ตอนที่ 2: ฟิสิกส์ของเซลล์แสงอาทิตย์และกลไกการผลิตพลังงาน (Device Physics and Photovoltaic Mechanism)
กลไกการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าทำงานผ่านปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ของสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor Physics) หัวใจสำคัญของกระบวนการนี้เริ่มขึ้นเมื่ออนุภาคแสงหรือโฟตอน (Photons) ที่มีความยาวคลื่นที่เหมาะสมตกกระทบกับแผงเซลล์แสงอาทิตย์ โดยระดับพลังงานของโฟตอน (E) สามารถคำนวณได้จากสมการทางคณิตศาสตร์:
โดยที่ h คือค่าคงตัวของแพลนก์ (Planck’s Constant), v คือความถี่ของคลื่นแสง, c คือความเร็วแสงในสุญญากาศ และ λ คือความยาวคลื่นของแสง เมื่อค่าพลังงานของโฟตอนสูงกว่าหรือเท่ากับช่องว่างพลังงาน (Bandgap,Eg) ของซิลิคอน ซึ่งมีค่าประมาณ 1.12 eV ณ อุณหภูมิห้อง อะตอมซิลิคอนจะดูดซับพลังงานนี้ไว้ ส่งผลให้อิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์ (Valence Band) ถูกกระตุ้นและเคลื่อนที่ข้ามช่องว่างพลังงานขึ้นไปยังแถบคอนดักชัน (Conduction Band) กลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ (Free Electron) และทิ้งประจุบวกคงที่หรือ “โฮล” (Hole) ไว้ในแถบวาเลนซ์ เกิดเป็นคู่ประจุไอออนที่เรียกว่า คู่ประจุอิเล็กตรอน-โฮล (Electron-Hole Pair – EHP)
1. ขีดจำกัดทางทฤษฎีและขีดจำกัดช็อคเลย์-ควีเซอร์ (Shockley-Queisser Limit)
เรื่องนี้ผู้เขียนเคยเขียนเป็นบทความไปแล้วครั้งหนึ่ง (link:) แต่ขอนำมาเขียนอีกครั้งเพื่อความครบถ้วนของเนื้อหา – โดยประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของเซลล์แสงอาทิตย์แบบรอยต่อเดี่ยว (Single-junction PV) จะถูกควบคุมโดยขีดจำกัดสูงสุดทางอุณหพลศาสตร์ที่เรียกว่า Shockley-Queisser Limit (SQ Limit) ซึ่งระบุว่าประสิทธิภาพสูงสุดทางทฤษฎีของเซลล์แสงอาทิตย์รอยต่อเดี่ยวภายใต้แสงอาทิตย์มาตรฐาน (AM 1.5G) จะอยู่ที่ประมาณ 33.7% สำหรับวัสดุที่มีช่องว่างพลังงานในอุดมคติ (Optimal Bandgap) ระหว่าง 1.34 eV ถึง 1.4 eV (เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ หรือ GaAs)
แบบจำลองการดูดซับพลังานของอนุภาคแสงที่มีระดับพลังงานแตกต่างกัน Source: https://www.ossila.com/pages/radiative-efficiency-limit
สำหรับวัสดุซิลิคอน (c-Si) ซึ่งมีช่องว่างพลังงาน 1.12 eV ขีดจำกัด Shockley-Queisser ตามทฤษฎีพื้นฐานจะลดหลั่นลงมาอยู่ที่ประมาณ 32% ถึง 33% ทว่าหากรวมข้อจำกัดทางกายภาพภายในซิลิคอนเพิ่มเติม โดยเฉพาะการสูญเสียจากการรวมตัวใหม่แบบออกเจอร์ (Intrinsic Auger Recombination) ขีดจำกัดสูงสุดในทางปฏิบัติสำหรับซิลิคอนรอยต่อเดี่ยวจะถูกจำกัดไว้ที่ 29.4% (Auger-limit) ซึ่งนี่คือเพดานสูงสุดที่แผงแบบรอยต่อเดี่ยวพยายามเข้าใกล้ และเป็นแรงขับเคลื่อนหลักให้เกิดเทคโนโลยีแบบแทนเดม (Tandem) เพื่อก้าวข้ามขีดจำกัดนี้ไปสู่ประสิทธิภาพระดับ 35-40%
กลไกที่ทำให้เกิดขีดจำกัดทางกายภาพนี้เกิดจากเหตุผลสองประการหลัก:
- การสูญเสียโฟตอนที่มีพลังงานต่ำ (Sub-bandgap Transmission Loss): โฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่าช่องว่างพลังงานจะไม่สามารถกระตุ้นอิเล็กตรอนได้ และจะเดินทางทะลุผ่านวัสดุซิลิคอนไปโดยไม่เกิดปฏิกิริยาผลิตไฟฟ้าใดๆ
- การสูญเสียพลังงานส่วนเกินเป็นความร้อน (Thermalization Loss): เมื่อโฟตอนที่มีพลังงานสูงกว่าค่า Eg ของซิลิคอนตกกระทบ พลังงานส่วนที่เกินจากค่า 1.12 eV จะไม่ได้รับการแปลงเป็นไฟฟ้า แต่จะสูญเสียไปอย่างรวดเร็วในรูปของความร้อน (Phonons) ผ่านกระบวนการสั่นสะเทือนของโครงข่ายผลึก (Lattice Vibration)
2. ปรากฏการณ์การสูญเสียและการรวมตัวใหม่ของประจุ (Recombination Loss Mechanisms)
หลังจากที่แสงแดดสามารถกระตุ้นให้เกิดคู่ประจุ EHP ได้แล้ว อุปสรรคสำคัญที่บั่นทอนประสิทธิภาพและลดระดับแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (Voc) ของเซลล์คือ การรวมตัวกลับคืนของพาหะ (Carrier Recombination) ซึ่งแบ่งออกเป็น 3 กลไกหลักตามธรรมชาติของฟิสิกส์กึ่งตัวนำ:
Source: Radiative Recombination – an overview | ScienceDirect
- Radiative Recombination (การรวมตัวใหม่แบบแผ่รังสี): อิเล็กตรอนอิสระในแถบคอนดักชันตกลงมารวมตัวกับโฮลในแถบวาเลนซ์โดยตรง พร้อมปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอนแสง เป็นกลไกพื้นฐานที่เกิดขึ้นเมื่อมีการเกิดคู่ประจุ EHP เสมอ
- Auger Recombination (การรวมตัวใหม่แบบออกเจอร์): เป็นปฏิกิริยาของพาหะประจุสามตัว โดยเมื่ออิเล็กตรอนรวมตัวกับโฮล พลังงานที่เกิดขึ้นจะไม่ถูกคายออกเป็นแสงหรือความร้อนโดยตรง แต่จะถูกส่งต่อไปกระตุ้นอิเล็กตรอนตัวที่สามในแถบคอนดักชันให้ขึ้นไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น ก่อนที่อิเล็กตรอนตัวนั้นจะค่อยๆ คายพลังงานกลับสู่สภาพความร้อน กลไกนี้จะรุนแรงขึ้นอย่างมากในซิลิคอนที่ได้รับการเจือสารอย่างหนาแน่น (Heavily Doped Silicon) และเป็นปัจจัยจำกัดหลักของประสิทธิภาพแผงชนิด P-type
- Shockley-Read-Hall (SRH) Recombination (การรวมตัวใหม่ผ่านกับดักระดับพลังงาน): เกิดขึ้นเมื่อประจุถูกดักจับโดยสถานะระดับพลังงานแปลกปลอมที่อยู่ตรงกลางช่องว่างพลังงาน (Defect States) ซึ่งมักมีต้นตอมาจากความบกพร่องในโครงสร้างผลึก เช่น รอยแตกร้าว ขอบรวงเกรน หรืออะตอมสิ่งปนเปื้อนโลหะหนัก (เช่น เหล็ก หรือสารประกอบเชิงซ้อนโบรอน-ออกซิเจนในแผ่น P-type)
3. ผลกระทบของความต้านทานภายในและความต้านทานแฝง (Effects of Parasitic Resistances)
ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของเซลล์แสงอาทิตย์ยังขึ้นอยู่กับข้อจำกัดเชิงโครงสร้างและทางไฟฟ้าของวัสดุ ซึ่งแสดงออกในรูปของความต้านทานแฝง (Parasitic Resistances) ภายในเซลล์ ความต้านทานแฝงเหล่านี้แบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลักที่มีลักษณะการทำงานและส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง:
- ความต้านทานอนุกรม (Series Resistance, Rs): เป็นความต้านทานที่เกิดขึ้นตามเส้นทางการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้าภายในเซลล์ โดยมีสาเหตุหลักมาจาก 3 ปัจจัย ได้แก่ (1) การเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าผ่านเนื้อวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ (Bulk Resistance) ทั้งในชั้น Emitter และชั้น Base, (2) ความต้านทานสัมผัส (Contact Resistance) ตรงรอยต่อระหว่างผิวซิลิคอนและขั้วสัมผัสโลหะหน้าหลัง, และ (3) ความต้านทานเฉพาะของตัวขั้วโลหะนำกระแสไฟฟ้า (Fingers/Busbars)
- เมื่อค่า Rs เพิ่มขึ้นจะทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมภายในเซลล์ ส่งผลให้เกิดความบิดเบี้ยวของเส้นกราฟคุณลักษณะกระแสและแรงดัน (I-V Curve) โดยเฉพาะในสเตจที่กระแสจ่ายมีระดับปานกลางถึงสูง ซึ่งจะทำให้บริเวณ “ข้อศอก” (Knee) ของกราฟทรุดลงต่ำกว่าที่ควรจะเป็น และส่งผลต่อการเลื่อนของจุดกำลังไฟฟ้าสูงสุด (Maximum Power Point – MPP) ไปสู่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำลง ซึ่งการสูญเสียในลักษณะนี้นำไปสู่การลดลงอย่างมีนัยสำคัญของค่า Fill Factor (FF) และประสิทธิภาพโดยรวมของเซลล์แสงอาทิตย์ โดยในทางทฤษฎีนั้น เซลล์แสงอาทิตย์ที่สมบูรณ์แบบควรจะมีค่า Rs เท่ากับ 0 โอห์ม เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงานในรูปความร้อน
- ความต้านทานขนาน (Shunt Resistance, Rsh หรือ Rp): เป็นความต้านทานที่จำลองเส้นทางลัดวงจรขนานไปกับรอยต่อพี-เอ็น (p-n Junction) ซึ่งเกิดจากกระแสรั่วไหล (Leakage Current) โดยมีสาเหตุหลักมาจากการรั่วไหลบริเวณขอบแผ่นเซลล์ (Edge Leakage) หรือความบกพร่องในขั้นตอนการผลิตและโครงสร้างผลึกกึ่งตัวนำในบริเวณพร่องพาหะ (Depletion Region) เช่น รอยแตกร้าว (Dislocations) หรือรอยต่อขอบเกรน (Grain Boundaries)
- หากค่า Rsh มีค่าต่ำเกินไป กระแสไฟฟ้าบางส่วนที่สร้างขึ้นจากแสงจะรั่วไหลผ่านช่องทางเหล่านี้แทนที่จะไหลผ่านวงจรภายนอกไปยังโหลด ส่งผลให้ทั้งแรงดันไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้าลดลงอย่างรุนแรง โดยเฉพาะในสภาวะที่มีระดับความเข้มแสงต่ำ (Low Light Intensity) ผลกระทบจาก ที่ต่ำจะยิ่งสร้างผลกระทบได้มากกว่า เนื่องจากปริมาณกระแสที่ผลิตได้มีน้อยอยู่แล้วแต่กลับต้องสูญเสียไปกับการรั่วไหลภายใน นอกจากนี้ กระแสรั่วไหลที่เกิดขึ้นยังอาจนำไปสู่การเกิดจุดความร้อนสะสมเฉพาะจุด (Hot Spots) และในกรณีที่เลวร้ายที่สุดอาจนำไปสู่การลัดวงจรของอุปกรณ์ ดังนั้น ในทางอุดมคติ ควรมีค่าเป็นอนันต์ (Infinity) หรือในเชิงพาณิชย์ควรควบคุมค่าให้สูงกว่า 1,000 โอห์ม เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด
พฤติกรรมความต้านทานแฝงทั้งหมดนี้สามารถแสดงความสัมพันธ์ผ่านแบบจำลองไดโอดเดี่ยว (Single-Diode Model) ซึ่งประกอบด้วยสมการคณิตศาสตร์ดังต่อไปนี้:
โดยที่แรงดันอุณหภูมิ (Vt) คำนวณจากสมการ:
คำอธิบายตัวแปรในสมการ:
- I คือ กระแสไฟฟ้าขาออกที่จ่ายออกจากเซลล์ (Output Current) ในหน่วยแอมแปร์
- V คือ แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของเซลล์ (Terminal Voltage) ในหน่วยโวลต์
- Iph คือ กระแสไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำด้วยแสง (Photocurrent)
- I0 คือ กระแสอิ่มตัวย้อนกลับของไดโอด (Diode Saturation Current)
- Rs คือ ความต้านทานอนุกรมภายใน (Series Resistance) ในหน่วยโอห์ม
- Rsh คือ ความต้านทานขนานหรือความต้านทานรอยรั่ว (Shunt Resistance) ในหน่วยโอห์ม
- n คือ ค่าตัวประกอบอุดมคติของไดโอด (Diode Ideality Factor) ซึ่งมีค่าอยู่ระหว่าง 1 ถึง 2 ขึ้นกับชนิดวัสดุ
- Vt คือ แรงดันอุณหภูมิของสารกึ่งตัวนำ (Thermal Voltage) มีค่าประมาณ 25.85 mV ที่อุณหภูมิห้อง (300 K)
- k คือ ค่าคงตัวของโบลตซ์มันน์ (Boltzmann Constant) มีค่าคงที่ประมาณ 1.38 x 10-23 J/K
- T คือ อุณหภูมิสัมบูรณ์ของเซลล์กึ่งตัวนำ (Absolute Temperature) ในหน่วยเคลวิน
- q คือ ค่าประจุไฟฟ้ามูลฐานของอิเล็กตรอน (Elementary Charge) มีค่าคงที่ประมาณ 1.602 x 10-19 C
4. ผลกระทบของอุณหภูมิและการเสื่อมถอยประสิทธิภาพจากความร้อน (Thermal Degradation)
อุณหภูมิการทำงานของระบบแผงโซล่าเซลล์ภายใต้แสงแดดจัดเป็นอีกหนึ่งตัวแปรสำคัญที่ทำให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลง (Thermal Degradation) เมื่ออุณหภูมิของแผงเพิ่มขึ้น อะตอมซิลิคอนจะเกิดการสั่นไหวและทำให้ค่าช่องว่างพลังงานหดตัวลงเล็กน้อย ทว่าผลกระทบที่รุนแรงกว่าคือการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของความหนาแน่นพาหะตามธรรมชาติ (Intrinsic Carrier Concentration) ซึ่งจะส่งผลให้กระแสอิ่มตัวย้อนกลับ (Reverse Saturation Current) เพิ่มขึ้นในลักษณะเอกซ์โพเนนเชียล ส่งผลตรงทำให้แรงดันไฟฟ้าเมื่อวงจรเปิด (Voc) ดิ่งต่ำลงอย่างน่าใจหาย
ความเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าต่อความร้อนนี้ถูกกำหนดด้วยดัชนี ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของกำลังไฟฟ้าสูงสุด (Temperature Coefficient of Pmax) ซึ่งแสดงอัตราการสูญเสียพลังงานต่อทุกๆ 1°C ที่เพิ่มขึ้นเหนืออุณหภูมิมาตรฐานทดสอบ (STC คือ 25°C):
- P-type PERC: สูญเสียกำลังวัตต์สูงที่สุดเฉลี่ยที่ -0.35% ถึง -0.43%
- N-type TOPCon: มีความคงทนต่อความร้อนดีขึ้น สูญเสียเฉลี่ยประมาณ -0.29% ถึง -0.32%
- N-type HJT (Heterojunction): เป็นสถาปัตยกรรมที่ทนต่อความร้อนได้สูงที่สุดในกลุ่มซิลิคอน โดยมีอัตราสูญเสียต่ำเพียง -0.25% ถึง -0.27% เท่านั้น จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะที่สุดในพื้นที่เขตร้อนชื้นหรือทะเลทราย
