ศูนย์พัฒนามาตรฐานและทดสอบระบบเซลล์แสงอาทิตย์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.)
CES Solar Cells Testing Center (CSSC)
King Mongkut's University of Technology Thonburi (KMUTT)
HomeAbout UsNewsTestingTrainingResearchKnowledgeContact Us
THEN
ClassroomPV ArticlesPVsystemSeminarFAQWebLink

เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ใหม่ในยุคปี 2021

  ความคุ้นเคยที่ผ่านมาเกี่ยวกับเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ในเชิงพาณิชย์คือ แผงเซลล์แสงอาทิตย์มีใช้งานกันทั่วไปเป็นชนิดผลึกซิลิคอนทั้งแบบผลึกเดี่ยว หรือโมโนซิลิคอน และแบบหลายผลึก หรือมัลติ/โพลีซิลิคอน และแผงเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบางอะมอร์ฟัสซิลิคอน นอกจากนี้มีแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบที่ไม่ใช่ซิลิคอน เช่น CIS, CIGS, และ CdTe เป็นต้น
  ต่อมาในช่วงปี ค.ศ. 2021 เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ได้พัฒนาทางโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ซับซ้อนเพิ่มขึ้นและมีหลากหลายรูปแบบ ทำให้ประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าสูงขึ้น เทคนิคที่ใช้ประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลงของการจัดวางเซลล์ รูปแบบการต่อเซลล์ และการเชื่อมต่อเซลล์ที่ซับซ้อนมากขึ้น รวมถึงการเพิ่มองค์ประกอบของเซลล์ โดยเพิ่มส่วนของรอยต่อในเซลล์และเพิ่มพื้นที่การรับและสะท้อนโฟตอนให้มากขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้น การเปลี่ยนแปลงนี้จัดเป็น นวัตกรรมทางเทคโนโลยีของเซลล์แสงอาทิตย์
  นวัตกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ใหม่ที่มีขายในตลาดและเป็นที่ยอมรับทั้งประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ลดปัญหาการบังเงา และมีความน่าเชื่อถือสูง โดยที่รับประกันผลิตภัณฑ์ 25 ปี ได้แก่่
  1. เซลล์แสงอาทิตย์แบบหลายรอยต่อ (HJT - Heterojunction cells)
  2. เซลล์แสงอาทิตย์แบบไร้ช่องว่าง (Gapless Cells - High-density cell construction)
  3. เซลล์แสงอาทิตย์แบบเพิร์ช (PERC - Passivated Emitter Rear Cells)
  4. เซลล์แสงอาทิตย์แบบหลายบัสบาร์ (Multi Busbar - Multi ribbon and micro-wire busbars)
  5. เซลล์แสงอาทิตย์แบบครึ่งเซลล์ หรือแบบเซลล์ตัด (Split cells - half-cut and 1/3 cut cells)
  6. เซลล์แสงอาทิตย์แบบซ้อนเซลล์ (Shingled Cells - Multiple overlapping cells)
  7. เซลล์แสงอาทิตย์แบบเชื่อมต่อด้านหลัง (IBC - Interdigitated Back Contact cells)
  8. เซลล์แสงอาทิตย์แบบท็อปคอน (TOPCon - Tunnel Oxide Passivated Contact)
  แผงเซลล์แสงอาทิตย์จะเปรียบเทียบกันที่ประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้า หากมีประสิทธิภาพสูงก็จะผลิตไฟฟ้าได้มากกว่า ทั้งนี้ประสิทธิภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์กับนวัตกรรมใหม่ๆ ได้ถูกเปรียบเทียบให้เห็นดังแสดงในรูปที่ 1



  สมการที่ใช้คำนวณประสิทธิภาพแผงเซลล์แสงอาทิตย์
รูปที่ 1 เปรียบเทียบประสิทธิภาพแผงเซลล์แสงอาทิตย์ในแต่ละนวัตกรรมด้านเทคโนโลยี

1. เซลล์แสงอาทิตย์แบบหลายรอยต่อ (HJT - Heterojunction cells)

  การพัฒนาของเซลล์แสงอาทิตย์แบบหลายรอยต่อเป็นที่รู้จักมานาน ซึ่งเซลล์แสงอาทิตย์แบบนี้ใช้ซิลิคอนแบบผลึกเป็นพื้นฐานหลัก และเติมด้วยฟิล์มบางของอะมอร์ฟัสซิลิคอนแบบ ultra-thin film ในช่วงเริ่มต้นการเติมด้วยฟิล์มบางของอะมอร์ฟัสซิลิคอนถูกเติมเพียงด้านบนของเซลล์ ต่อมามีการพัฒนาให้เป็นการเติม ultra-thin film แบบดับเบิ้ลเลเยอร์ทั้งด้านบนและด้านล่างของซิลิคอนแบบผลึก ดังตัวอย่างรูปที่ 2 โครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบ HJT ช่วยลดการสูญเสียที่เกิดขึ้นในรอยต่อระหว่างชั้น n-p (Amorphous silicon layers reduce the electron recombination losses) ซึ่งส่งผลให้การสูญเสียที่แสดงในรูปของความร้อนลดลงได้รูปที่ 2 โครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบ HJT (Heterojunction cells)

2. เซลล์แสงอาทิตย์แบบไร้ช่องว่าง (Gapless Cells - High-density cell construction)

  แผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบเดิมจะเชื่อมต่อเซลล์โดยใช้บัสบาร์ 3-5 เส้น ระยะห่างระหว่างเซลล์ประมาณ 2-3 มิลลิเมตร ต่อมาการพัฒนาแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบไร้ช่องว่าง โดยการปรับลดระยะห่างระหว่างเซลล์ลงเพื่อเพิ่มพื้นที่เซลล์ให้มากขึ้น ทำให้พื้นที่รับแสงเพิ่มขึ้น ดังตัวอย่างรูปที่ 3 การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์แสงอาทิตย์แบบไร้รอยต่อ (Gapless Cells) ทั้งนี้การพัฒนาแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบนี้ใช้บัสบาร์ที่เล็กและบางลง ซึ่งได้เพิ่มจำนวนของบัสบาร์ให้มากขึ้นจะทำให้การส่งอิเล็กตรอนสะดวกรวดเร็วขึ้นรูปที่ 3 การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์แสงอาทิตย์แบบไร้รอยต่อ (Gapless Cells)

3. เซลล์แสงอาทิตย์แบบเพิร์ช (PERC - Passivated Emitter Rear Cells)

  เซลล์แสงอาทิตย์แบบเพิร์ช เป็นนวัตกรรมที่พลิกโฉมเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ โครงสร้างภายในเซลล์ถูกพัฒนาขึ้นโดยเพิ่มให้ด้านหลังเซลล์มีความสามารถเพื่อให้ดูดซับโฟตอนเพิ่มมากขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าสูงขึ้น ดังตัวอย่างรูปที่ 4 แสดงโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพิร์ช (PERC - Passivated Emitter Rear Cells) ทั้งนี้เซลล์แสงอาทิตย์แบบเพิร์ช โดยทั่วไปใช้ Aluminum Back Surface Field (Al-BSF)รูปที่ 4 โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพิร์ช (p-type PERC - Passivated Emitter Rear Cells)
ซึ่งต่อมาการพัฒนาต่อยอดของเทคโนโลยีเซลล์แบบเพิร์ชในหลายแบบ ได้แก่ PERT (Passivated Emitter Rear Totally-diffused) ใช้ Boron Back Surface Field (B-BSF) ช่วยลดการเสื่อมสภาพจากแสง (light-induced degradation) และ PERL (Passivated Emitter and Rear Locally-diffused) ใช้การเพิ่มจุดรับและสะท้อนโฟตอนเป็นจุดๆ ดังตัวอย่างรูปที่ 5 โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ (ก) แบบ PERT (ข) แบบ PERL
รูปที่ 5 โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ (ก) แบบ p-type PERT  รูปที่ 5 โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ (ข) แบบ n-type PERL

4. เซลล์แสงอาทิตย์แบบหลายบัสบาร์ (Multi Busbar, MBB - Multi ribbon and micro-wire busbars)

  แผงเซลล์แสงอาทิตย์โดยทั่วไปมีจำนวนบัสบาร์ 3-5 เส้นต่อเซลล์ ต่อมาการพัฒนาโดยเพิ่มจำนวนบัสบาร์ให้มากขึ้นเป็นบัสบาร์ 9 เส้น หากเซลล์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้นจำนวนบัสบาร์เพิ่มขึ้นเป็น 12-16 เส้น ซึ่งทำให้การส่งและรวบรวมอิเล็กตรอนรวดเร็วขึ้น ทั้งนี้บัสบาร์จะมีขนาดเล็กลงและมีความบางมากขึ้นเพื่อให้การเชื่อมต่อเซลล์แบบใหม่ๆ สามารถทำได้ง่ายขึ้นเช่น การต่อเซลล์แบบไร้รอยต่อ การต่อเซลล์แบบครึ่งเซลล์ เป็นต้น
  ข้อดีของบัสบาร์ที่มากขึ้นได้กล่าวถึงกรณีที่เซลล์เกิดการแตกในระดับไมโคร จะช่วยลดโอกาสที่จะเกิดความเสียหายเนื่องจากจุดร้อนบนเซลล์ (Hot spot) นั่นคือ เส้นทางเลือกให้อิเล็กตรอนเดินทางมีเพิ่มมากขึ้น ดังตัวอย่างรูปที่ 6
รูปที่ 6 การเปรียบเทียบทางเดินของอิเล็กตรอนกรณีบัสบาร์หลายเส้นและบัสบาร์ 1 เส้น

5. เซลล์แสงอาทิตย์แบบครึ่งเซลล์ หรือแบบเซลล์ตัด (Split cells - half-cut and 1/3 cut cells)

  เซลล์แสงอาทิตย์ที่ผลิตมาใช้งานในอดีตได้พัฒนามาเป็นลำดับ ซึ่งในปี ค.ศ. 2012 เซลล์แสงอาทิตย์โดยทั่วไปมีขนาด 156 x 156 มิลลิเมตร ต่อมาตั้งแต่ในปี ค.ศ. 2019 ขนาดเซลล์แสงอาทิตย์ใหญ่ขึ้นจาก 166 x 166 มิลลิเมตร เป็น 210 x 210 มิลลิเมตร ซึ่งรูปแบบการต่อเซลล์ได้พัฒนาขึ้นเช่นกันรวมถึงการตัดแบ่งเซลล์แบบครึ่งเซลล์ (Half-cut) และแบบ 1/3 ของเซลล์ (Third-cut) ดังตัวอย่างรูปที่ 7 แสดงตัวอย่างการตัดแบ่งเซลล์เปรียบเทียบในแต่ละช่วงเวลาตั้งแต่ปี ค.ศ. 2012 ถึงช่วงปี ค.ศ. 2020 มาเป็นลำดับรูปที่ 7 การตัดแบ่งเซลล์ในแต่ละช่วงเวลาตั้งแต่ปี ค.ศ. 2012 ถึงช่วงปี ค.ศ. 2020

การจัดเรียงของเซลล์ที่ตัดแบ่งแบบครึ่งเซลล์จะจัดเป็น 2 กลุ่ม ได้แก่ (1) กลุ่มเซลล์บน และ (2) กลุ่มเซลล์ล่าง ซึ่งเซลล์ 2 กลุ่มจะถูกนำมาต่อกันแบบขนาน ข้อดีของการต่อเซลล์แบบนี้ จะช่วยลดอุณหภูมิการทำงานของเซลล์ เนื่องจากพื้นที่ของแต่ละเซลล์ในการผลิตไฟฟ้ามีขนาดลดลง ช่วยลดผลกระทบจากการบังเงา ส ิ่งสกปรกหน้าแผง และการแตกของเซลล์ในระดับไมโคร (Microcrack) และในตัวอย่างรูปที่ 8 แสดงตัวอย่างข้อดีของการตัดแบ่งเซลล์ลดผลกระทบจากการบังเงา ซึ่งกรณีที่เซลล์ทั้งหมดเชื่อมต่อแบบอนุกรม เมื่อบางส่วนของเซลล์ถูกบังจะผลิตไฟฟ้าได้ลดลง และเกิดผลกระทบตามมาเนื่องจากความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้า แต่กรณีของครึ่งเซลล์ต่อแบบขนานจะช่วยลดปัญหาที่กล่าวมาได้

รูปที่ 8 ตัวอย่างข้อดีของการตัดแบ่งเซลล์ลดผลกระทบจากการบังเงา

6. เซลล์แสงอาทิตย์แบบซ้อนเซลล์ (Shingled Cells - Multiple overlapping cells)

  การพัฒนาอีกแบบหนึ่งคือการต่อเซลล์แสงอาทิตย์แบบซ้อนเซลล์เป็นเทคโนโลยีใหม่ ซึ่งเซลล์ถูกตัดออกเป็น 5-6ชิ้นต่อเซลล์ แล้วนำมาต่อแบบซ้อนกันและยึดติดกันด้วยกาวนำไฟฟ้า ดังตัวอย่างในรูปที่ 9รูปที่ 9 ตัวอย่างการตัดแบ่งเซลล์และการต่อแบบซ้อนเซลล์
  ข้อดีของการต่อเซลล์แบบนี้คือ การต่อเซลล์ทำได้เต็มพื้นที่แผงและไม่มีบัสบาร์ในการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ พื้นที่ทั้งหมดบนแผงเซลล์เป็นพื้นที่รับแสง ทำให้ได้ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าสูงขึ้น ทั้งนี้รูปแบบการต่อเซลล์สามารถออกแบบได้ตามต้องการ เช่น การต่อในแนวตั้ง และการต่อในแนวนอน ดังตัวอย่างในรูปที่ี่ 10รูปที่ 10 การต่อเซลล์แบบแนวตั้งและแบบแนวนอนของแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบซ้อนเซลล์

7. เซลล์แสงอาทิตย์แบบเชื่อมต่อด้านหลัง (IBC - Interdigitated Back Contact cells)

  แผงเซลล์แสงอาทิตย์ผลึกซิลิคอนที่คุ้นเคยกันนั้น ด้านหน้าของแผงจะประกอบด้วยบัสบาร์ 5-6 เส้น และเส้นฟิงเกอร์หลายๆ เส้นบนเซลล์ แต่เซลล์แสงอาทิตย์แบบใหม่ที่มีการเชื่อมต่อเซลล์ที่ด้านหลังของแผงจะประกอบด้วยเส้นของตัวนำไฟฟ้าจำนวนมาก ดังนั้นบริเวณด้านหน้าของแผงเซลล์แสงอาทิตย์จะปรากฎเฉพาะเซลล์จึงมีพื้นที่รับแสงมากและลดการเกิดการแตกของเซลล์ในระดับไมโคร (Microcrack) ในรูปที่ 11 แสดงตัวอย่างด้านหลังของเซลล์แสงอาทิตย์แบบเชื่อมต่อด้านหลังรูปที่ 11 ตัวอย่างด้านหลังของเซลล์แสงอาทิตย์แบบเชื่อมต่อด้านหลัง (IBC - Interdigitated Back Contact cells)

8. เซลล์แสงอาทิตย์แบบท็อปคอน (TOPCon - Tunnel Oxide Passivated Contact)

  เซลล์แสงอาทิตย์แบบท็อปคอนพัฒนามาต่อเนื่องตั้งแต่ปี ค.ศ. 2014 จนถึงปี ค.ศ. 2019 การพัฒนาของเทคโนโลยีมีความก้าวหน้ามาก ทำให้สามารถทำการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์ได้ ในตัวอย่างรูปที่ 12 แสดงตัวอย่างโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์แบบท็อปคอน จุดเด่นคือ ชั้นของ Tunnel Oxide Passivated Contact ซึ่งเป็น ultra-thin film โครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบนี้ทำให้ประสิทธิภาพเซลล์สูงขึ้นรูปที่ 12 ตัวอย่างโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์แบบท็อปคอน (TOPCon, Tunnel Oxide Passivated Contact)

บทส่งท้าย

  แผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่พัฒนาขึ้นมาด้วยเทคโนโลยีใหม่ โดยมีพื้นฐานใช้เซลล์แสงอาทิตย์แบบผลึกที่เป็น n-type Silicon และ p-type Silicon จากนั้น เพิ่มการรับและสะท้อนภายในเซลล์โดยการเติมชั้น Passivated contact และการเพิ่มชั้นของ ultra-thin film ช่วยลดการ recombination ระหว่างรอยต่อของสารกึ่งตัวนำ โดยที่การพัฒนาที่กล่าวมา ทำให้ประสิทธิภาพของการผลิตไฟฟ้าเพิ่มขึ้น โดยมีการพัฒนาในระดับการทำเซลล์ ส่วนการพัฒนาในระดับการต่อเซลล์ในแผงเซลล์แสงอาทิตย์โดยการตัดเซลล์แบบครึ่งเซลล์ และแบบ 1/3 ของเซลล์ รวมถึงการต่อเซลล์แบบไร้รอย การต่อเซลล์แบบซ้อนเซลล์ และการต่อเซลล์แบบเชื่อมต่อด้านหลัง
  ทั้งนี้ในช่วงปี ค.ศ. 2021 ประสิทธิภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์และการพัฒนาของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์สามารถเรียงลำดับจากมากไปน้อยได้ดังนี้ Poly PERC (16-17%) Mono PERC (17-19%) Shingled mono cells (18-20%) Half-cut mono PERC (18-20%) Half-cut mono PERC MBB (19-20.5%) Half-cut MBB Heterojunction (20-22%) N-type IBC (20-23%)
เรียบเรียงโดย ดร.ฐนกกร เจนวิทยา (วันที่ 26 เมษายน 2565)

กลับด้านบน


สถิติ (KnowledgePage) (ตั้งแต่ พ.ย. 59)
ผู้เข้าชมวันนี้ / เดือนนี้ / ปีนี้

2 / 217 / 1027 IP
ผู้เข้าชมทั้งหมด (ตั้งแต่ 16 พ.ย. 59)15951 ครั้ง