ตอนที่ 1: ประวัติศาสตร์พัฒนาเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ (Historical Evolution of Photovoltaic Technology)

ประวัติศาสตร์ของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Photovoltaic Technology) มีรากฐานยาวนานกว่าหนึ่งศตวรรษ โดยมีจุดเริ่มต้นจากการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ก่อนจะพัฒนามาเป็นอุตสาหกรรมพลังงานหมุนเวียนหลักของโลกในปัจจุบัน ปรากฏการณ์นี้ถูกค้นพบเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1839 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Alexandre-Edmond Becquerel ซึ่งในขณะนั้นมีอายุเพียง 19 ปี เขาได้ทำการทดลองกับเซลล์เคมีไฟฟ้า (Electrolytic Cell) ที่ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าโลหะแพลทินัม (Platinum Electrodes) สองขั้วจุ่มอยู่ในสารละลายนำไฟฟ้า และพบว่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านระบบจะเพิ่มขึ้นเมื่อขั้วไฟฟ้าฝั่งหนึ่งได้รับแสงแดด ปรากฏการณ์ดังกล่าวคือจุดเริ่มต้นของ ปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก (Photovoltaic Effect)

ภาพอธิบายการทดลอง Photovoltaic Effect โดย Alexandre-Edmond Becquerel

Source: First photovoltaic Devices | PVEducation

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญต่อมาเกิดขึ้นในทศวรรษ 1870 เมื่อ William Grylls Adams และ Richard Evans Day ได้เผยแพร่ผลงานวิจัยเรื่องปฏิกิริยาต่อแสงของธาตุซีลีเนียม (The Action of Light on Selenium) ต่อสมาคมราชสมาคมแห่งลอนดอน (Royal Society) ในปี ค.ศ. 1877 ถัดจากนั้นไม่นาน Charles Fritts ได้สร้างเซลล์แสงอาทิตย์จากธาตุซีลีเนียมเป็นครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1880 ซึ่งแม้ว่าจะมีอัตราการแปลงพลังงาน (Power Conversion Efficiency – PCE) ต่ำกว่า 1% และมีต้นทุนการผลิตสูงถึง 300 ดอลลาร์สหรัฐต่อวัตต์ แต่ก็นับเป็นการพิสูจน์แนวคิดการแปลงแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าโดยตรงโดยไม่มีส่วนเคลื่อนไหว จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1905 Albert Einstein ได้อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoelectric Effect) ซึ่งเป็นคำอธิบายทางทฤษฎีควอนตัมว่าแสงประกอบด้วยกลุ่มพลังงานที่เรียกว่าโฟตอน (Photons) ส่งผลให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1921 และเป็นรากฐานสำคัญในการวิจัยสารกึ่งตัวนำในเวลาต่อมา

ภาพอุปกรณ์ Photovoltaic ที่ใช้ธาตุซีลีเนียมเป็นวัสดุหลัก โดย Adams and Day

Source: First photovoltaic Devices | PVEducation

รากฐานจากทีมทรานซิสเตอร์ Bell Labs สู่เซลล์แสงอาทิตย์ยุคใหม่

ยุคสมัยใหม่ของเซลล์แสงอาทิตย์มีจุดเชื่อมโยงที่แยกไม่ได้กับกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ผู้บุกเบิกเทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำรุ่นแรก โดยในปื ค.ศ. 1945 ภายใต้การนำของ Mervin Kelly ผู้อำนวยการฝ่ายวิจัยของห้องปฏิบัติการเบลล์ (Bell Telephone Laboratories) ได้จัดตั้งแผนกฟิสิกส์สถานะของแข็ง (Solid-State Physics Department) ขึ้นเพื่อเสาะหาวัสดุทางเลือกมาทดแทนหลอดสูญญากาศและรีเลย์ที่ใช้กลไกแบบเก่าในระบบโทรศัพท์ ทีมวิจัยนี้นำโดย William Shockley ร่วมด้วยนักฟิสิกส์ผู้เชี่ยวชาญอย่าง John Bardeen และ Walter Brattain พวกเขาประสบความสำเร็จอย่างสูงในการประดิษฐ์ “ทรานซิสเตอร์รอยสัมผัสเฉพาะจุด” (Point-Contact Transistor) เครื่องแรกของโลกในเดือนธันวาคม ค.ศ. 1947 ซึ่งผลงานวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับพฤติกรรมทางไฟฟ้าของสารกึ่งตัวนำและการค้นพบปรากฏการณ์ทรานซิสเตอร์นี้ ส่งผลให้ทั้งสามท่านได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี ค.ศ. 1956 ร่วมกัน

ความเชื่อมโยงจากเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์สู่เทคโนโลยีโซล่าเซลล์ที่สำคัญคือ หนึ่งในสมาชิกของทีมวิจัยสารกึ่งตัวนำของ Shockley คือนักฟิสิกส์ชื่อ Gerald Pearson ซึ่งต่อมาเขาได้ร่วมมือกับ Daryl Chapin และ Calvin Fuller เพื่อนำทฤษฎีควอนตัมของอิเล็กตรอนและโฮล, ความเข้าใจเรื่องโครงสร้างรอยต่อ p-n, และเทคโนโลยีการดึงผลึกเดี่ยวของซิลิคอน (Czochralski Method ที่ได้รับการปรับปรุงใน Bell Labs) มาประยุกต์ใช้ออกแบบอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ จนกระทั่งประสบความสำเร็จในการสร้าง เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดผลึกซิลิคอน (Silicon Photovoltaic Cell) เครื่องแรกของโลกที่มีประสิทธิภาพเริ่มต้น 6% ในเดือนพฤษภาคม ค.ศ. 1954

จากห้องวิจัยสู่การผลิตเพื่อใช้งานจริง

ในช่วงต้นปี ค.ศ. 1955 Western Electric (บริษัทลูกฝ่ายผลิตและการค้าของ AT&T) ได้ขายสิทธิบัตรในเชิงพาณิชย์ของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ให้แก่บริษัท National Fabricated Products (NATFAB) ในชิคาโก ซึ่งได้เข้าซื้อสิทธิบัตรและเริ่มผลิตขายเซลล์ซิลิคอนขนาดเท่าเหรียญครึ่งดอลลาร์ในราคาเซลล์ละ 25 ดอลลาร์สหรัฐทันทีในเดือนพฤษภาคม ค.ศ. 1955

ทว่าเนื่องจาก NATFAB เป็นเพียงผู้ผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กที่มีข้อจำกัดด้านทุนทรัพย์ในการพัฒนาต่อยอดแท่งซิลิคอนเดี่ยวที่มีต้นทุนสูงถึง 280 ดอลลาร์สหรัฐต่อปอนด์ในขณะนั้น ในเวลาเดียวกันนั้นเอง H. Leslie Hoffman เจ้าของบริษัท Hoffman Electronics Corporation ผู้เชี่ยวชาญด้านระบบวิทยุ-โทรทัศน์และระบบวิศวกรรมการทหาร ได้มองเห็นวิสัยทัศน์ที่ยิ่งใหญ่ว่าสถาปัตยกรรม “โซล่าเซลล์กึ่งตัวนำ” นี้จะปฏิวัติโลกเมื่อนำมาผสานรวมเข้ากับ “ทรานซิสเตอร์” ที่เพิ่งกำเนิดขึ้น เขาจึงใช้กลยุทธ์เชิงรุกเข้าซื้อกิจการทั้งหมดของ NATFAB ในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 1955 เพื่อควบรวมสิทธิ์การถือครองเทคโนโลยีและดึงสิทธิบัตรจาก Bell Labs เข้ามาอยู่ภายใต้ร่มเงาของบริษัทตนเองอย่างเบ็ดเสร็จ เพื่อเริ่มต้นการลงทุนวิจัยเชิงอุตสาหกรรมในทศวรรษถัดไป

ทีมวิศวกรของ Hoffman Electronics ได้สร้างประวัติศาสตร์ด้านการวิจัยพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์อย่างก้าวยระโดด จากอัตราประสิทธิภาพตั้งต้นที่ 2% พวกเขาได้ปรับโครงสร้างการ dope สารกึ่งตัวนำจนสามารถเคลมประสิทธิภาพที่ 8% ในปี ค.ศ. 1957 และขยับขึ้นเป็น 9% ในปี ค.ศ. 1958 ซึ่งความก้าวหน้านี้ได้ไปดึงดูดความสนใจจากกองทัพและอุตสาหกรรมอวกาศของสหรัฐฯ เทคโนโลยีเซลล์ของ Hoffman จึงได้รับเลือกให้ผลิตแผงเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดเล็กจำนวน 6 แผง (ให้กำลังไฟฟ้ารวม 0.1 วัตต์) ติดตั้งบนดาวเทียมดวงแรกของกองทัพเรือสหรัฐฯ นั่นคือ Vanguard 1 ซึ่งถูกปล่อยขึ้นสู่อวกาศในวันที่ 17 มีนาคม ค.ศ. 1958 เซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้ช่วยขับเคลื่อนเครื่องส่งสัญญาณวิทยุของดาวเทียมให้ทำงานยาวนานต่อเนื่องถึง 8 ปี และส่งผลให้ Vanguard 1 กลายเป็นวัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้นที่เก่าแก่ที่สุดที่ยังโคจรอยู่ในอวกาศในปัจจุบัน

ดาวเทียม Vanguard 1, source: Les Hoffman – Wikipedia

จากความสำเร็จทางอวกาศ Hoffman ได้พัฒนาต่อยอดอย่างต่อเนื่อง โดยในปี ค.ศ. 1959 บริษัทได้คิดค้นและนำเทคโนโลยี “หน้าสัมผัสตะแกรงโลหะ” (Grid Contact) มาใช้เป็นรายแรก ซึ่งช่วยลดค่าความต้านทานอนุกรม (Series Resistance) บนหน้าเซลล์ได้อย่างมหาศาล ส่งผลให้ประสิทธิภาพเซลล์เชิงพาณิชย์ขยับพุ่งแตะระดับ 10% และถูกส่งไปใช้งานในดาวเทียม Explorer VI (ที่ติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์ของ Hoffman ถึง 9,600 เซลล์) ก่อนจะสร้างยอดสถิติสูงสุดที่ประสิทธิภาพ 14% ได้สำเร็จในปี ค.ศ. 1960 ยิ่งไปกว่านั้น Hoffman ยังได้นำเทคโนโลยีนี้มาปูพรมในตลาดสินค้าอุปโภคบริโภคทั่วไป โดยเปิดตัว “SOLARADIO” รุ่น P411 ในปี ค.ศ. 1956 และวิทยุพกพาพรีเมียมรุ่น PP706 “TRANS-SOLAR” ในปี ค.ศ. 1958 ซึ่งออกแบบให้มีแผงรับแสงอาทิตย์ติดตั้งไว้บริเวณหูหิ้วสำหรับชาร์จแบตเตอรี่ภายใน ถือเป็นสินค้าอิเล็กทรอนิกส์ไลฟ์สไตล์ชิ้นแรกๆ ของโลกที่ทำงานด้วยพลังงานแสงอาทิตย์

สถานะของกลุ่มบริษัทผู้บุกเบิกโซลาเซลล์ในปัจจุบัน (Current Status of Pioneering Companies)

จากปัญหา สภาพคล่องทางเศรษฐกิจ การควบรวมกิจการ และการเปลี่ยนผ่านเชิงเทคโนโลยีได้ส่งผลต่อสถานะของสามบริษัทผู้บุกเบิกเหล่านี้ไปอย่างสิ้นเชิง ดังนี้:

Nokia Bell Labs (ห้องปฏิบัติการเบลล์): ภายหลังจากการล่มสลายและแบ่งแยกกิจการแบบผูกขาดของ Bell System (AT&T) ในปี ค.ศ. 1984 Bell Labs ได้ถูกเปลี่ยนสถานะเป็นแผนกวิจัยภายใต้ AT&T Technologies จากนั้นถูกสปินออฟเป็นส่วนหนึ่งของ Lucent Technologies ในปี ค.ศ. 1996 และเข้าสู่การควบรวมกิจการเป็น Alcatel-Lucent ในปี ค.ศ. 2006 จนกระทั่งในปี ค.ศ. 2016 Nokia ยักษ์ใหญ่ด้านโทรคมนาคมสัญชาติฟินแลนด์ได้เข้าซื้อกิจการทั้งหมด ส่งผลให้ปัจจุบันเปลี่ยนชื่อเป็น Nokia Bell Labs ซึ่งยังคงทำหน้าที่เป็นสถาบันวิจัยทางวิทยาศาสตร์และนวัตกรรมชั้นนำของโลก แต่ไม่ได้มุ่งเน้นกระบวนการผลิตแผงโซล่าเซลล์เชิงพาณิชย์อีกต่อไป

Hoffman Electronics Corporation: ภายหลังจากผู้ก่อตั้ง Les Hoffman เสียชีวิตลงในปี ค.ศ. 1971 บอร์ดบริหารได้ตัดสินใจขายกิจการทั้งหมดในปี ค.ศ. 1977 โดยบริษัท Gould Electronics ยักษ์ใหญ่ด้านแบตเตอรี่และระบบวิศวกรรมการทหารได้เข้าซื้อแผนกส่วนใหญ่ไปในปี ค.ศ. 1978 และทำการยกเลิกผลิตภัณฑ์กลุ่มผู้บริโภคทั้งหมดเพื่อมุ่งเป้าสู่อาวุธใต้น้ำและเทคโนโลยีทางการทหารร่วมกับกระทรวงกลาโหมสหรัฐฯ

ในปี ค.ศ. 1988 Gould ถูกซื้อกิจการโดยกลุ่มทุนญี่ปุ่น Nippon Mining (ต่อมาคือ JX Nippon Mining & Metals ในเครือ Eneos Holdings) จากสภาวะตลาดที่หดตัวในยุโรปและสงครามราคากับจีน JX Nippon จึงตัดสินใจยุติการดำเนินงานและปิดบริษัท Gould Electronics ลงอย่างถาวรในเดือนธันวาคม ค.ศ. 2014

ผู้สืบทอดที่ยังคงอยู่ – Hoffman Video Systems: ในการขายกิจการเมื่อปี ค.ศ. 1977 ลูกเขยของ Les Hoffman ชื่อ J. Kristoffer Popovich ได้เจรจาแยกตัวแผนกระบบภาพและเสียงออกตั้งเป็นบริษัทใหม่ในชื่อ Hoffman Video Systems ในปี ค.ศ. 1978 ปัจจุบัน บริษัทยังคงเปิดดำเนินกิจการอย่างมั่นคงในฐานะผู้บูรณาการระบบภาพและเสียงระดับพรีเมียม (Premium AV System Integration & High-end Home Theater) สำหรับองค์กรธุรกิจและบ้านพักอาศัยของแคลิฟอร์เนีย ซึ่งถือเป็นมรดกทางสายเลือดชิ้นสุดท้ายที่ยังหลงเหลืออยู่ของผู้บุกเบิกตระกูล Hoffman