิลิคอนอสัณฐาน, แคดเมียมเทลลูไรด์ หรือทองแดง อินเดียม selenide/ซัลไฟด์ หรือ ระบบที่ใช้วัสดุ multijunction ที่มีพื้นฐานจาก GaAs

เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีอยู่ในปัจจุบันจำนวนมากจะทำจากวัสดุที่เป็นกลุ่มที่ถูกตัดให้เป็นเวเฟอร์หนา ระหว่าง 180 ถึง 240 ไมโครเมตร แล้วนำไปผ่านขบวนการผลิตเหมือนเซมิคอนดักเตอร์อื่น ๆ

ผลึกซิลิกอน

โครงสร้างพื้นฐานของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำด้วยซิลิคอนและกลไกการทำงานของมัน
บทความหลัก: Monocrystalline silicon, Polycrystalline silicon, Silicon, และ list of silicon producers

โดยทั่วไป, วัสดุที่เป็นกลุ่มก้อนที่แพร่หลายมากที่สุดสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์คือผลึกซิลิคอน crystalline (ย่อๆว่าเป็นกลุ่มของ c-Si) หรือที่เรียกว่า "ซิลิคอนเกรดแสงอาทิตย์" กลุ่มก้อนซิลิกอนแบ่งออกเป็นหลายประเภทตามความเป็นผลึกและขนาดผลึกในก้อนโลหะ, ริบบิ้นหรือเวเฟอร์ เซลล์เหล่านี้จะขึ้นอยู่รอบแนวคิดของทางเชื่อมทั้งหมดดังนี้

  1. ซิลิกอน monocrystalline (c-Si) มักจะถูกผลิตโดยใช้กระบวนการ Czochralski. เวเฟอร์เซลล์คริสตัลเดี่ยวมีแนวโน้มที่จะมีราคาแพงและเพราะพวกมันจะถูกตัดออกจากแท่งทรงกระบอก พวกมันจะไม่ครอบคลุมโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์สี่เหลี่ยมอย่างสมบูรณ์โดยไม่ต้องเสียซิลิกอน กลั่นจำนวนมาก ดังนั้นแผง C-Si ส่วนใหญ่ได้เปิดช่องว่างที่มุมทั้งสี่ของเซลล์
  2. ซิลิกอน polycrystalline หรือ ซิลิคอน multicrystalline (poly-Si or mc-Si) ทำจากโลหะ หล่อสี่เหลี่ยม - บล็อกขนาดใหญ่ของซิลิกอนหลอมละลายที่ถูกทำให้เย็นและเป็นผลึกอย่างระมัดระวัง เซลล์โพลี-Si มีราคาไม่แพงในการผลิตถูกกว่าเซลล์ซิลิคอนผลึกเดี่ยวแต่จะมี ประสิทธิภาพน้อยกว่า กรมข้อมูลพลังงานของสหรัฐอเมริกาแสดงให้เห็นว่ายอดขายของซิลิคอนโพลี่คริสตัลไลน์ที่สูงขึ้นกว่ายอดขายของ monocrystalline
  3. ซิลิกอนริบบิ้น[24] เป็นโพลี่คริสตัลไลน์ ซิลิคอนชนิดหนึ่ง: มันจะเกิดขึ้นโดยการดึงฟิล์มบางแบนจากซิลิกอนหลอมเหลวและผลที่ได้จะเป็นโครงสร้างโพลึ่คริสตัลไลน์ เซลล์เหล่านี้มีประสิทธิภาพต่ำกว่า poly-Si แต่ประหยัดค่าใช้จ่าย การผลิตอันเนื่องมาจากการลดลงอย่างมากในการสูญเสียซิลิกอน เพราะวิธีการนี้ไม่จำเป็นต้อง เลื่อยจากแท่งสาร
  4. ซิลิกอนโมโน-เหมือน-มัลติ: ถูกพัฒนาในยุค 200X และถูกแนะนำในเชิงพาณิชย์ราวปี 2009, โมโน-เหมือน-มัลติ หรือ cast-mono ใช้ห้องหล่อโพลี่คริสตัลไลน์ที่มีอยู่กับ"เมล็ด" เล็กๆของวัสดุโมโน ผลที่ได้คือก้อนวัสดุเหมือนโมโนที่มีโพลีอยู่รอบนอก เมื่อแปรรูปออกจากกัน ส่วน ภายในจะเป็นเซลล์เหมิอนโมโนที่มีประสิทธิภาพสูง (แต่เป็นรูปสี่เหลี่ยมแทนที่จะเป็นรูป"ตัด") ในขณะที่ขอบด้านนอกจะถูกขายเป็นโพลีธรรมดา ผลที่ได้คือสายการผลิตเซลล์เหมือนโมโนในราคาของเหมือนโพลี่[25]

ฟิล์มบาง

บทความหลัก: Thin film solar cell

เทคโนโลยีฟิล์มบางช่วยลดปริมาณของวัสดุที่จำเป็นในการสร้างวัสดุที่ใช้งานของเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์แสงอาทิตย์ฟิล์มบางส่วนใหญ่จะถูกคั่นกลางระหว่างสองบานหน้าต่างกระจกเพื่อทำให้เป็นโมดูล เนื่องจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนใช้เพียงหนึ่งบานกระจกหน้าต่าง แผงฟิล์มบางจึงมีน้ำหนักประมาณสองเท่าของแผงผลึกซิลิกอน แม้ว่าพวกมันจะมีผลกระทบต่อระบบนิเวศน้อยกว่า(พิจารณาจากการวิเคราะห์ วงจรชีวิต)[26] ส่วนใหญ่ของแผงแบบฟิล์มมีประสิทธิภาพการแปลงที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญตามหลังซิลิกอนอยู่ร้อยละ 2 ถึง 3[27] ได้มีการลงทุนขนาดใหญ่ในเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ฟิล์มบางเนื่องจากการประสบความสำเร็จของ First Solar และสัญญาที่ไม่เป็นผลส่วนใหญ่ของค่าใช้จ่ายที่ต่ำกว่าและความยืดหยุ่นเมื่อเทียบกับเซลล์ซิลิคอนเวเฟอร์ แต่พวกมันไม่ได้กลายเป็นผลิตภัณฑ์พลังงานแสงอาทิตย์หลักเนื่องจากประสิทธิภาพที่ต่ำกว่าและใข้พื้นที่ที่ใหญ่กว่าในการผลิตต่อวัตต์ที่สอดคล้องกัน แคดเมียมเทลลลูไรด์ (CdTe), ทองแดงอินเดียมแกลเลียม selenide (CIGS) และซิลิกอนอสัณฐาน (a-Si) เป็นสามเทคโนโลยีฟิล์มบางที่มักจะถูกใช้ในการผลิตแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบกลางแจ้ง ณ ธันวาคม 2013, CdTe มีประสิทธิภาพด้านค่าใช้จ่ายที่ดีที่สุด (ค่าใช้จ่ายในการผลิตในสหรัฐต่อวัตต์ติดตั้งเป็น 0.59$ รายงานโดย First Solar) ใช้เทคโนโลยีฟิล์มบางกันอย่างแพร่หลายและเทคโนโลยี CIGS มีประสิทธิภาพในห้องปฏิบัติการสูงสุด (20.4% ณ ธันวาคม 2013) แม้ว่าเซลล์ CdTe ที่ผลิตโดย First Solar จะมีประสิทธิภาพทางอุตสาหกรรมสูงสุดและประสิทธิภาพของห้องปฏิบัติการสำหรับเทคโนโลยี ฟิล์มบาง GaAs ที่ยังไม่โตเต็มที่จะมีประสิทธิภาพสูงสุดถึง 28%

เซลล์แสงอาทิตย์แคดเมียมเทลลูไรด์

บทความหลัก: Cadmium telluride photovoltaics

เซลล์แสงอาทิตย์แคดเมียมเทลลูไรด์ใช้ฟิล์มบางทำจากแคดเมียมเทลลูไรด์(CdTe)ซึ่งเป็นชั้นของสารกึ่งตัวนำเพื่อดูดซับและแปลงแสงแดดให้เป็นไฟฟ้า ข้อเสียอย่างหนึ่งของเทคโนโลยีนี้(ซึ่งวัสดุฟิล์มบางนี้เท่านั้นณเวลานี้ที่เป็นคู่แข่งของผลึกซิลิคอนในด้านค่าใช้จ่าย/วัตต์) ก็คือแคดเมียมมีพิษร้ายถึงตาย อีกประเด็นก็คือเทลลูเรียม (แอนไอออนคือ "เทลลูไรด์") เป็นโลหะที่ หายากมากในเปลือกโลก เซลล์ CdTe จึงไม่มีโอกาสที่จะมีบทบาทหลักในการแก้ปัญหาของการทดแทนเชื้อเพลิงฟอสซิลในระยะยาว

แคดเมียมที่พบในเซลล์จะเป็นพิษถ้าปล่อยออกไป อย่างไรก็ตามการปล่อยจะเป็นไปไม่ได้ในระหว่างการดำเนินงานปกติของเซลล์และไม่น่าเป็นไปได้ในระหว่างที่เกิดเพลิงไหม้บนหลังคาของที่อยู่อาศัย[28] หนึ่งตารางเมตรของ CdTe มีประมาณจำนวนเดียวกันของ Cd เป็น C เซลล์แบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมเดียว ในเสถียรภาพมากกว่าและรูปแบบที่ละลายน้ำได้น้อยกว่า[29]

คอปเปอร์อินเดียมแกลเลียม selenide

บทความหลัก: Copper indium gallium selenide solar cell

คอปเปอร์อินเดียมแกลเลียม selenide (CIGS) เป็นวัสดุช่องว่างแถบโดยตรง มันมีประสิทธิภาพสูงสุด (~ 20%) ในหมู่วัสดุฟิล์มบางทั้งหลาย (ดูเซลล์แสงอาทิตย์ CIGS ) วิธีการดั้งเดิมของการผลิตจะเกี่ยวข้องกับกระบวนการสูญญากาศรวมทั้งการระเหยร่วมและการสปัตเตอร์ ความคืบหน้าล่าสุดที่ IBM และ Nanosolar ที่พยายามที่จะลดค่าใช้จ่ายโดยการใช้กระบวนการแก้ปัญหา ที่ไม่ใช้สูญญากาศ

เซลล์ฟิล์มบาง

มหาวิทยาลัยเนเมเกนดัตช์ Radboud ได้สร้างสถิติสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ฟิล์มบาง ที่มีประสิทธิภาพดัวยการใช้ GaAs ทางเชื่อมเดี่ยวไว้ที่ 25.8% ในเดือนสิงหาคม 2008 โดยใช้ชั้น GaAs หนาเพียง 4 ไมโครเมตรเท่านั้นซึ่งสามารถย้ายจากฐานเวเฟอร์ไปเป็นกระจกหรือฟิล์มพลาสติก เมื่อเร็ว ๆ นี้ สถิตินี้ได้รับการเพิ่มขึ้นเป็น 28.8%[30] ประสิทธิภาพสูงที่ได้รับในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบาง GaAs มีสาเหตุมาจากการเจริญเติบโตของการ epitaxy ของ GaAs ที่มีคุณภาพสูงอย่างมาก, การทำ passivation ที่พื้นผิวโดย AlGaAs[31] และส่งเสริมการรีไซเคิลโฟตอนโดยการออกแบบฟิล์มบาง[32]

ฟิล์มบางซิลิคอน

เซลล์ชนิดฟิล์มบางซิลิกอนตามหลักจะถูกสะสมโดยการสะสมไอทางเคมี(เช่นส่วนขยายพลาสมา หรือ PE- CVD ) จากก๊าซไซเลนและก๊าซไฮโดรเจน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์การสะสม สิ่งนี้ สามารถให้ผลผลิตต่อไปนี้[33]

  1. ซิลิกอนอสัณฐาน (a-Si หรือ a-Si:H)
  2. ซิลิกอน Protocrystalline หรือ
  3. ผลึกนาโนซิลิคอน (nc -Si หรือ nc-Si:H) หรือเรียกว่า microcrystalline ซิลิกอน

มีการพบว่า ซิลิกอน protocrystalline ที่มีผลึกนาโนซิลิคอนในปริมาณต่ำจะดีที่สุดสำหรับแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดสูง[34] ชนิดของซิลิกอนเหล่านี้ปรากฏว่าให้การผูกพันกันที่ห้อยลงมาและปิดไปมาซึ่งจะส่งผลในข้อบกพร่องที่ลึก (ระดับพลังงานใน bandgap) เช่นเดียวกับการสลายตัวของแบนด์ที่เป็น valence และการนำกระแส (แบนด์ปลาย) เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากวัสดุเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานต่ำกว่าก้อนซิลิกอน แต่ก็มี ราคาไม่แพงในการผลิต ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบางยังต่ำอันเนื่องมาจากจำนวนที่ลดลงของตัวขนส่งประจุต่อโฟตอนที่ตกกระทบ

เซลล์แสงอาทิตย์ซิลิกอนอสัณฐาน (a-Si)ถูกทำจากซิลิกอนอสัณฐานหรือ microcrystalline silicon และโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานคือ p-i-n junction. a-Si เป็นที่น่าสนใจที่นำถูกนำมาใช้เป็นวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ เพราะเป็นวัสดุที่อุดมสมบูรณ์ และปลอดสารพิษ (ไม่เหมือน CdTe เพื่อนของมัน) และใช้อุณหภูมิในการผลิตต่ำ ทำให้การผลิตอุปกรณ์สามารถทำได้บนพื้นผิวที่มีความยืดหยุ่นและค่าใช้จ่ายต่ำ เนื่องจากโครงสร้างอสัณฐานมีอัตราการดูดซึมของแสงที่สูงกว่าเซลล์ผลึก crystalline คลื่นแสงที่สมบูรณ์สามารถถูกดูดซึมด้วยชั้นบางมากๆของวัสดุที่ใช้งานเปลี่ยนแสงให้เป็นไฟฟ้า ฟิล์มที่หนาเพียง 1 ไมโครเมตรจะสามารถดูดซับ 90% ของ พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้งานได้[35] สิ่งนี้จะช่วยลดความต้องการใช้วัสดุลง พร้อมๆกับ เทคโนโลยีปัจจุบันที่มีความสามารถในการเก็บสะสมของ a-Si ด้วยพื้นที่ขนาดใหญ่, ขนาดของการนำไปใช้งานสำหรับเซลล์ประเภทนี้อยู่ในระดับสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมันเป็นอสัณฐาน มันจึงมีความผิดปกติตามธรรมชาติและการผูกพันแบบห้อยอยู่สูง ทำให้มันเป็นตัวนำที่ไม่ดีสำหรับต้วขนส่งประจุไฟฟ้า การผูกพันแบบห้อยนี้ทำหน้าที่เป็นศูนย์รวมตัวกันใหม่ที่ลดอายุการใช้งานของตัวขนส่งอย่างรุนแรงและยึดติดระดับ Fermi level เพื่อให้การโดปวัสดุให้เป็น n-type หรือ p-type เป็นไปไม่ได้ Amorphous Silicon ยังทนทุกข์ทรมานจาก Staebler-Wronski effect ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอนอสัณฐานลดลงเมื่อเซลล์สัมผัสกับแสง การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์แบบ a-Si ฟิล์มบางจะใช้กระจกเป็นพื้นผิวและฝังชั้นบางมากๆของซิลิกอนโดยวิธี plasma-enhanced chemical vapor deposition ( PECVD ) หลายผู้ผลิต a-Si กำลังทำงานเพื่อลดค่าใช้จ่ายต่อวัตต์และเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงให้สูงด้วยการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเซลล์แสงอาทิตย์ multijunction เพื่อทำแผงเซลล์แสงอาทิตย์ บริษ้ท Anwell เทคโนโลยี จำกัด เพิ่งประกาศเป้าหมายสำหรับ PECVD แบบ multi-substrate-multi-chamber เพื่อลดค่าใช้จ่ายลงที่ US 0.50$ ต่อวัตต์[36]

ซิลิกอนอสัณฐานมี bandgap ที่ (1.7 eV) สูงกว่าผลึกซิลิคอน (c -Si) ที่ (1.1 eV) ซึ่งหมายความว่ามันดูดซับส่วนที่มองเห็นด้วยตาเปล่าของสเปกตรัมแสงอาทิตย์ได้รุนแรงกว่าส่วนของคลื่นอินฟราเรด เนื่องจาก nc-Si มี bandgap ประมาณเดียวกับ c-Si, nc -Si และ a-Si สามารถถูกนำมารวมกันในชั้นบางๆ, ซึ่งเป็นการสร้างเซลล์ชั้นๆที่เรียกว่าแทนเดมเซลล์ เซลล์ ด้านบนที่เป็น a-Si จะดูดซับแสงที่มองเห็น ส่วนเซลล์ด้านล่างที่เป็น nc-Si จะดูดซึมคลื่นอินฟราเรด

เร็ว ๆ นี้ การแก้ปัญหาหลายอย่างที่จะเอาชนะข้อจำกัดของซิลิกอนผลึกฟิล์มบางได้รับการพัฒนาขึน แผนการดักจับแสงที่มีความยาวคลื่นที่ยาวและถูกดูดซึมได้น้อยจะถูกจับคู่อ้อมๆลงในซิลิกอนและลัดเลาะฟิล์มหลายต่อหลายครั้งจะสามารถเพิ่มการดูดซึมของแสงแดดอย่างมีนัยสำคัญในฟิล์มซิลิคอนบาง[37] การลดพื้นสัมผัสด้านบนสุดของผิวหน้าเซลล์เป็นวิธีการหนึ่งเพื่อลดการสูญเสียแสง วิธีนี้มีจุดมุ่งหมายที่จะลดพื้นที่ที่ถูกปกคลุมเหนือเซลล์เพื่อยอมให้มีแสงส่องลงในเซลล์ให้มากที่สุด การเคลือบป้องกันการสะท้อนแสงยังสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการสร้างการรบกวนที่ไม่สร้างสรรค์ภายในเซลล์ ซึ่งสามารถทำได้โดยการปรับเปลี่ยนดัชนีหักเหของการเคลือบพื้นผิวหน้า ถ้าการรบกวนที่ไม่สร้างสรรค์เกิดขึ้น จะไม่มีการสะท้อนคลื่นแสงและทำให้แสงทั้งหมดจะถูกส่งเข้าไปในเซลล์เซมิคอนดักเตอร์ การจัดองค์ประกอบพื้นผิวเป็นอีกตัวเลือกหนึ่ง แต่อาจจะทำงานได้น้อยกว่า เพราะมันยังเพิ่ม ราคาการผลิตอีกด้วย โดยการจัดองค์ประกอบใหกับพื้นผิวของเซลล์แสงอาทิตย์ แสงที่สะท้อนสามารถหักเหเข้าไปในพื้นผิว ซึ่งลดแสงที่จะสะท้อนออก การดักแสงด้วยวิธีอื่นจะช่วยในการลด ความหนาโดยรวมของอุปกรณ์; ความยาวของเส้นทางที่แสงจะเดินทางจะยาวกว่าความหนาของ อุปกรณ์มาก สิ่งนี้สามารถทำได้โดยการเพิ่มตัวสะท้อนกลับให้กับอุปกรณ์ เช่นเดียวกับการจัดองค์ประกอบพื้นผิว ถ้าพื้นผิวทั้งด้านหน้าและด้านหลังของอุปกรณ์ตรงตามเกณฑ์ แสงจะ 'ติดกับ ' เนื่องจากไม่มีเส้นทางออกเนื่องจากการหักเหภายใน เทคนิคการการผลิตด้วยความร้อนสามารถเพิ่มคุณภาพอย่างมีนัยสำคัญของผลึกซิลิกอน และจะนำไปสู่​​ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นของเซลล์แสงอาทิตย์ขั้นสุดท้าย[38] ความก้าวหน้าต่อไปเพื่อเข้าสู่การพิจารณาด้านเรขาคณิตในการสร้างอุปกรณ์จะสามารถใช้ประโยชน์จากมิติของวัสดุนาโน การสร้างอาร์เรย์เส้นลวดนาโนแบบขนานที่มีขนาดใหญ่ช่วยให้เกิดการดูดซึมตามความยาวของสายไฟในขณะที่ยังคงรักษาตัวขนส่งส่วนน้อยความยาวสั้นไปตามทิศทางของรัศมี การเพิ่มอนุภาคนาโนระหว่างสายไฟนาโนจะช่วยให้เกิดกระแสไหลผ่านอุปกรณ์ เป็นเพราะรูปทรงเรขาคณิตตามธรรมชาติของอาร์เรย์ เหล่านั้น พื้นผิวที่ถูกปรับแต่งจะขึ้นรูปตามธรรมชาติซึ่งจะช่วยให้เก็บกักแสงได้มากขึ้น ประโยชน์ต่อไปของรูปทรงเรขาคณิตนี้ก็คือว่าอุปกรณ์ประเภทนี้จะใช้วัสดุประมาณ 100 เท่าน้อยกว่าวัสดุอุปกรณ์ที่ทำด้วยเวเฟอร์ตามปกติ

เซลล์ Multijunction

บทความหลัก: Multijunction photovoltaic cell

เซลล์ multijunction ประสิทธิภาพสูงแต่เดิมถูกพัฒนามาสำหรับการใช้งานพิเศษ เช่นดาวเทียม และสำรวจอวกาศ แต่ยังถูกนำมาใช้ในขณะนี้อย่างมีประสิทธิภาพกับสถานีรวมพลังงานแสงอาทิตย์ในแนวพื้นโลก เซลล์ Multijunction ประกอบด้วยหลายๆฟิล์มบาง แต่ละเซลล์แสงอาทิตย์ติดตั้งซ้อนๆกัน มักจะใช้ขั้นตอน metalorganic vapour phase epitaxy ยกตัวอย่างเช่นเซลล์สามทางเชื่อมอาจประกอบด้วยเซมิคอนดักเตอร์เช่น GaAs, Ge และ GaInP2[39] แต่ละชนิดของสารกึ่งตัวนำจะมีลักษณะสมบัติเกียวกับพลังงานช่องว่างแถบซึ่งพูดง่ายๆว่าทำให้มันสามารถดูดซับแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุดในสีบางสี หรือพูดให้แม่นยำมากขึ้นเพื่อดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าบนส่วนหนึ่งของสเปกตรัม การผสมกันของหลายเซมิคอนดักเตอร์จะเลือกสรรเพื่อดูดซับอย่างมีประสิทธิภาพส่วนใหญ่ของสเปกตรัมแสงอาทิตย์ จึงสร้างกระแสไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

อุปกรณ์ multijunction ที่ทำจาก GaAs เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในปัจจุบัน เมื่อ 15 ตุลาคม 2012, เซลล์ metamorphic สามทางเชื่อมสามารถสร้างสถิติทำได้ถึง 44%[40]

เซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดมที่ทำจาก monolithic ต่ออนุกรมกับ gallium indium phosphide (GaInP), gallium arsenide GaAs, และ germanium Ge p–n junctions จะเห็นความต้องการในตลาดเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว[41] ระหว่าง ธันวาคม 2006 ถึงธันวาคม 2007 ค่าใช้จ่ายของโลหะ 4N แกลเลียมเพิ่มขึ้นจากประมาณ $350 ต่อกิโลกรัมไปเป็น $680 ต่อกิโลกรัม นอกจากนี้ราคาโลหะเจอร์เมเนียมได้เพิ่มขึ้นอย่างมาก ถึง $1000-1200 ต่อกิโลกรัมในปีนี้ วัสดุเหล่านั้นรวมถึงแกลเลียม (4N, 6N และ 7N Ga), สารหนู (4N, 6N และ 7N ) และ เจอร์เมเนียม, pyrolitic boron nitride (PBN) ทดลองสำหรับปลูกผลึกและ โบรอน ออกไซด์ ผลิตภัณฑ์เหล่านี้มีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมการผลิตสารตั้งต้นทั้งหมด

เซลล์แสงอาทิตย์สามทางเชื่อมที่ทำด้วย GaAs ยังถูกนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับของDutch four-time World Solar Challenge winners Nuna ในปี 2003, 2005 and 2007, และโดย the Dutch solar cars Solutra (2005), Twente One (2007) and 21Revolution (2009).

หัวข้อการวิจัยที่เกิดขึ้นใหม่และเทคโนโลยียุคก่อนอุตสาหกรรมของเซลล์แสงอาทิตย์

สีที่ดูดซับแสง (DSSC)

บทความหลัก: Dye-sensitized solar cells

เซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสี (DSSC) ทำจากวัสดุราคาถูกและไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อนในการผลิต ดังนั้นมันจึงสามารถที่จะทำในรูปแบบ DIY ได้ อาจจะอนุญาตให้ผู้เล่นในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ประเภทนี้ได้มากกว่าประเภทอื่นๆ ในการผลิตเป็นจำนวนมาก มันควรจะมีราคาถูกอย่างมีนัยสำคัญหรือแพงน้อยกว่าการออกแบบเซลล์โซลิดสเตทแบบเก่า DSSC สามารถออกแบบให้เป็นแผ่นยืดหยุ่น และถึงแม้จะมีประสิทธิภาพการแปลงน้อยกว่าเซลล์ฟิล์มบางที่ดีที่สุดก็ตาม อัตราส่วนราคา/ประสิทธิภาพของมันควรจะสูงพอที่จะช่วยให้พวกมันสามารถแข่งขันกับการผลิตไฟฟ้าด้วยเชื้อเพลิงฟอสซิล

โดยปกติ สีย้อม metalorganic รูทีเนียม (Ru ศูนย์กลาง)ถูกใช้เป็น monolayer ของวัสดุที่ดูดซับแสง เซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อสีขึ้นอยู่กับชั้น mesoporous ของ อนุภาคนาโน ไทเทเนียมไดออกไซด์ เพื่อขยายพื้นที่ผิวอย่างมาก (200-300 m2/g TiO2 เมื่อเทียบกับประมาณ 10 m2/g ของผลึกเดี่ยวแบน) อิเล็กตรอนที่ถูกสร้างขึ้นจากแสงจากสีย้อมดูดซับแสงถูกส่งต่อไปยัง TiO2 n-type และโฮลจะถูกดูดซึมโดยอิเล็กโทรไลท์ในอีกด้านหนึ่งของสีย้อม วงจรจะสมบูรณ์โดยคู่รีดอกซ์ในอิเล็กโทรไลท์ซึ่งอาจจะเป็นของเหลวหรือของแข็งก็ได้ เซลล์ชนิดนี้จะช่วยให้การใช้วัสดุที่มีความยืดหยุ่นมากยิ่งขึ้นและโดยทั่วไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่ถูกผลิตโดยการพิมพ์หน้าจอ หรือการใช้หัวฉีดอัลตร้าโซนิค ด้วยศักยภาพสำหรับค่าใช้จ่ายในการผลิตที่ต่ำกว่าที่ใช้สำหรับผลิตเซลล์แสงอาทิตย์จำนวนมาก อย่างไรก็ตาม สีในเซลล์เหล่านี้ยังประสบตวามลำบากจากการย่อยสลายภายใต้ความร้อนและแสง UV และการทำกล่องใส่เซลล์ถือเป็นเรื่องยากในการปิดผนึกเนื่องจากตัวทำละลายที่ใช้ในการประกอบ ทั้งๆที่เป็นดังกล่าวข้างต้น สิ่งนี้เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่นิยมกับบางผลกระทบเชิงพาณิชย์ที่คาดการณ์ภายในทศวรรษนี้ การจัดส่งเชิงพาณิชย์ครั้งแรก ของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ DSSC ได้เกิดขึ้นในเดือนกรกฎาคม ปี 2009 จากนวัตกรรม G24i[42]

เซลล์แสงอาทิตย์จุดควอนตัม (QDSCs)

บทความหลัก: Quantum dot solar cell

เซลล์แสงอาทิตย์จุดควอนตัม (QDSCs) จะขึ้นอยู่กับเซลล์ Grätzel หรือ เซลล์แสงอาทิตย์ไวต่อสี มีสถาปัตยกรรมแต่ใช้อนุภาคนาโนเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างแถบต่ำ ประดิษฐ์ด้วยผลึกขนาดเล็กที่พวกมันสร้างรูปแบบเป็นจุดควอนตัม (เช่น CdS, CdSe, Sb2S3, PbS, ฯลฯ) แทนที่จะใช้สีย้อมอินทรีย์หรือสี organometallic เป็นตัวซึมซับแสง จุดควอนตัม (QDs) ได้ดึงดูดความสนใจมากเพราะคุณสมบัติที่ไม่เหมือนใคร การ quantization ขนาดของมันช่วยให้ช่องว่างแถบ ที่ได้รับการปรับจูนโดยเพียงแค่เปลี่ยนขนาดของอนุภาค มันยังมีค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียที่สูงและได้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการผลิตหลาย exciton[43]

ใน QDSC ชั้น mesoporous ของอนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์สร้างรูปเป็นกระดูกสันหลัง ของเซลล์ เหมือนใน DSSC มาก แล้วขั้น TiO2 นี้จะสามารถถูกทำเป็น photoactive โดยการเคลือบด้วยจุดควอนตัมของสารกึ่งตัวนำที่ใช้การสะสมแบบอาบสารเคมี, การสะสมแบบ electrophoretic หรือการดูดซับชั้นอิออนที่ต่อเนื่องและการทำปฏิกิริยา แล้ววงจรไฟฟ้าจะสมบูรณ์ผ่านการใช้คู่รีดอกซ์ที่เป็นของเหลวหรือของแข็ง ในช่วง 3-4 ปีที่ผ่านมา ประสิทธิภาพของ QDSCs ได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว[44] ด้วยประสิทธิภาพมากกว่า 5% แสดงให้เห็นทั้งทางเชื่อมของเหลว[45] และเซลล์สถานะของแข็ง[46] ในความพยายามที่จะลดต้นทุนการผลิตของอุปกรณ์เหล่านี้, กลุ่มวิจัย Prashant Kamat [47] เมื่อเร็วๆนี้ แสดงให้เห็นถึงสีแสงอาทิตย์ที่ทำด้วย TiO2 และ CdSe ที่สามารถนำไปใช้โดยการใช้วิธีการขั้นตอนเดียวโดยใข้กับพื้นผิวตัวนำ ใดๆ และได้แสดงให้เห็นประสิทธิภาพกว่า 1%[48]

เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์/โพลิเมอร์

บทความหลัก: Organic solar cell and Polymer solar cell

เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์เป็นเทคโนโลยีที่ค่อนข้างใหม่ ซึ่งอาจจะมีสัญญาณของการลดราคาอย่างมาก เซลล์เหล่านี้สามารถถูกผลิตจากสารละลายของเหลว จึงเป็นไปได้ของกระบวนการพิมพ์ม้วนต่อม้วนที่ง่าย มีศักยภาพที่นำไปสู่การผลิตขนาดใหญ่ที่ราคาไม่แพง นอกจากนี้ เซลล์เหล่านี้จะเป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานบางอย่างที่ความยืดหยุ่นทางกลไกและสามารถทิ้งได้มีความสำคัญ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของเซลล์ในปัจจุบันมีต่ำมากและอุปกรณ์ในทางปฏิบัติยังไม่มีอยู่จริง

เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์และเซลล์แสงอาทิตย์พอลิเมอถูกสร้างขึ้นจากฟิล์มบาง (ปกติ 100 นาโนเมตร) ของสารกึ่งตัวนำอินทรีย์รวมทั้งโพลีเมอ เช่น polyphenylene vinylene และสาร โมเลกุลขนาดเล็ก เช่น copper phthalocyanine (เม็ดสีอินทรีย์สีฟ้าหรือสีเขียว) และ คาร์บอน ฟูลเลอรี และอนุพันธ์ fullerene เช่น PCBM การแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพที่ประสบความสำเร็จในวันนี้จะใช้โพลีเมอร์ที่นำไฟฟ้าต่ำมากเมื่อเทียบกับวัสดุอนินทรีย์ อย่างไรก็ตาม การปรับปรุงที่ผ่านมาได้นำไปสู่ ​​NREL (ห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติ) ที่ประสิทธิภาพ ได้รับการรับรองที่ 8.3% สำหรับ Konarka Power Plastic[49] และเซลล์ แทนเดมอินทรีย์ในปี 2012 ได้ถึง 11.1%


พื้นที่ที่ใช้งานของอุปกรณ์อินทรีย์ประกอบด้วยสองวัสดุ วัสดุหนึ่งทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนและอีกตัวเป็นผู้รับ เมื่อโฟตอนถูกแปลงเป็นคู่อิเล็กตรอนกับโฮล (เช่นในวัสดุผู้บริจาค), ที่แตกต่างจากเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดอื่นส่วนใหญ่, ประจุทั้งหลายมีแนวโน้มที่จะยังคง ผูกพันในรูปแบบของ exciton และถูกแยกออกจากกัน เมื่อ exciton กระจายไปยังอินเตอร์เฟซของผู้บริจาค-ผู้รับ ความยาวการแพร่ exciton ที่สั้นของระบบพอลิเมอร์ส่วนใหญ่มักจะจำกัด ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ดังกล่าว อินเตอร์เฟซโครงสร้างนาโน บางครั้งอยู่ในรูปของกลุ่ม heterojunctions ที่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้[50]

ในปี 2011 นักวิจัยที่ Massachusetts Institute of Technology และ มหาวิทยาลัยรัฐมิชิแกน ได้พัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์โปร่งใสตัวแรกที่มีประสิทธิภาพสูงที่มีประสิทธิภาพพลังงานใกล้เคียงกับ 2% ด้วยความโปร่งใสให้กับสายตาของคนมากกว่า 65% ประสบความสำเร็จโดยการเลือก การดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตและส่วนใกล้อินฟราเรดของสเปกตรัมด้วยสารโมเลกุลขนาดเล็ก[51][52] นักวิจัยที่ UCLA เมื่อเร็วๆนี้ได้พัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำด้วยวัสดุเหมือนพอลิเมอร์ ต่อด้วยวิธีการเดียวกัน นั่นคือ 70% โปร่งใสและมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน 4%[53] เร็ว ๆ นี้ ข้อจำกัดของประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ทั้งแบบทึบแสงและโปร่งใสได้ถูกระบุไว้[54][55] เซลล์ที่มีความยืดหยุ่นและน้ำหนักเบาเหล่านี้สามารถผลิตได้ในจำนวนมากด้วยต้นทุนต่ำและสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างหน้าต่างพลังงานไฟฟ้า

ในปี 2013 นักวิจัยประกาศเซลล์พอลิเมอร์ที่มีประสิทธิภาพราว 3%[56][57] พวกเขาใช้วัสดุอินทรีย์พอลิเมอร์สี่เหลี่ยมประกอบตัวเองได้ที่จัดวางตัวเองลงในชั้นๆที่แตกต่างกัน งานวิจัยที่ตั้งเป้าไปที่ P3HT-b-PFTBT ที่แยกออกเป็นหลายแถบ กว้างราว 16 นาโนเมตร

การผลิต

เครื่องคิดเลขพลังงานแสงอาทิตย์ในช่วงต้น

เนื่องจากเซลล์แสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ พวกมันจึงแบ่งปันบางส่วนของการประมวลผลและเทคนิคการผลิตเช่นเดียวกับอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำอื่นๆ เช่นคอมพิวเตอร์และหน่วยชิปความจำ อย่างไรก็ตาม ความต้องการที่เข้มงวดสำหรับความสะอาดและการควบคุมคุณภาพของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ได้มีความผ่อนคลายมากขึ้นสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ โรงงาน เซลล์แสงอาทิตย์ในเชิงพานิชย์ขนาดใหญ่ในวันนี้ส่วนใหญ่ผลิตเซลล์แสงอาทิตย์แบบ poly-crystalline พิมพ์หน้าจอหรือหรือแบบผลึกซิลิกอนเดียว

เวเฟอร์ซิลิกอน poly-crystalline ถูกผลิตโดยก้อนซิลิกอนหล่อขึ้นรูปแล้วเลื่อยออกด้วยสายโลหะเพื่อให้ได้แผ่นเวเฟอร์บางมากๆ (180 ถึง 350 ไมโครเมตร) แผ่นเวเฟอร์มักจะถูกโดปให้เป็นสาร p-type เล็กน้อย ในการทำเซลล์แสงอาทิตย์จากแผ่นเวเฟอร์ การกระจายของพื้นผิวของ ตัวที่จะถูกโดปให้เป็น n-type จะถูกดำเนินการบนด้านหน้าของเวเฟอร์ การนี้จะสร้างรูป p-n junction ขึ้นไม่กี่ร้อยนาโนเมตรใต้พื้นผิว

การเคลือบป้องกันการสะท้อนเพื่อเพิ่มปริมาณของแสงเข้าไปในเซลล์แสงอาทิตย์มักจะถูกทำขึ้นต่อจากนั้น ซิลิกอนไนไตรด์ได้ค่อยๆแทนที่ไทเทเนียมไดออกไซด์เพื่อเป็นสารเคลือบผิวป้องกันแสงสะท้อน เพราะว่าคุณภาพที่ยอดเยี่ยมของมันในการเคลือบผิว มันจะป้องกันไม่ให้ตัวขนส่งรวมตัวกันอีกที่พื้นผิวของเซลล์แสงอาทิตย์ มันมักจะถูกนำมาใช้อยู่ในชั้นหนาหลายร้อยนาโนเมตร โดยใช้การสะสมไอเคมีแบบพลาสมา (PECVD) บางเซลล์แสงอาทิตย์มีการปรับพื้นผิวด้านหน้าเหมือนการเคลือบป้องกันแสงสะท้อนเพื่อเพิ่มปริมาณของแสงลงในเซลล์ พื้นผิวดังกล่าวจะสามารถเกิดขึ้นในซิลิกอนผลึกเดี่ยวเท่านั้น แต่ในปีที่ผ่านมาวิธีการของการขึ้นรูปบนซิลิคอน multicrystalline ได้รับการพัฒนาขึ้น

ต่อมาเวเฟอร์จะมีหน้าสัมผัสโลหะเต็มพื้นที่ถูกทำขึ้นบนพื้นผิวด้านหลังและหน้าสัมผ้สที่มีรูปร่างคล้ายตารางโลหะที่ทำขึ้นจาก "นิ้วมือ" ดีและ"บัสบาร์"ขนาดใหญ่จะถูกพิมพ์ลงบนผิวหน้าโดยใช้ โลหะเงินป้าย หน้าสัมผ้สด้านหลังยังถูกขึ้นรูปโดยการพิมพ์ด้วยโลหะเช่นอะลูมิเนียม ปกติหน้าสัมผ้สนี้จะครอบคลุมตลอดทั้งด้านหลังของเซลล์ แม้ว่าในการออกแบบเซลล์บางครั้งมันจะถูกพิมพ์ในรูปแบบตาราง แล้วการป้ายจะถูกยิงที่หลายร้อยองศาเซลเซียสเพื่อขึ้นรูปให้เป็นขั้วไฟฟ้าโลหะหน้าสำมผ้ส ohmic ด้วยซิลิกอน บางบริษัทใช้ขั้นตอนการชุบไฟฟ้าเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์ หลังจากหน้าสัมผัสโลหะถูกทำเสร็จแล้ว เซลล์แสงอาทิตย์จะเชื่อมต่อกันกับสายไฟแบนหรือริบบิ้นโลหะและประกอบเป็นโมดูลหรือ"แผงเซลล์แสงอาทิตย์" แผงเซลล์แสงอาทิตย์จะมีแผ่นกระจกด้านหน้าและที่ห่อหุ้มทำจากพอลิเมอร์ที่ด้านหลัง

ผู้ผลิตและการรับรอง

ห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติจะทำการทดสอบเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ มีสาม การรับรองที่เชื่อถือได้ของอุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์ ได้แก่ UL และ IEEE (ทั้งสองเป็น มาตรฐานของสหรัฐอเมริกา) และ IEC มีบริษัทเซลล์แสงอาทิตย์มากมายทั่วโลก ดูรายชื่อของ บริษัท photovoltaics เรียงตามประเทศและการจัดอันดับ

เซลล์แสงอาทิตย์เป็นผลิตภัณฑ์ที่ผลิตส่วนใหญ่ในประเทศญี่ปุ่น, เยอรมนี, จีนแผ่นดินใหญ่, ไต้หวัน, มาเลเซียและสหรัฐอเมริกา ในขณะที่ยุโรป, จีน, สหรัฐและ ญี่ปุ่นมีการครอบงำ (94% หรือมากกว่าเมือปี 2013) ในระบบที่ติดตั้งแล้วสำหรับทศวรรษที่ผ่านมา[58] อย่างไรก็ตาม ในประเทศอื่นๆอีกมากจะมีหรือกำลังจะซื้อกำลังการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์อย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่เทคโนโลยีกำลังมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องไปสู่​​ประสิทธิภาพ ที่สูงขึ้น ในเซลล์ที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับค่าใช้จ่ายต่ำในการผลิตไฟฟ้า ไม่จำเป็นต้องเป็นผู้ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด แต่เป็นผู้ที่มีความสมดุลระหว่างการผลิตต้นทุนต่ำและมีประสิทธิภาพสูงพอที่จะลดความสมดุลของพื้นที่ที่เกี่ยวข้องกับค่าใช้จ่ายของระบบ จริงๆแล้ว บริษัทเหล่านั้นที่มีเทคโนโลยีการผลิตขนาดใหญ่ในการเคลือบผิวพื้นผิวที่มีราคาไม่แพงอาจจะเป็นผู้ผลิตไฟฟ้าสุทธิมีค่าใช้จ่ายต่ำสุด แม้จะมีประสิทธิภาพของเซลล์ที่ต่ำกว่าของเทคโนโลยี คริสตัลเดียว

การผลิตเซลล์/โมดูลแสงอาทิตย์ทั่วโลกเพิ่มขึ้น 10% ในปี 2012 แม้จะมีการลดลง 9% ในการลงทุนพลังงานแสงอาทิตย์ตามรายงานประจำปีสถานะ PV "ที่ออกโดยศูนย์การวิจัยร่วมคณะกรรมาธิการยุโรป" ตั้งแต่ 2009 การผลิตเซลล์ได้เพิ่มขึ้นสี่เท่า[59][60][61]

ประเทศจีน

สาเหตุหลักมาจากการลงทุนของรัฐบาลอย่างหนัก จีนมีบทบาทที่สำคัญที่สุดในการเปลี่ยนโฉมหน้าของการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ในหลายปีที่ผ่านมา บริษัทจีนได้ผลิตเซลล์/โมดูลแสงอาทิตย์ด้วยความจุของ ~23 GW ใน 2013 (60% ของการผลิตทั่วโลก)[62]

ประเทศสหรัฐอเมริกา

บทความหลัก: Photovoltaics in the United States

การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ในสหรัฐอเมริกาได้รับความเดือดร้อนอันเนื่องมาจากวิกฤตการเงินโลก แต่ตอนนี้กำลังเพิ่มขึ้น ส่วนหนึ่งเนื่องจากราคาที่ลดลงฮวบฮาบของซิลิกอนคุณภาพดี[63][64]

ดูเพิ่ม

อ้างอิง

  1. ↑ ปรากฏการณ์ที่รอยต่อพี-เอ็น เมื่อได้รับแสงจะเกิด อิเลกตรอนและโฮลอิสระขึ้น ซึ่งแรงดันภายในพี-เอ็นจะทำให้ประจุอิเลกตรอนและโฮลที่เกิดขึ้นแยกตัวออกจากกัน ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตขึ้นที่ปลายทั้ง2 ของรอยต่อพี-เอ็น [วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี]
  2. ↑ Alfred Smee (1849). Elements of electro-biology,: or the voltaic mechanism of man; of electro-pathology, especially of the nervous system; and of electro-therapeutics. London: Longman, Brown, Green, and Longmans. p. 15.
  3. ↑ Peter Gevorkian (1 August 2007). Sustainable energy systems engineering: the complete green building design resource. McGraw-Hill Professional. pp. 498–. ISBN 978-0-07-147359-0. Retrieved 29 February 2012.
  4. ↑ "The Nobel Prize in Physics 1921: Albert Einstein", Nobel Prize official page
  5. ↑ "Light sensitive device" U.S. Patent 2,402,662 Issue date: June 1946
  6. ↑ K. A. Tsokos, "Physics for the IB Diploma", Fifth edition, Cambridge University Press, Cambridge, 2008, ISBN 0-521-70820-6
  7. ↑ Perlin, John (2004). "The Silicon Solar Cell Turns 50". National Renewable Energy Laboratory. Retrieved 5 October 2010.
  8. ↑ Perlin (1999) p. 50
  9. ↑ Solar Stocks: Does the Punishment Fit the Crime? (FSLR, SPWRA, STP, JASO, TSL, LDK, TAN) – 24/7 Wall St. 24/7 Wall St. (2011-10-06). Retrieved on 2012-01-03.
  10. ↑ Parkinson, Giles. "Plunging Cost Of Solar PV (Graphs)". Clean Technica. Retrieved 18 May 2013.
  11. ↑ National Survey Report USA 2010, National Survey Report USA 2010.
  12. ↑ [[1]เก็บถาวร 2009-09-19 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน เซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Cell)], การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย
  13. ↑ PV Status 2010 เก็บถาวร 2012-08-14 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน, PV Status 2010.
  14. ↑ "T.Bazouni: What is the Fill Factor of a Solar Panel". Retrieved 2009-02-17.
  15. ↑ A. De Vos, "Detailed balance limit of the efficiency of tandem solar cells", Journal of Physics D: Applied Physics Volume 13, Issue 5 (14 May 1980), page 839-846 doi:10.1088/0022-3727/13/5/018
  16. ↑ "Solar cell hits new world record with 44.7 percent efficiency". Retrieved 2013-09-26.
  17. ↑ Solar Feed in Tariffs. Solarfeedintariff.net. Retrieved on 2011-01-19.
  18. ↑ N. Gupta, G. F. Alapatt, R. Podila, R. Singh, K.F. Poole, (2009). "Prospects of Nanostructure-Based Solar Cells for Manufacturing Future Generations of Photovoltaic Modules". International Journal of Photoenergy 2009: 1. doi:10.1155/2009/154059 .
  19. ↑ BP Global – Reports and publications – Going for grid parity at the Wayback Machine (archived June 8, 2011). Bp.com. Retrieved on 2011-01-19.
  20. ↑ BP Global – Reports and publications – Gaining on the grid. Bp.com. Retrieved on 2011-01-19.
  21. ↑ The Path to Grid Parity (Graphic)
  22. ↑ Wynn, Gerard (2007-10-19). "Solar power edges towards boom time". Reuters. Retrieved 2009-07-29.
  23. ↑ Solar industry celebrates grid parity, ABC News, Matt Peacock, staff,Wed Jun 20, 2012
  24. ↑ D.S. Kim, A.M. Gabor, V. Yelundur, A.D. Upadhyaya, V. Meemongkolkiat, A. Rohatgi (18 May 2003). "String ribbon silicon solar cells with 17.8% efficiency". Proceedings of 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 2003 2: 1293–1296. ISBN 4-9901816-0-3.
  25. ↑ Wayne McMillan, "The Cast Mono Dilemma", BT Imaging
  26. ↑ J. Pearce and A. Lau, "Net Energy Analysis For Sustainable Energy Production From Silicon Based Solar Cells", Proceedings of American Society of Mechanical Engineers Solar 2002: Sunrise on the Reliable Energy Economy, editor R. Cambell-Howe, 2002.
  27. ↑ Datasheets of the market leaders: First Solar for thin film, Suntech and SunPower for crystalline silicon
  28. ↑ Fthenakis, Vasilis M. (2004). "Life cycle impact analysis of cadmium in CdTe PV production" (PDF). Renewable and Sustainable Energy Reviews 8 (4): 303–334. doi:10.1016/j.rser.2003.12.001.
  29. ↑ Fthenakis, Vasilis M. (2004). "Life cycle impact analysis of cadmium in CdTe PV production" (PDF). Renewable and Sustainable Energy Reviews 8 (4): 303–334. doi:10.1016/j.rser.2003.12.001.
  30. ↑ Yablonovitch, Eli; Miller, Owen D.; Kurtz, S. R. (2012). "The opto-electronic physics that broke the efficiency limit in solar cells". 2012 38th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. p. 001556. doi:10.1109/PVSC.2012.6317891. ISBN 978-1-4673-0066-7.
  31. ↑ Schnitzer, I. et al. (1993). "Ultrahigh spontaneous emission quantum efficiency, 99.7% internally and 72% externally, from AlGaAs/GaAs/AlGaAs double heterostructures". Applied Physics Letters 62 (2): 131. doi:10.1063/1.109348.
  32. ↑ Wang, X. et al. (2013). "Design of GaAs Solar Cells Operating Close to the Shockley–Queisser Limit". IEEE Journal of Photovoltaics 3 (2): 737. doi:10.1109/JPHOTOV.2013.2241594.
  33. ↑ Collins, R; Ferlauto, A.S.; Ferreira, G.M.; Chen, Chi; Koh, Joohyun; Koval, R.J.; Lee, Yeeheng; Pearce, J.M. et al. (2003). "Evolution of microstructure and phase in amorphous, protocrystalline, and microcrystalline silicon studied by real time spectroscopic ellipsometry". Solar Energy Materials and Solar Cells 78 (1–4): 143. doi:10.1016/S0927-0248(02)00436-1.
  34. ↑ J. M. Pearce, N. Podraza, R. W. Collins, M.M. Al-Jassim, K.M. Jones, J. Deng, and C. R. Wronski (2007). "Optimization of Open-Circuit Voltage in Amorphous Silicon Solar Cells with Mixed Phase (Amorphous + Nanocrystalline) p-Type Contacts of Low Nanocrystalline Content". Journal of Applied Physics 101 (11): 114301. doi:10.1063/1.2714507.
  35. ↑ Photovoltaics. Engineering.Com (2007-07-09). Retrieved on 2011-01-19.
  36. ↑ "ANWELL produces its first solar panel". NextInsight. 2009-09-01.
  37. ↑ Widenborg, Per I.; Aberle, Armin G. (2007). "Polycrystalline Silicon Thin-Film Solar Cells on AIT-Textured Glass Superstrates". Advances in OptoElectronics 2007: 1. doi:10.1155/2007/24584.
  38. ↑ Terry, Mason L.; Straub, Axel; Inns, Daniel; Song, Dengyuan; Aberle, Armin G. (2005). "Large open-circuit voltage improvement by rapid thermal annealing of evaporated solid-phase-crystallized thin-film silicon solar cells on glass". Applied Physics Letters 86 (17): 172108. doi:10.1063/1.1921352.
  39. ↑ Triple-Junction Terrestrial Concentrator Solar Cells. (PDF) . Retrieved on 2012-01-03.
  40. ↑ [1]. Optics.org (2011-04-19). Retrieved on 2011-01-19.
  41. ↑ Oku, Takeo; Kumada, Kazuma; Suzuki, Atsushi; Kikuchi, Kenji (10 April 2012). "Effects of germanium addition to copper phthalocyanine/fullerene-based solar cells". Central European Journal of Engineering 2 (2): 248–252. doi:10.2478/s13531-011-0069-7.
  42. ↑ http://gcell.com/
  43. ↑ Semonin, O. E.; Luther, J. M.; Choi, S.; Chen, H.-Y.; Gao, J.; Nozik, A. J.; Beard, M. C. (2011). "Peak External Photocurrent Quantum Efficiency Exceeding 100% via MEG in a Quantum Dot Solar Cell". Science 334 (6062): 1530–3. doi:10.1126/science.1209845. PMID 22174246.
  44. ↑ Kamat, Prashant V. (2012). "Boosting the Efficiency of Quantum Dot Sensitized Solar Cells through Modulation of Interfacial Charge Transfer". Accounts of Chemical Research: 120411095315008. doi:10.1021/ar200315d.
  45. ↑ Santra, Pralay K.; Kamat, Prashant V. (2012). "Mn-Doped Quantum Dot Sensitized Solar Cells: A Strategy to Boost Efficiency over 5%". Journal of the American Chemical Society 134 (5): 2508–11. doi:10.1021/ja211224s. PMID 22280479.
  46. ↑ Moon, Soo-Jin; Itzhaik, Yafit; Yum, Jun-Ho; Zakeeruddin, Shaik M.; Hodes, Gary; GräTzel, Michael (2010). "Sb2S3-Based Mesoscopic Solar Cell using an Organic Hole Conductor". The Journal of Physical Chemistry Letters 1 (10): 1524. doi:10.1021/jz100308q.
  47. ↑ Solar Cell Research || The Prashant Kamat lab at the University of Notre Dame. Nd.edu (2007-02-22). Retrieved on 2012-05-17.
  48. ↑ Genovese, Matthew P.; Lightcap, Ian V.; Kamat, Prashant V. (2012). "Sun-BelievableSolar Paint. A Transformative One-Step Approach for Designing Nanocrystalline Solar Cells". ACS Nano 6 (1): 865–72. doi:10.1021/nn204381g. PMID 22147684.
  49. ↑ Konarka Power Plastic reaches 8.3% efficiency. pv-tech.org. Retrieved on 2011-05-07.
  50. ↑ Mayer, A et al. (2007). "Polymer-based solar cells". Materials Today 10 (11): 28. doi:10.1016/S1369-7021(07)70276-6.
  51. ↑ Lunt, Richard R.; Vladimir Bulović (2011). "Transparent, near-infrared organic photovoltaic solar cells for window and energy-scavenging applications". Appl. Phys. Lett. 98 (11).
  52. ↑ Rudolf, John Collins. "Transparent Photovoltaic Cells Turn Windows Into Solar Panels". green.blogs.nytimes.com.
  53. ↑ "UCLA Scientists Develop Transparent Solar Cell". Enviro-News.com. July 24, 2012.
  54. ↑ Lunt, Richard R.; Timothy P. Osedach, Patrick R. Brown, Jill A. Rowehl, Vladimir Bulović (2011). "Practical Roadmap and Limits to Nanostructured Photovoltaics". Adv. Mat. 23 (48): 5712–5727. doi:10.1002/adma.201103404.
  55. ↑ Lunt, Richard R. (2012). "Theoretical limits for visibly transparent photovoltaics". Appl. Phys. Lett. 101 (4).
  56. ↑ Guo, C.; Lin, Y. H.; Witman, M. D.; Smith, K. A.; Wang, C.; Hexemer, A.; Strzalka, J.; Gomez, E. D.; Verduzco, R. (2013). "Conjugated Block Copolymer Photovoltaics with near 3% Efficiency through Microphase Separation". Nano Letters 13 (6): 130522121011001. doi:10.1021/nl401420s. edit
  57. ↑ "Organic polymers create new class of solar energy devices". KurzweilAI. Retrieved 2013-06-01.
  58. ↑ "สำเนาที่เก็บถาวร" (PDF). คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2013-12-20. สืบค้นเมื่อ 2014-02-27.
  59. ↑ "สำเนาที่เก็บถาวร" (PDF). คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2013-12-20. สืบค้นเมื่อ 2014-02-27.
  60. ↑ http://ec.europa.eu/dgs/jrc/downloads/jrc_20130930_newsrelease_pv_status.pdf
  61. ↑ "สำเนาที่เก็บถาวร". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2018-06-09. สืบค้นเมื่อ 2014-02-27.
  62. ↑ "สำเนาที่เก็บถาวร" (PDF). คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2013-12-20. สืบค้นเมื่อ 2014-02-27.
  63. ↑ http://cleantechnica.com/2013/03/07/plunging-cost-of-solar-pv-graphs/
  64. ↑ "สำเนาที่เก็บถาวร". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2013-12-20. สืบค้นเมื่อ 2014-02-27.

แหล่งข้อมูลอื่น

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับ เซลล์แสงอาทิตย์

Strategi Solo vs Squad di Free Fire: Cara Menang Mudah!