ตอนที่ 4: กระบวนการผลิตต้นน้ำ: จากทรายซิลิกาสู่แผ่นเวเฟอร์และเซลล์สำเร็จรูป (Upstream Manufacturing: From Silica to Wafer and Finished Cell)
การผลิตแผงเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกซิลิคอน (Crystalline Silicon PV) เริ่มต้นจากกลุ่มของวัตถุดิบที่หาได้ง่ายที่สุดในโลก คือ ทรายซิลิกา (Silica Sand) หรือแร่ควอตซ์ ซึ่งมีองค์ประกอบหลักคือ ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) ขั้นตอนแรกในการแปรรูปประกอบด้วยการขจัดสิ่งปนเปื้อนทางกายภาพ โดยเฉพาะเศษเหล็กและแร่หนักด้วย เครื่องแยกประเภทแบบก้นหอย (Spiral Classifiers) ซิลิกาที่สะอาดจะถูกนำไปทำปฏิกิริยารีดักชันด้วยคาร์บอน (Carbon Reduction) ภายใต้เตาถลุงอาร์กไฟฟ้า (Electric Arc Furnace) ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,900°C เพื่อดึงโมเลกุลออกซิเจนออก ได้ผลผลิตเป็น ซิลิคอนเกรดโลหะกรรม (Metallurgical-Grade Silicon – MGS) ที่มีความบริสุทธิ์ประมาณ 98% ถึง 99%
Source: https://www.hsimetal.com/metallurgical-grade-silicon-metal/
เพื่อให้ได้ระดับความบริสุทธิ์ที่สูงพอสำหรับใช้ในงานอุปกรณ์กึ่งตัวนำ ซิลิคอน MGS จะต้องถูกแปลงให้อยู่ในสถานะก๊าซผ่าน กระบวนการซีเมนส์ (Siemens Process) ซิลิคอนดิบจะทำปฏิกิริยากับก๊าซไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl) เกิดเป็นสารประกอบ ไตรคลอโรไซเลน (HSiCl3) ซึ่งเป็นของเหลวที่มีจุดเดือดต่ำ สารนี้จะถูกนำไปผ่านการกลั่นลำดับส่วน (Fractional Distillation) จนได้ความบริสุทธิ์สูงอย่างยิ่ง จากนั้นจะนำไปผ่านปฏิกิริยารีดักชันกับก๊าซไฮโดรเจน (H2) ในเตาปฏิกรณ์อุณหภูมิสูง เพื่อให้เกิดการสะสมตัวของ ซิลิคอนผลึกรวมบริสุทธิ์ (High-Purity Polycrystalline Silicon) บนแกนซิลิคอนที่ได้รับความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้า โดยซิลิคอนที่ได้จะมีระดับความบริสุทธิ์สูงถึงระดับเกรดโซล่า (Solar-Grade Polysilicon) หรือเทียบเท่าทศนิยม 9 ตำแหน่ง (9N) ขึ้นไป
1. ความแตกต่างในการเจริญเติบโตของผลึก: Monocrystalline vs. Polycrystalline
ในการแปลงวัตถุดิบซิลิคอนผลึกรวมเกรดโซล่า (Polysilicon feedstock) ให้เป็นแท่งโครงสร้างผลึกเพื่อนำไปสไลซ์ แผ่นผลึกสองกลุ่มมีความแตกต่างเชิงวิศวกรรมการผลิตอย่างสิ้นเชิง:
- Monocrystalline Ingot (แท่งซิลิคอนผลึกเดี่ยว): อาศัย กระบวนการโชครัลสกี (Czochralski Method หรือ CZ Process) ซิลิคอนบริสุทธิ์จะถูกหลอมละลายในเบ้าควอตซ์ภายใต้เตาสูญญากาศที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,400°C จากนั้นแกนล่อผลึกเดี่ยว (Seed Crystal) ที่มีโครงสร้างทิศทางผลึกที่ต้องการจะถูกส่งลงไปแตะที่ผิวน้ำซิลิคอนเหลว และดึงขึ้นช้าๆ ควบคู่กับการหมุนแกนสวนทางกับการหมุนของเบ้าหลอม โครงสร้างอะตอมจะเรียงตัวตามแกนอย่างสมบูรณ์แบบ ได้แท่งซิลิคอนผลึกเดี่ยวทรงกระบอกไร้รอยต่อขอบเกรน (Grain Boundaries) ทำให้มีคุณภาพทางไฟฟ้าดีที่สุด มีโอกาสเกิด Recombination ต่ำมาก แต่ใช้พลังงานสูงและมีอัตราการสูญเสียวัตถุดิบจากการแปรรูปมาก
Source: Semicorex Advanced Material Technology Co.,Ltd
- Polycrystalline Ingot (แท่งซิลิคอนผลึกรวม): ผลิตผ่าน กระบวนการตกผลึกแบบกำหนดทิศทาง (Directional Solidification – DS หรือ Bridgman Process) ซิลิคอนจะถูกหลอมในเบ้าแกรไฟต์ทรงสี่เหลี่ยมขนาดใหญ่ จากนั้นระบบจะปล่อยให้อุณหภูมิลดลงอย่างช้าๆ จากด้านล่างของเบ้าขึ้นสู่ด้านบน (Bottom-up solidification) ทำให้น้ำซิลิคอนตกผลึกเป็นบล็อกทรงสี่เหลี่ยมขนาดใหญ่ การตกผลึกวิธีนี้ก่อให้เกิดผลึกขนาดเล็กจำนวนมาก (Grains) ที่เติบโตอย่างอิสระและหันเหไปในหลายทิศทาง โครงสร้างรูปแบบนี้จึงมี ขอบเกรน (Grain Boundaries) และความบกพร่องเชิงเส้นผลึก (Dislocations) จำนวนมาก ซึ่งเป็นจุดที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์ recombination และลดทอนปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้ แต่มีข้อดีคือขั้นตอนการผลิตที่ง่าย ผลิตได้ครั้งละปริมาณมาก และใช้พลังงานต่ำกว่ากระบวนการ CZ อย่างมาก
Source: How Are Solar Panels Made? A Comprehensive Overview
ภายหลังจากการสร้างแท่งซิลิคอนบริสุทธิ์ แผ่นซิลิคอนผลึกเดี่ยวที่สมบูรณ์จะถูกนำไปสไลซ์ให้เป็นแผ่นบางด้วย เทคโนโลยีการเลื่อยด้วยลวดเพชร (Multi-Diamond Wire Sawing Technology) เทคโนโลยีนี้จะใช้สายลวดขนาดเล็กที่เคลือบด้วยเม็ดฝุ่นเพชรขนาดไมครอนวิ่งผ่านแท่งซิลิคอนด้วยความเร็วสูงเพื่อตัดแบ่งเวเฟอร์ให้บางได้ถึงระดับ 60 µm ถึง 180 µm เพื่อการประหยัดวัตถุดิบและลดปริมาณเศษซิลิคอนสูญเสียจากการตัด (Kerf Loss)
อย่างไรก็ดี แรงกดจากการตัดจะทำให้เกิดชั้นความเสียหายจากการเลื่อย (Saw Damage) บนพื้นผิว เช่น การเปลี่ยนเฟสโครงสร้างซิลิคอนไปเป็นสารอสัณฐาน (Amorphous Silicon – a-Si) และโครงสร้างผลึกแบบ Si-I ร่วมกับการเกิดรอยร้าวขนาดเล็กระดับไมโคร (Microcracks) แผ่นเวเฟอร์จึงจำเป็นต้องนำไปกัดผิวด้วย สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH Solution) เพื่อกำจัดชั้นความเสียหายดังกล่าว (Saw Damage Removal – SDR) และสร้างโครงสร้างพื้นผิวแบบปุ่มพีระมิดสุ่มสำหรับลดค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนแสง
2. เทคนิคการเจือสารกึ่งตัวนำ: การสร้างขั้ว P-type และ N-type
การจะทำให้แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนบริสุทธิ์มีพฤติกรรมเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดที่มีขั้วไฟฟ้าประจุบวกหรือลบส่วนเกิน จะใช้วิธีการแพร่สารเจือปนผ่านเตาความร้อนหลอดแก้วควอตซ์ (Tube Diffusion Process) ภายใต้อุณหภูมิสูงปฏิกิริยาเคมีที่ควบคุมอย่างละเอียด:
- การสร้างชั้นตัวนำชนิด P (Boron Diffusion): จะใช้ก๊าซโบรอนไตรคลอไรด์ (BCl3) เป็นสารตั้งต้นหลัก โดยนำเข้าสู่เตาอบความร้อนสูงที่อุณหภูมิ 800°C ถึง 1,100°C ร่วมกับก๊าซออกซิเจน (O2) เพื่อทำปฏิกิริยาเกิดเป็นฟิล์มแก้วโบรอนออกไซด์ (B2O3) สะสมบนแผ่นซิลิคอนตามสมการเคมี:
โบรอนออกไซด์จะทำปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนกับพื้นผิวซิลิคอน ทำให้อะตอมโบรอนที่มีอิเล็กตรอนวงนอก 3 ตัว (Trivalent Impurity) แพร่ซึมสอดแทรกเข้าไปในโครงสร้างตาข่ายอะตอมของซิลิคอน เกิดเป็นพื้นที่สารกึ่งตัวนำประจุบวกส่วนเกินหรือ “โฮล” Hole
- การสร้างชั้นตัวนำชนิด N (Phosphorus Diffusion): ในทางอุตสาหกรรมนิยมใช้ของเหลวไร้สี ฟอสฟอรัสออกซีคลอไรด์ (POCl3) เป็นสารเจือปน โดยการเป่าก๊าซไนโตรเจน (N2) เพื่อพาไอระเหยของ POCl3 เข้าสู่เตาอบความร้อนสูงร่วมกับก๊าซออกซิเจน (O2) เพื่อสร้างชั้นแก้วฟอสฟอรัสเพนทอกไซด์ (P2O5) บนผิวหน้าเวเฟอร์ตามสมการเคมี:
จากนั้นสารประกอบ P2O5 จะถูกซิลิคอนที่ผิวของเวเฟอร์ทำปฏิกิริยารีดักชันเพื่อดึงอะตอมฟอสฟอรัส (Drive-in) ให้กระจายตัวเข้าแทนที่ตำแหน่งอะตอมซิลิคอนเดิมตามสมการเคมี:
เนื่องจากฟอสฟอรัสมีอิเล็กตรอนวงนอก 5 ตัว (Pentavalent Impurity) อะตอมฟอสฟอรัสที่เข้ามาแทนที่จะคายอิเล็กตรอนอิสระส่วนเกินออกมาหนึ่งตัว ส่งผลให้แผ่นกึ่งตัวนำเปลี่ยนสถานะเป็นชนิด N-type
คราบแก้วสารเจือปนที่เกิดขึ้นหลังกระบวนการ เช่น Phosphosilicate Glass (PSG) หรือ Borosilicate Glass (BSG) จะต้องถูกล้างออกด้วย สารละลายกรดไฮโดรฟลูออริก (Hydrofluoric Acid – HF) ตามด้วยกระบวนการเคลือบฟิล์มบางป้องกันการสะท้อนกลับของแสง (Anti-Reflective Coating – ARC) ด้วยสาร ซิลิคอนไนไตรด์ (SiNx) หรือ ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) ผ่านเครื่องเคลือบด้วยไอเคมีในสภาวะพลาสมา (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition – PECVD) เพื่อลดการสะท้อนกลับและเพิ่มโอกาสในการเก็บกักแสง ปิดท้ายด้วยขั้นตอนการพิมพ์หน้าสัมผัสโลหะนำไฟฟ้า (Screen-Printed Metallization) และการนำไปเผาความร้อน (Firing) เพื่อเชื่อมต่อวงจรอย่างถาวร
3. การประกอบแผงเซลล์แสงอาทิตย์: จากเซลล์เดี่ยวสู่แผงโซล่าเซลล์
หลังจากสิ้นสุดกระบวนการผลิตเซลล์จนได้เป็นแผ่นเซลล์อิสระที่พร้อมทำงานได้แล้ว ขั้นตอนถัดไปคือการประกอบเซลล์แสงอาทิตย์ที่บอบบางเหล่านี้ให้อยู่ในรูปแผงโซลาเซลล์ที่พร้อมสำหรับการใช้งานจริงที่มีเกราะป้องกันรอบด้านผ่าน 3 กระบวนการสำคัญ:
การเชื่อมต่อเซลล์อนุกรมด้วยสายบัสบาร์ (Interconnection): เซลล์เดี่ยวๆ จะถูกจับวางเรียงตัวประสานกันด้วยเครื่องเชื่อมความเร็วสูง โดยใช้สายริบบอนทองแดงเคลือบดีบุก (Tin-coated Copper Ribbons) เชื่อมจากขั้วสัมผัสโลหะ (Fingers) ด้านหน้าของแผ่นหนึ่ง ไปยังขั้วเชื่อมด้านหลังของอีกแผ่นหนึ่ง สลับเชื่อมโยงแบบอนุกรม ในแผงปัจจุบันที่เป็นสถาปัตยกรรม Multi-Busbar (MBB) จะใช้เส้นลวดกลมขนาดเล็กจำนวนมาก (9 ถึง 16 เส้น) ทับหน้าเซลล์เพื่อนำกระแสได้อย่างสม่ำเสมอ ลดแรงเค้นทางกลและลดเงาบดบังหน้าแผง
Source: https://www.maysunsolar.com/
สถาปัตยกรรมการเคลือบแคปซูลป้องกัน (Encapsulation Layer): แผ่นเซลล์ที่ต่อพ่วงกันจะถูกวางในลักษณะโครงสร้างแซนด์วิช โดยมีฟิล์มโพลิเมอร์แบบเหนียวพิเศษหุ้มหัวท้ายเพื่อเป็นตัวประสาน ยึดเกาะ และกันน้ำซึม ซึ่งแผงยุคใหม่ที่มีความละเอียดอ่อนของขั้วไฟฟ้าต้องพิจารณาเลือกประเภทฟิล์มอย่างรอบอบ:
- EVA (Ethylene-Vinyl Acetate): เป็นโพลิเมอร์แบบดั้งเดิมที่ใช้กันมากที่สุดเนื่องจากราคาย่อมเยาและขจัดฟองอากาศได้ง่ายระหว่างกระบวนการลามิเนต ทว่า EVA มีพันธะอะซิเตตที่เสี่ยงต่อการเกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส (Hydrolysis) เมื่อสัมผัสความชื้นสะสมจะเปลี่ยนสภาพปล่อย “กรดอะซิติก” (Acetic Acid) ออกมากัดกร่อนหน้าสัมผัสโลหะเงินของเซลล์แสงอาทิตย์ เกิดการลอกร่อนและทำให้แผงเสื่อมสภาพก่อนเวลา
- POE (Polyolefin Elastomer): โพลิเมอร์ชนิดไม่มีขั้วโมเลกุลที่เด่นเรื่องการต้านการซึมผ่านของน้ำ มีค่าความต้านทานไฟฟ้าที่สูงกว่า EVA มาก จึงป้องกันการเกิด Potential-Induced Degradation (PID) ได้อย่างเด็ดขาด เป็นมาตรฐานบังคับสำหรับแผงกระจกสองชั้น (Glass-Glass) และแผงเซลล์ N-type TOPCon ที่อ่อนไหวต่อกรดและไอน้ำภายนอกเป็นพิเศษ
- EPE (EVA-POE-EVA Co-extrusion): ฟิล์มลูกผสมสามชั้นที่นำ POE บางเฉียบมาแทรกกลางระหว่างแผ่น EVA สองด้าน เพื่อให้ได้คุณสมบัติกั้นความชื้นดีเยี่ยมของ POE ในขณะที่รักษาแรงยึดเกาะกระจกที่เหนียวแน่นและลดขั้นตอนเวลาการลามิเนตเหมือนแบบ EVA เป็นการประนีประนอมเรื่องต้นทุนและความทนทานที่ดีที่สุด
การอบเคลือบสูญญากาศและการประกอบกรอบนอก (Lamination & Framing): ชั้นของวัสดุที่ประกอบเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ทั้งหมด (กระจกนิรภัยด้านหน้า + ฟิล์มแคปซูลชิ้นบน + เซลล์ที่เชื่อมบัสบาร์แล้ว + ฟิล์มแคปซูลชิ้นล่าง + แผ่นหลัง Backsheet หรือ กระจกหลังในแผงสองหน้า) จะถูกส่งเข้าเตาอัดเคลือบสูญญากาศ (Vacuum Laminator) ระบบจะรีดอากาศออกจนเป็นสูญญากาศ พร้อมให้ความร้อนที่ 140°C ถึง 150°C เพื่อละลายโพลิเมอร์ให้ผสานตัวเป็นเนื้อเดียวกันอย่างไร้รอยต่อ จากนั้นจะปิดขอบข้างด้วยกาวซิลิโคนและกรอบอลูมิเนียมชุบอโนไดซ์เพื่อความทนทานต่อพายุ ติดตั้งกล่องต่อสายไฟ (Junction Box) ที่ด้านหลังเพื่อบรรจุไดโอดบายพาส (Bypass Diodes) ป้องกันความเสียหายจากจุดร้อน (Hotspot) และประกอบสายส่งพลังงานหัวต่อมาตรฐาน MC4 พร้อมนำส่งไปทดสอบขั้นสุดท้าย
