การอภิปรายสั้น ๆ เกี่ยวกับประเภทของเซลล์แสงอาทิตย์

พลังงานแสงอาทิตย์ครั้งหนึ่งเคยเป็นยานอวกาศล้ำสมัยและอุปกรณ์ล้ำสมัย แต่ไม่ได้เป็นเช่นนั้นอีกต่อไป ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา พลังงานแสงอาทิตย์ได้เปลี่ยนจากแหล่งพลังงานเฉพาะกลุ่มไปสู่เสาหลักสำคัญของภูมิทัศน์พลังงานทั่วโลก

โลกได้รับรังสีจากแสงอาทิตย์อย่างต่อเนื่องประมาณ 173,000TW ซึ่งมากกว่าความต้องการไฟฟ้าเฉลี่ยทั่วโลกถึงสิบเท่า

[1] ซึ่งหมายความว่าพลังงานแสงอาทิตย์สามารถตอบสนองความต้องการพลังงานทั้งหมดของเรา

ในช่วงครึ่งแรกของปี 2566 การผลิตพลังงานแสงอาทิตย์คิดเป็น 5.77% ของการผลิตไฟฟ้าทั้งหมดในสหรัฐอเมริกา เพิ่มขึ้นจาก 4.95% ในปี 2565

[2] แม้ว่าเชื้อเพลิงฟอสซิล (ก๊าซธรรมชาติและถ่านหินเป็นหลัก) จะคิดเป็นสัดส่วนมากถึง 60.4% ของการผลิตไฟฟ้าของสหรัฐอเมริกาในปี 2565

[3] แต่อิทธิพลที่เพิ่มขึ้นของพลังงานแสงอาทิตย์และการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์สมควรได้รับความสนใจ

 

ประเภทของเซลล์แสงอาทิตย์

 

ปัจจุบันเซลล์แสงอาทิตย์มีสามประเภทหลัก ๆ (หรือที่เรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ (PV)) ในตลาด: ผลึก ฟิล์มบาง และเทคโนโลยีเกิดใหม่ แบตเตอรี่ทั้งสามประเภทนี้มีข้อดีในด้านประสิทธิภาพ ต้นทุน และอายุการใช้งานในตัวเอง

 

01 คริสตัล

แผงโซลาร์เซลล์บนหลังคาบ้านส่วนใหญ่ทำจากซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ที่มีความบริสุทธิ์สูง แบตเตอรี่ประเภทนี้มีประสิทธิภาพมากกว่า 26% และมีอายุการใช้งานมากกว่า 30 ปีในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

[4] ประสิทธิภาพปัจจุบันของแผงโซลาร์เซลล์ในครัวเรือนอยู่ที่ประมาณ 22%

 

ซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์มีราคาน้อยกว่าซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าและมีอายุการใช้งานสั้นกว่า ประสิทธิภาพที่ต่ำลงหมายถึงต้องมีแผงเพิ่มมากขึ้นและพื้นที่มากขึ้น

 

พลังงานแสงอาทิตย์ ด้วยเทคโนโลยี multi-junction gallium arsenide (GaAs) ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบเดิม เซลล์เหล่านี้มีโครงสร้างหลายชั้น และแต่ละชั้นใช้วัสดุที่แตกต่างกัน เช่น อินเดียมแกลเลียมฟอสไฟด์ (GaInP), อินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (InGaAs) และเจอร์เมเนียม (Ge) เพื่อดูดซับความยาวคลื่นของแสงแดดที่แตกต่างกัน แม้ว่าเซลล์หลายทางเหล่านี้คาดว่าจะมีประสิทธิภาพสูง แต่ก็ยังประสบปัญหาต้นทุนการผลิตที่สูง และการวิจัยและพัฒนาที่ยังไม่บรรลุนิติภาวะ ซึ่งจำกัดความเป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์และการใช้งานจริง

 

02 ฟิล์ม

กระแสหลักของผลิตภัณฑ์เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบางในตลาดโลกคือโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) โมดูลดังกล่าวหลายล้านโมดูลได้รับการติดตั้งทั่วโลก โดยมีกำลังการผลิตไฟฟ้าสูงสุดมากกว่า 30GW ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการผลิตไฟฟ้าระดับสาธารณูปโภคในสหรัฐอเมริกา โรงงาน.

 

ในเทคโนโลยีฟิล์มบางนี้ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ขนาด 1 ตารางเมตรมีแคดเมียมน้อยกว่าแบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียม (Ni-Cd) ขนาด AAA นอกจากนี้ แคดเมียมในแผงเซลล์แสงอาทิตย์ยังจับกับเทลลูเรียม ซึ่งไม่ละลายในน้ำและคงตัวที่อุณหภูมิสูงถึง 1,200°C ปัจจัยเหล่านี้ช่วยลดอันตรายที่เป็นพิษจากการใช้แคดเมียมเทลลูไรด์ในแบตเตอรี่แบบฟิล์มบาง

 

ปริมาณเทลลูเรียมในเปลือกโลกมีเพียง 0.001 ส่วนในล้านส่วน เช่นเดียวกับแพลตตินัมที่เป็นธาตุหายาก ความหายากของเทลลูเรียมอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อต้นทุนของโมดูลแคดเมียมเทลลูไรด์ อย่างไรก็ตาม สามารถบรรเทาปัญหานี้ได้ด้วยแนวทางปฏิบัติในการรีไซเคิล

ประสิทธิภาพของโมดูลแคดเมียมเทลลูไรด์สามารถเข้าถึง 18.6% และประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ในสภาพแวดล้อมห้องปฏิบัติการสามารถเกิน 22% [5] การใช้สารหนูเพื่อทดแทนสารต้องห้ามทองแดงซึ่งใช้กันมานาน สามารถปรับปรุงอายุการใช้งานของโมดูลได้อย่างมาก และถึงระดับที่เทียบได้กับแบตเตอรี่คริสตัล

 

03เทคโนโลยีเกิดใหม่

 

เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ที่เกิดขึ้นใหม่โดยใช้ฟิล์มบางพิเศษ (น้อยกว่า 1 ไมครอน) และเทคนิคการสะสมโดยตรงจะช่วยลดต้นทุนการผลิตและให้เซมิคอนดักเตอร์คุณภาพสูงสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ เทคโนโลยีเหล่านี้คาดว่าจะกลายเป็นคู่แข่งในการผลิตวัสดุ เช่น ซิลิคอน แคดเมียมเทลลูไรด์ และแกลเลียมอาร์เซไนด์

 

[6]มีเทคโนโลยีฟิล์มบางที่รู้จักกันดีสามเทคโนโลยีในสาขานี้: คอปเปอร์ซิงค์ทินซัลไฟด์ (Cu2ZnSnS4 หรือ CZTS), ซิงค์ฟอสไฟด์ (Zn3P2) และท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว (SWCNT) ในห้องปฏิบัติการ เซลล์แสงอาทิตย์คอปเปอร์ อินเดียม แกลเลียม เซเลไนด์ (CIGS) มีประสิทธิภาพสูงสุดที่น่าประทับใจถึง 22.4% อย่างไรก็ตาม การจำลองระดับประสิทธิภาพดังกล่าวในเชิงพาณิชย์ยังคงเป็นความท้าทาย

[7] เซลล์ฟิล์มบางของลีดเฮไลด์เพอรอฟสกี้เป็นเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ที่เกิดขึ้นใหม่ที่น่าสนใจ เพอรอฟสกี้เป็นสารชนิดหนึ่งที่มีโครงสร้างผลึกตามสูตรเคมี ABX3 เป็นแร่สีเหลือง น้ำตาล หรือดำ ซึ่งมีส่วนประกอบหลักคือแคลเซียมไททาเนต (CaTiO3) เซลล์แสงอาทิตย์ชนิด perovskite ที่ใช้ซิลิคอนเชิงพาณิชย์ในเชิงพาณิชย์ซึ่งผลิตโดยบริษัท Oxford PV ในสหราชอาณาจักร มีประสิทธิภาพการทำงานเป็นประวัติการณ์ที่ 28.6% และจะเริ่มดำเนินการผลิตในปีนี้

[8]ในเวลาเพียงไม่กี่ปี เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสกี้ได้รับประสิทธิภาพที่คล้ายคลึงกับเซลล์ฟิล์มบางแคดเมียมเทลลูไรด์ที่มีอยู่ ในการวิจัยและพัฒนาในช่วงเริ่มต้นของแบตเตอรี่เพอร์รอฟสไกต์ อายุการใช้งานเป็นปัญหาใหญ่ สั้นมากจนสามารถคำนวณได้ภายในเวลาไม่กี่เดือนเท่านั้น

ปัจจุบันเซลล์เพอร์รอฟสไกต์มีอายุการใช้งาน 25 ปีขึ้นไป ปัจจุบันข้อดีของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์คือประสิทธิภาพการแปลงสูง (มากกว่า 25%) ต้นทุนการผลิตต่ำ และอุณหภูมิต่ำที่จำเป็นสำหรับกระบวนการผลิต

 

การสร้างแผงโซลาร์เซลล์แบบรวม

 

เซลล์แสงอาทิตย์บางชนิดได้รับการออกแบบให้จับเพียงส่วนหนึ่งของสเปกตรัมแสงอาทิตย์ในขณะที่ปล่อยให้แสงที่มองเห็นผ่านได้ เซลล์โปร่งใสเหล่านี้เรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบสีย้อมไวแสง (DSC) และเกิดที่ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ในปี 1991 ผลการวิจัยและพัฒนาใหม่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้ปรับปรุงประสิทธิภาพของ DSC และอาจไม่นานก่อนที่แผงโซลาร์เซลล์เหล่านี้จะออกสู่ตลาด

 

บริษัทบางแห่งใส่อนุภาคนาโนอนินทรีย์ลงในชั้นกระจกโพลีคาร์บอเนต อนุภาคนาโนในเทคโนโลยีนี้จะเลื่อนส่วนเฉพาะของสเปกตรัมไปที่ขอบกระจก ทำให้สเปกตรัมส่วนใหญ่สามารถทะลุผ่านได้ แสงที่กระจุกตัวอยู่ที่ขอบกระจกจะถูกควบคุมโดยเซลล์แสงอาทิตย์ นอกจากนี้ อยู่ระหว่างการศึกษาเทคโนโลยีในการใช้วัสดุฟิล์มบางของเพอร์รอฟสไกต์กับหน้าต่างแสงอาทิตย์แบบโปร่งใสและผนังด้านนอกของอาคาร

 

วัตถุดิบที่จำเป็นสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์

เพื่อเพิ่มการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ ความต้องการในการทำเหมืองวัตถุดิบที่สำคัญ เช่น ซิลิคอน เงิน ทองแดง และอลูมิเนียม จะเพิ่มขึ้น กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริการะบุว่าประมาณ 12% ของซิลิคอนเกรดโลหะวิทยา (MGS) ของโลกถูกแปรรูปเป็นโพลีซิลิคอนสำหรับแผงโซลาร์เซลล์

 

จีนเป็นผู้เล่นหลักในด้านนี้ โดยผลิต MGS ประมาณ 70% ของโลก และ 77% ของอุปทานโพลีซิลิคอนในปี 2020

 

กระบวนการแปลงซิลิคอนเป็นโพลีซิลิคอนต้องใช้อุณหภูมิที่สูงมาก ในประเทศจีน พลังงานสำหรับกระบวนการเหล่านี้ส่วนใหญ่มาจากถ่านหิน ซินเจียงมีทรัพยากรถ่านหินมากมายและมีต้นทุนไฟฟ้าต่ำ และการผลิตโพลีซิลิคอนคิดเป็น 45% ของการผลิตทั่วโลก

 

[12]การผลิตแผงโซลาร์เซลล์ใช้เงินประมาณ 10% ของโลก การทำเหมืองเงินส่วนใหญ่เกิดขึ้นในเม็กซิโก จีน เปรู ชิลี ออสเตรเลีย รัสเซีย และโปแลนด์ และอาจนำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น การปนเปื้อนของโลหะหนัก และการบังคับให้ย้ายถิ่นฐานของชุมชนท้องถิ่น

 

การทำเหมืองทองแดงและอะลูมิเนียมยังก่อให้เกิดความท้าทายในการใช้ที่ดินอีกด้วย การสำรวจทางธรณีวิทยาของสหรัฐอเมริกาตั้งข้อสังเกตว่าชิลีคิดเป็น 27% ของการผลิตทองแดงทั่วโลก ตามมาด้วยเปรู (10%) จีน (8%) และสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก (8%) สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (IEA) เชื่อว่าหากการใช้พลังงานหมุนเวียนทั่วโลกถึง 100% ภายในปี 2593 ความต้องการทองแดงจากโครงการพลังงานแสงอาทิตย์จะเพิ่มขึ้นเกือบสามเท่า

[13]บทสรุป

 

วันหนึ่งพลังงานแสงอาทิตย์จะกลายเป็นแหล่งพลังงานหลักของเราหรือไม่? ราคาพลังงานแสงอาทิตย์กำลังลดลงและประสิทธิภาพกำลังดีขึ้น ในขณะเดียวกันก็มีเส้นทางเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ให้เลือกหลากหลาย เมื่อใดที่เราจะระบุหนึ่งหรือสองเทคโนโลยีและทำให้มันใช้งานได้จริง? จะรวมพลังงานแสงอาทิตย์เข้ากับโครงข่ายได้อย่างไร?

 

วิวัฒนาการของพลังงานแสงอาทิตย์จากพลังงานเฉพาะทางไปสู่กระแสหลักเน้นย้ำถึงศักยภาพในการตอบสนองและเกินความต้องการพลังงานของเรา แม้ว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบผลึกจะครองตลาดในปัจจุบัน แต่ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีฟิล์มบางและเทคโนโลยีเกิดใหม่ เช่น แคดเมียมเทลลูไรด์และเพอรอฟสกี้ กำลังปูทางไปสู่การใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์แบบบูรณาการที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น พลังงานแสงอาทิตย์ยังคงเผชิญกับความท้าทายมากมาย เช่น ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการทำเหมืองวัตถุดิบและปัญหาคอขวดในการผลิต แต่ท้ายที่สุดแล้ว พลังงานแสงอาทิตย์ยังเป็นอุตสาหกรรมที่เติบโตอย่างรวดเร็ว มีนวัตกรรม และมีแนวโน้มที่ดี

 

ด้วยความสมดุลที่เหมาะสมของความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและแนวทางปฏิบัติที่ยั่งยืน การเติบโตและการพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์จะปูทางไปสู่อนาคตพลังงานที่สะอาดและอุดมสมบูรณ์มากขึ้น ด้วยเหตุนี้ จึงแสดงให้เห็นถึงการเติบโตอย่างมีนัยสำคัญในการผสมผสานพลังงานของสหรัฐอเมริกา และคาดว่าจะกลายเป็นโซลูชันที่ยั่งยืนระดับโลก