ประวัติโซล่าร์เซลล์และหลักการทำงาน

สิ่งประดิษฐ์จากปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า โฟโต้โวตาอิก (photovoltaic) โดยคำว่า โฟโต้ (photo) เป็นภาษากรีกแปลว่า แสง ส่วนโวตาอิก (voltaic) หมายถึงแรงดันไฟฟ้า ซึ่งได้มาจากชื่อของอเลสซานโดร โวลตา (Alessandro Volta)

นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี เมื่อเอามารวมกันก็พอตีความได้ว่า ปรากฏการณ์โฟโต้โวลตาอิกคือปรากฏการณ์ที่ทำให้แสงกลายเป็นแรงดันไฟฟ้า

ปรากฏการณ์โฟโต้โวลตาอิกได้รับการค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1839 โดยอเล็กซานเดร เอ็ดมันด์ เบคคีเรล (Alexandre-Edmond Becquerel) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสจึงอาจกล่าวได้ว่า เบคคีเรลคือบิดาของเซลรับแสงอาทิตย์ก็ได้ แต่กว่าที่ชื่อของปรากฏการณ์นี้จะได้รับการรับรองเบคคีเรลต้องรอถึงปี ค.ศ. 1849 เลยทีเดียว

ทว่าจากแนวคิดนั้นกว่าจะคนที่สามารถประดิษฐ์เซลรับแสงอาทิตย์ชิ้นแรกของโลกขึ้นมาได้โลกนี้ต้องรอถึงปี ค.ศ. 1883 นักประดิษฐ์ชาวอเมริกันที่ชื่อ ชาร์ล ฟริตส์ (Charles Fritts) ได้นำแนวคิดนี้มาสร้างเซลรับแสงอาทิตย์ได้สำเร็จโดยใช้สารกึ่งตัวนำที่ชื่อเซเรเนียมเคลือบลงบนแผ่นทองคำ แต่ประสิทธิภาพที่ได้มีเพียง 1% เท่านั้น เซลรับแสงอาทิตย์ของฟริตส์จึงยังต้องอยู่ให้ห้องทดลองต่อไป

จากนั้นมีนักประดิษฐ์ และนักวิทยาศาสตร์อีกหลายต่อหลายคนพยายามต่อยอดแนวคิดและผลงานของเบคคีเรลและฟริตส์ ไม่เว้นแม้แต่อัลเบิร์ตไอน์สไตน์ จนกระทั่งปี ค.ศ. 1954 ทีมงานผู้สามารถจากเบลแลบ (Bell Lab) สหรัฐอเมริกาอันประกอบด้วย เจอรัลด์ แอล เพียร์สัน (Gerald L. Pearson), แดรีล เอ็ม แชปิน (Daryl M. Chapin) และกัลวิน เอส ฟูลเลอร์ (Calvin S. Fuller) ได้ค้นพบการนำลิเธียม-ซิลิกอนเข้ามาเป็นส่วนประกอบสำคัญในการสร้างเซลรับแสงอาทิตย์ ทำให้สามารถสร้างเซลรับแสงอาทิตย์ได้สำเร็จ โดยมีประสิทธิภาพ 6% โดยความสำเร็จในครั้งนั้นได้รับการประกาศให้โลกรู้ด้วยฝีมือของ นิวยอร์คไทม์ หนังสือพิมพ์ยักษ์ใหญ่ของอเมริกันชนนั่นเอง ต่อมาทีมงานได้จดสิทธิบัตรของผลงานนี้ในปี ค.ศ. 1957 และในปีเดียวกันนั้นเองฮอฟฟ์แมนอิเล็กทรอนิกส์สามารถผลิตเซลรับแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธภาพ 8% ได้เป็นผลสำเร็จ และก็เป็นเองฮอฟฟ์แมนอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถผลิตเซลรับแสงอาทิตย์ออกจำหน่ายในเชิงพาณิชย์เป็นเจ้าแรกด้วยในปี ค.ศ. 1959 เชื่อว่า ถึงไม่บอกก็คงทราบว่า ราคาของมันในขณะนั้นแพงสุดๆ ครับ

นับจากนั้นได้มีการต่อยอดและพัฒนาเซลรับแสงอาทิตย์มาอย่างต่อเนื่องจนถึงทุกวันนี้มีผู้ผลิตเซลรับแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงถึงกว่า 40% แล้ว แต่ราคายังสูงอยู่มาก และเป็นการใช้งานในกิจการอวกาศเป็นหลัก สำหรับเชิงพาณิชย์แล้วเซลรับแสงอาทิตย์ที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในปัจจุบันนี้มีประสิทธิภาพประมาณ 15%

การทำงานของเซลรับแสงอาทิตย์

เซลล์รับแสงอาทิตย์ประกอบด้วยชิ้นสารกึ่งตัวนำ 2 ชิ้นมาประกบกัน ชิ้นบนคือ สารกึ่งตัวนำชนิด N และชิ้นล่างือสารกึ่งตัวนำชนิด P บริเวณที่ต่อกันเรียกว่า รอยต่อ NP (NP junction) สารกึ่งตัวนำที่นิยมนำมาใช้ในการผลิตรับเซลรับแสงอาทิตย์คือ ซิลิกอน

กลไกการทำงานอย่างง่ายของเซลรับแสงอาทิตย์ที่พัฒนามาจากปรากฏการณ์โฟโต้โวลตาอิก มีด้วยกัน 4 ขั้นตอนดังแสดงในรูปที่ 2 อธิบายได้ดังนี้

1. เมื่อมีแสงมาตกกระทบที่ชั้นสารกึ่งตัวนำชนิด N อนุภาคแสงหรือโฟตอน (photon) จะกระจายอยู่ทั่วพื้นผิวด้านบน
2. อนุภาคแสงจะถ่ายทอดพลังงานลงสู่สารกึ่งตัวนำ
3. พลังงานจากอนุภาคแสงจะถ่ายทอดต่อไปยังอิเล็กตรอนอิสระในชั้นสาร P
4. เมื่อพลังงานที่ได้รับมากเพียงพอ อิเล็กตรอนอิสระจะสามารถข้ามรอยต่อไปยังชั้นสาร N เพื่อเตรียมเคลื่อนที่ออกจากเซลรับแสงอาทิตย์ไปยังวงจรที่ต่อภายนอก หากมีการต่อโหลดภายนอกมายังขั้วของเซลรับแสงอาทิตย์ อิเล็กตรอนก็จะเคลื่อนที่ออกจากขั้วต่อของเซลรับแสงอาทิตย์ผ่านโหลดและไปครบวงจรยังขั้วต่อที่ชั้นสาร P ของเซลรับแสงอาทิตย์ จึงเกิดกระแสไฟฟ้าไหล

ชนิดของเซลรับแสงอาทิตย์แบบซิลิกอน

มีด้วยกัน 3 ชนิดหลักๆ

1. แบบผลึกหรือคริสตอล (Crystal) ซึ่งยังแบ่งเป็น 2 ชนิดย่อยคือ

ชนิดผลึกซิลิกอนเดี่ยว (Single Crystalline Silicon Solar Cell)

และชนิดผลึกรวมหรือโพลีคริสตอล ( Poly Crystalline Silicon Solar Cell)

ในแบบนี้เป็นที่นิยมในงานมากที่สุดเนื่องจากมีหลายขนาดให้เลือกใช้ มีระดับราคาตั้งแต่ถูกมากสำหรับกำลังงานต่ำ และมีราคาสูงขึ้นเมื่อมีกำลังงานไฟฟ้ามากขึ้น ทนทาน น้ำหนักเบา แต่เซลรับแสงอาทิตย์ในแบบนี้ต้องการแหล่งกำเนิดแสงที่มีความเข้มสูง เช่น แสงอาทิตย์, แสงจากหลอดฮาโลเจน หรือสปอตไลต์

2. แบบที่ไม่มีรูปร่างแน่นอนหรืออะมอร์ฟัส (Amorphous)

ในแบบนี้มีข้อดีคือ มีคาวมไวในการทำงานสูง สามารถทำงานได้กับแสงที่มีความเข้มต่ำ และใช้งานได้กับหลอดฟลูออเรสเซนต์ ตัวอย่างที่พบเห็นคือ เซลรับแสงในเครื่องคิดเลข ข้อเสียคือ ไม่สามารถใช้งานร่วมกับเครื่องประจุแบตเตอรี่แบบทั่วไปได้ น้ำหนักมาก และแตกง่าย

3. แบบอะมอร์ฟัส 3 รอยต่อหรือบางครั้งเรียกเซลรับแสงอาทิตย์แบบหลายรอยต่อ (multi-junction solar cell)

เป็นแบบที่รวมเอาข้อดีของแบบผลึกและแบบอะมอร์ฟัสธรรมดาเข้าไว้ด้วยกัน ทำให้มีความทนทาน ใช้งานร่วมกับเครื่องประจุแบตเตอรี่แบบทั่วไปได้ น้ำหนักเบา มีความไวในการทำงานสูง ใช้ได้กับพื้น่ที่ทีมีแสงสว่างน้อย แต่ข้อเสียคือ ราคาแพง

ด้านบนคือรูปแสดงสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของเซลรับแสงอาทิตย์ และวงจรสมมูลย์ จะเห็นได้ว่า มันประกอบด้วยแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าคงที่ขนาดเล็ก, ไดโอด, ตัวต้านทาน RSH ซึ่งเป็นความต้านทานภายในที่เกิดจากสารกึ่งตัวนำที่นำมาผลิตเซลรับแสงอาทิตย์ และตัวต้านทาน RS อันเป็นความต้านทานค่าน้อยๆ ที่เกิดจากการต่อสายมายังขั้วต่อของเซลรับแสงอาทิตย์ ดังนั้นอาจกล่าวได้ว่า แสงอาทิตย์หรือแสงที่มีพลังงานความร้อน เช่น แสงจากหลอดฮาโลเจน, หลอดไฟไส้ หรือสปอตไลต์ เมื่อส่องมายังชิ้นสารกึ่งตัวนำ จะทำให้เกิดประจุไฟฟ้าสะสมขึ้นที่แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าคงที่ที่ IL เมื่อต่อผ่านตัวต้านทาน RS ก็จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าขึ้นที่ขั้วต่อของเซลรับแสงอาทิตย์

เซลรับแสงอาทิตย์ 1 เซลมาตรฐาน (จนถึงขณะนี้) จะให้แรงดัน 0.5 ถึง 0.6V เมื่อได้รับแสงอาทิตย์เต็มที่ ส่วนกระแสไฟฟ้าจะขึ้นกับขนาดของพื้นที่หน้าตัด สำหรับเซลรับแสงอาทิตย์ที่ใช้ในโครงงานขนาดเล็กจะมีความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้าต่อเซลตั้งแต่ 15 ถึง 100mA ดังนั้นหากต้องการแรงดันและกระแสไฟฟ้าเพิ่ม จึงต้องมีการต่อเซลรับแสงอาทิตย์ในลักษณะอนุกรมเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้า และต่อขนานเพื่อเพิ่มกระแสไฟฟ้า

หากต้องการใช้งานกลางแจ้งแบบจริงจัง ต้องมีนำเซลรับแสงอาทิตย์มาติดตั้งเข้ากับโครงสร้างที่แข็งแรงมากขึ้น มีแผ่นกระจกปกป้อง เนื่องจากต้องทนต่อแดด กันฝน กันฝุ่นละออง จากเซลรับแสงอาทิตย์จึงกลายมาเป็นแผงรับแสงอาทิตย์หรือโซล่าร์พาเนล (solar panel) ที่เราเห็นกันชินตาบนหลังคาบ้าน หรือในลานกลางแจ้ง

ปัจจัยที่ทำให้เซลรับแสงอาทิตย์ทำงานได้ดีและให้พลังงานไฟฟ้าอย่างเต็มที่ประกอบด้วย

1. ความเข้มของแสง เซลรับแสงอาทิตย์จะทำงานได้ดีเมื่อได้รับแสงอาทิตย์โดยตรงเต็มที่ในทิศทางตั้งฉาก กล่าวคือ กระแสไฟฟ้าที่ได้จากเซลรับแสงอาทิตย์จะสูงขึ้นเมื่แสงอาทิตย์ที่รับได้มีความเข้มสูง โดยความเข้มของแสงมีผลน้อยต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลรับแสงอาทิตย์ ซึ่งสอดคล้องกับวงจรสมมูลย์ของเซลรับแสงอาทิตย์ที่เป็นแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้า
2. อุณหภูมิใช้งาน กระแสไฟฟ้าที่ได้จากเซลรับแสงอาทิตย์ไม่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิใช้งาน แต่แรงดันไฟฟ้าจากเซลรับแสงอาทิตย์จะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

การใช้งานมีด้วยกัน 2 แนวทางหลัก

1. ใช้พลังงานจากเซลรับแสงอาทิตย์โดยตรง ในแบบนี้จะเหมาะกับโหลดที่มีความต้องการกระแสไฟฟ้าไม่มากนัก และต้องใช้งานในพื้นที่ที่มีแสงอาทิตย์ตลอดเวลา เช่น รถของเล่น หรือ Solar Car
2. ใช้เซลรับแสงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานโดยอ้อม ในลักษณะนี้จะนำพลังงานที่ได้จากเซลรับแสงอาทิตย์ไปเข้าวงจรประจุแบตเตอรี่ เพื่อประจุแบตเตอรี่ในตลอดเวลาที่เซลได้รับแสงอาทิตย์ จากนั้นนำแรงดันจากแบตเตอรี่ไปใช้งาน

ที่มา : inventor.in.th