จากบทความที่แล้วที่เราได้ทำการรีวิวแผงโซล่าเซลล์ที่มีประสิทธิภาพสูงที่สุดในปี 2025 หลายคนอาจจะสงสัยว่าประสิทธิภาพของแผงโซล่าเซลล์จะเพิ่มได้สูงสุดเท่าไหร่และทำไมเซลล์แสงอาทิตแบบ เพอร์รอฟสไกต์ (perovskite) จึงถูกจับตามองว่าจะสามารถทำประสิทธิภาพได้สูงมากกว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบที่มีใช้กันในปัจจุบัน โดยในเรื่องของประสิทธิภาพ หลายคนอาจไม่ทราบว่าโซล่าเซลล์มีขีดจำกัดของประสิทธิภาพที่กำหนดโดยฟิสิกส์พื้นฐานอยู่ค่าๆหนึ่ง ซึ่งเรียกว่า Shockley-Queisser Limit บทความนี้จะอธิบายถึงขีดจำกัดดังกล่าว และเปรียบเทียบกับประสิทธิภาพของโซล่าเซลล์จากวัสดุต่าง ๆ ที่ดีที่สุดในปีล่าสุด
Shockley-Queisser Limit คืออะไร?
Shockley-Queisser Limit คือขีดจำกัดเชิงทฤษฎีของ ประสิทธิภาพสูงสุดของเซลล์แสงอาทิตย์แบบรอยต่อเดียว (Single-Junction Solar Cell) ภายใต้สภาวะฉายแสงอาทิตย์มาตรฐาน (AM1.5 spectrum) นำเสนอโดย William Shockley และ Hans Queisser ในปี ค.ศ. 1961 สรุปได้ดังนี้:
- ประสิทธิภาพสูงสุดทางทฤษฎีของเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนแบบรอยต่อเดียว อยู่ที่ประมาณ 33.7%
- ค่าดังกล่าวขึ้นอยู่กับแถบพลังงาน (band gap) ของวัสดุที่ใช้ ซึ่งค่าที่เหมาะสมที่สุดอยู่ราว 1.34 eV
ในทฤษฎี Shockley-Queisser Limit นี้ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ถูกจำกัดด้วยคุณลักษณะการดูดซับพลังงานในอนุภาคโฟตอนของแสงอาทิตย์ โดยที่:
- โฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่าค่า band gap จะทะลุผ่านโดยไม่มีการดูดซับพลังงาน
- โฟตอนที่มีพลังงานมากกว่า band gap พลังงานส่วนเกินจะแปลงเป็นความร้อน (thermalization)
- การสูญเสียเนื่องจากการเกิด recombination ของ electron-hole ใน p-n junction
ภาพ1: แบบจำลองการดูดซับพลังานของอนุภาคแสงที่มีระดับพลังงานแตกต่างกัน แผนภาพระดับพลังงานด้านล่างเปรียบเทียบการดูดซับพลังงานในวัสดุสารกึ่งตัวนำที่มี band gap กว้าง กับ band gap แคบ กล่าวคือ เมื่อ band gap แคบ โฟตอนเกือบทั้งหมดใน spectrum ของแสงแดดจะสามารถกระตุ้นอิเลคตรอนจาก valence band เข้าสู่ conduction band ได้เกือบทั้งหมด แต่ก็จะมีอิเลคตรอนที่มีพลังงานส่วนเกินใน conduction band ที่สุดท้ายจะแปลงเป็นความร้อน (thermalization)
ภาพ 2: ภาพเปรียบเทียบพลังงานสูญเสียที่เกิดขึ้นเมื่อ band gap กว้าง และ band gap แคบ ในทางกลับกัน หาก band gap กว้าง จะมีโฟตอนจำนวนไม่มากที่สามารถกระตุ้นให้อิเลคตอนใน valence band เข้าสู่ conduction band ได้ ในกรณีนี้ โฟตอนที่ไม่สามารถกระตุ้นอิเคลตรอนได้จะเสมือนทะลุผ่านสารกึ่งตัวนำไปโดยไม่มีการดูดซับพลังงาน เมื่อพิจารณาความสัมพันธ์ของขนาด band gap กับการเปลี่ยนเป็นความร้อนของพลังงานส่วนเกินและการทะลุผ่านโดยไม่ได้มีการดูดซับพลังงาน นักวิจัย Shockley และ Queisser ได้แสดงให้เห็นว่าสำหรับแสงอาทิตย์มาตรฐาน AM1.5 spectrum ค่า band gap ที่เหมาะสมในการดูดซับพลังงานอยู่ที่ 1.34 eV
เนื่องจากพลังงานของโฟตอนมีความสัมพันธ์แบบผกผันกับความยาวคลื่นแสง กล่าวคือแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นจะมีพลังงานสูง ส่วนแสงที่มีความยาวคลื่นยาวจะมีพลังงานต่ำ เราสามารถแสดงพลังงานทั้งหมดที่ถูกดูดซึมและสูญเสียไปทั้งการเปลี่ยนเป็นความร้อนและการทะลุผ่านได้ตามภาพด้านล่าง
ภาพ 3: แสดงพลังงานของแสงแดดที่สามารถดูดซับได้ในรูปของความยาวคลื่นแสง นอกเหนือจากขีดจำกัดในการดูดซับพลังงานแล้วเซลล์แสงอาทิตย์ยังมีการสูญเสียพลังงานอีก 2 อย่างเกิดขึ้นเสมอ
- การสูญเสียพลังงานที่เกิดจากการรวมตัวกันของ electron-hole ในบริเวณ p-n junction และแผ่รังสีความร้อนในช่วงอินฟาเรดออกมา เราเรียกปรากฎการณ์นี้ว่า radiative recombination และ
- การสูญเสียพลังงานเนื่องจากความต้านทานภายในของเซลล์แสงอาทิตย์ เรียกว่า parasitic resistance loss
ภาพ 4: ไดอะแกรมแสดงสัดส่วนความสูญเสียของพลังงานในรูปแบบต่างๆ ตามการศึกษาของ Shockley-Queisser จากข้อจำกัดของการดูดซับพลังงานของ band gap และความสูญเสียต่างๆของเซลล์แสงอาทิตย์นี้นำไปสู่ข้อสรุปของ Shockley-Queisser ว่าเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดรอยต่อเดียวจะมีความสามารถในการดูดซับพลังงานสูงสุดอยู่ที่ 33.7% เมื่อ band gap อยู่ที่ 1.34 eV
เปรียบเทียบกับประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์วัสดุต่าง ๆ ในปัจจุบัน (ข้อมูลอัปเดตปี 2024)
ประเภทวัสดุโซลาร์เซลล์
ประสิทธิภาพสูงสุดในห้องทดลอง (%)
ผู้พัฒนา ปี ซิลิคอน (Monocrystalline)
26.8% LONGi (จีน)
2024
Tandem (Perovskite + ซิลิคอน)
33.9% Oxford PV 2023 แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs)
29.1%
Alta Devices – CIGS (Copper Indium Gallium Selenide)
23.4%
Solar Frontier
–
CdTe (Cadmium Telluride)
22.1%
First Solar
–
Perovskite (Single-Junction) 25.7%
EPFL (สวิตเซอร์แลนด์)
2023
ทำไมบางเทคโนโลยีถึงทะลุขีดจำกัด Shockley-Queisser?
เทคโนโลยีอย่าง Tandem cell (เช่น perovskite + silicon) สามารถทำลายข้อจำกัดของ Shockley-Queisser Limit ได้ เพราะใช้วัสดุสองชั้นที่มี band gap แตกต่างกัน ทำให้สามารถดักจับพลังงานแสงได้หลากหลายช่วงความถี่มากขึ้น
ภาพ 5: การสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบหลายชั้นเพื่อเอาชนะข้อจำกัดของ Shockley-Queisser สรุป
Shockley-Queisser Limit ยังคงเป็นหลักเกณฑ์สำคัญในการออกแบบโซลาร์เซลล์ชนิด single-junction แต่เทคโนโลยีใหม่อย่างเซลล์แบบ tandem และ perovskite ได้ผลักดันประสิทธิภาพให้เข้าใกล้ หรือแม้แต่เกินขีดจำกัดนี้ไปแล้วในห้องทดลอง ซึ่งเป็นสัญญาณที่ดีของอนาคตพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง
Source:
