Development of P hoto V oltaic Cell

1. Development of PhotoVoltaic Cell ที่มา: http://www.kids.esdb.bg/solar.html NirundPatanasemakul 54402623

2. Development of PhotoVoltaic Cell Presentation Agenda -Introduction -PV technology - Silicon (crystalline) - Thin-film PV - Compound semiconductor - Nanotechnology for PV cell production -PV system -Conclusion

3. Development of PhotoVoltaic Cell Introduction โฟโตโวลตาอิกเซลล์ (Photovoltaic/PV)เป็นการแปลงแสงอาทิตย์เป็นกระแสไฟฟ้าด้วยปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก(Photoelectric)กับคุณสมบัติพิเศษของสารกึ่งตัวนำ(Semiconductor)ซึ่งเรียกรวมว่าปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก (Photovoltaic effect) ที่มา : http://www2.warwick.ac.uk/fac/sci/physics/postgraduate/current/regs/mpags/ex5/bandstructure/ ที่มา: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod1.html

4. Development of PhotoVoltaic Cell Introduction โฟโตโวลตาอิกเซลล์ (Photovoltaic/PV)เป็นการแปลงแสงอาทิตย์เป็นกระแสไฟฟ้าด้วยปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก(Photoelectric)กับคุณสมบัติพิเศษของสารกึ่งตัวนำ(Semiconductor)ซึ่งเรียกรวมว่าปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก (Photovoltaic effect) ที่มา : http://nothingnerdy.wikispaces.com/PHOTOVOLTAIC+CELLS+-+Yvonne /

5. Development of PhotoVoltaic Cell Introduction Electrical characteristics วงจรสมมูลของ PV cell ค่าของกระแสและแรงดันไฟฟ้าของ PV เมื่อมีการแปรผันความเข้มแสง ค่ากระแสไฟฟ้าสูงสุดหรือกระแสไฟฟ้าขณะลัดวงจร (Isc) กับค่าแรงดันไฟฟ้าสูงสุดหรือแรงดันไฟฟ้าขณะเปิดวงจร (Voc) เปลี่ยนไปเมื่อความเข้มแสงที่เซลล์ที่ได้รับมีการเปลี่ยนแปลง

6. Development of PhotoVoltaic Cell Introduction Electrical characteristics FFคือ ค่าFill Factor เป็นค่าบอกถึง คุณภาพของรอยต่อ(ความต้านทาน) การรั่วไหลของกระแสที่รอยต่อ เป็นต้น ถ้าค่า FF มีค่ามากและใกล้เคียงหนึ่ง หมายถึง PV นั้นมีคุณภาพสูง ค่าIscและVoc นั้นเป็นค่าที่แปรผันตรงต่อประสิทธิภาพ ซึ่งการพัฒนาวัสดุหรือโครงสร้างในปัจจุบันก็เพื่อเพิ่มค่าเหล่านี้ของเซลล์ PV โดยค่า Iscนั้นจะสูงขึ้นเมื่อ PV สามารถรับปริมาณโฟตอนจากแสงได้สูงขึ้น ส่วนค่า Vocนั้นสูงขึ้นเมื่อวัสดุที่ใช้ทำเซลล์ PV มีค่าแถบพลังงานต้องห้าม( Forbidden band/band gap)สูงขึ้น ซึ่งทั้งนี้ทั้งสองค่าต้องสัมพันธ์กับความยาวคลื่นและระดับพลังงานของรังสีของดวงอาทิตย์ ที่เป็นต้นทางของโฟตอนที่ใช้ในการเคลื่อนที่อีเล็กตรอนให้ข้ามแถบพลังงานซึ่งแตกต่างกันไปตามแต่วัสดุ

7. Development of PhotoVoltaic Cell Introduction

8. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology

9. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology Silicon (crystalline) เป็นเทคโนโลยีในยุคแรกของ PV ทำมาจากโครงสร้างผลึกของซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงจากกระบวนการ Chemical Vapor Disposition (CVD) โดยการเตรียมซิลิกอนให้อยู่ในรูปของไตคลอโรซิเลน (SiHCl3)จากการนำกรดเกลือ(HCl) มาทำปฏิกิริยากับแร่ซิลิกอนดิบที่อุณหภูมิ 300oC ใน Fluid-bedreactor เมื่อได้ SiHCl3 ที่มีจุดเดือดต่ำ(31.8oC) มาทำให้บริสุทธิ์ขึ้นในหอกลั่น จากนั้นนำมาทำปฏิกิริยา Reduction กับไฮโดรเจน(H2) จะได้ซิลิกอนที่บริสุทธิออกมา ซึ่งในปัจจุบันเทคโนโลยีในด้านนี้ก็ยังมีการพัฒนามาอย่างต่อเนื่องทั้งในชนิด ผลึกเดี่ยว (Mono-crystalline) หลายผลึก(Poly-crystalline) และเทคนิคEWT (emitter wrap-though cells)

10. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology Chemical Vapor Disposition (CVD) ที่มา: http://www.hscpoly.com/content/hsc_prod/manufacturing_overview.aspx

11. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology Silicon (crystalline) เซลล์ซิลิกอนชนิดผลึกเดี่ยว (Mono-crystalline PV) : ผลิตโดยใช้วิธีของ ไครโรสกี (Czochralskiหลังจากได้แท่งซิลิกอนเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 ถึง 15 เซนติเมตร แล้วตัดให้หนาประมาณ 0.3 มิลลิเมตร ซึ่งได้กระแสประมาณ 0.35 mA/sq.cm.ที่แรงดัน 0.55V ที่การรับแสงสูงสุด) การพัฒนาประสิทธิภาพถูกจำกัดโดยปริมาณพลังงานผลิตได้จากโฟตอนที่ลดลงในช่วงความยาวคลื่นที่สูงขึ้น และรังสีในช่วงนั้นยังก่อให้เกิดความร้อนกับเซลล์ทำให้ประสิทธิภาพลดต่ำลงไปอีก(ความร้อนทำให้ค่า band gap และ Vocลดต่ำลง) ค่าประสิทธิภาพสูงสุดที่ PV ชนิดนี้ทำได้ประมาณ 23 %ภายใต้อุณหภูมิปรกติ(STC) แต่ในการต่อเป็นระบบใช้งานจริงประสิทธิภาพจะเหลือเพียง 20.4%

12. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology Silicon (crystalline) เซลล์ซิลิกอนชนิดหลายผลึก (Poly-crystalline PV) : การพัฒนาโครงผลึกแบบใหม่ช่วยลดค่าใช้จ่ายและเพิ่มปริมาณการผลิตเมื่อเทียบกับแบบผลึกเดี่ยว จากค่าใช้จ่ายในการผลิตที่ต่ำกว่าและประสิทธิภาพที่ประมาณ 15% ซึ่งน้อยกว่าผลึกเดี่ยวไม่มาก ข้อดีของกระบวนการผลิตเซลล์ชนิดหลายผลึกคือการลดการปนเปื้อนของโลหะชนิดอื่นที่แทรกอยู่ในโครงสร้างผลึกการผลิตทำโดยหลอมซิลิกอนและทำให้แข็งใหม่เข้ากับผลึกที่กำหนดไว้ในทิศหนึ่งๆ ทำให้ได้ก้อนเหลี่ยมหลายผลึกของซิลิกอนซึ่งจะถูกตัดเป็นเวเฟอร์แบบ thin-ribbon

13. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology Silicon (crystalline) ที่มา : van Kerschaver E, Beaucarne G. Back-contact solar cells: a review. ProgPhotovoltaics Res Appl 2006 EWT (emitter wrap-though cells) : เป็นเทคนิคการเพิ่มประสิทธิภาพของ PV โดยออกแบบใหม่ด้วยวัสดุเดิม ด้วยการเจาะรูด้วยเลเซอร์ขนาดเล็กจำนวนมาก แล้วต่อขั้วไฟฟ้าเข้าที่ด้านหลังของ n-type ฝั่งตรงข้ามจากของเดิม การนำขั้วด้านหน้าออกทำให้สามารถรับแสงได้เต็มที่(ไม่โดนบังจากลายนำไฟฟ้าเดิม) ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 15-20% จากประสิทธิภาพเดิม ข้อเสียที่เด่นชัดของเซลล์ชนิดนี้คือผิวเซลล์มีความต้านทานสูงขึ้นจากการโดนความร้อนของเลเซอร์ทำให้ค่า FF ต่ำลง

14. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology Thin-film PV ที่มา : กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, ไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์, www.ces.kmutt.ac.th/PV_text/ Retrieved on 2011-08-15. ลดค่าใช้จ่ายจากชนิดผลึกลงไปอย่างมากโดยปราศจากการเสื่อมลงของอายุเซลล์และอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม ชั้นของสารกึ่งตัวนำหลายตัวถูกนำมาซ้อนทับระหว่างแผงแก้วหรือสเตนเลสด้วยเครื่อง sputtering ข้อดีของเซลล์ชนิดนี้คือ ความบางของเซลล์ที่อยู่ในระดับไมครอน (น้อยกว่า 10 ไมครอน) และความยืดหยุ่นตัว ความทนทานทางกายภาพต่อแรงกด ดัด บิด รวมไปถึงอุณหภูมิดีกว่าแบบผลึก ความหลากหลายของวัสดุทำให้มีสมบัติแตกต่างกัน เนื้อวัสดุที่ลดลงไปมากทำให้ราคาเซลล์ถูกลงแต่ก็ส่งผลให้รับโฟตอนได้น้อยลงด้วยเช่นเดียวกันประสิทธิภาพจึงต่ำลงเมื่อเทียบกับแบบผลึก

15. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology Thin-film PV ซิลิกอนชนิดอสัณฐาน(amorphous silicon cell(a-Si)) :เป็นยุคแรกๆของเทคโนโลยี thin film จากความไม่มีระเบียบของโครงสร้างทำให้ค่าพลังงาน band gap มีค่าประมาณ 1.7 eV สูงกว่าแบบผลึกที่มีค่า 1.1 eVซึ่งดูดซับสเปกตรัมของรังสีอาทิตย์ในช่วงที่มองเห็นได้มากกว่าส่วนอินฟาเรด สามารถปรับเปลี่ยนได้หลายแบบตามแผ่นฐาน ซึ่งทำให้ได้ชนิดและสมบัติต่างกัน ซิลิกอนชนิดอสัณฐานชนิดปรับปรุงรอยต่อ (double/triple junctions) : เดิม a-Si ที่เป็น single junction นั้นมีประสิทธิภาพต่ำ มีค่าสูงสุดในห้องทดลองที่ 12% แต่ลดลงเหลือ 4-8% เนื่องจากเกิดปฏิกิริยา hydrogenated ในเซลล์ต่อมาจึงแก้ปัญหาด้วยการเพิ่มจำนวน junction ทำให้ประสิทธิภาพอยู่ในช่วง 6-7% ซิลิกอนชนิดอสัณฐานชนิดแทนเดมกับผลึกแบบมัลติ(Tandem a-Si and multi crystalline Si) : ใช้การซ้อนทับกันหลายชั้นของทั้งโครงสร้าง a-Si และ multi crystalline โดย a-Si ที่ผิวจะดูดกลืนรังสีที่มีคลื่นยาวไปก่อนคลื่นสั้นที่ผ่านลงมาจึงถูก multi crystalline ดูดกลืนต่อไป วิธีนี้ทำให้เซลล์มีประสิทธิภาพประมาณ 8 – 9 % ที่มา :Review of photovoltaic technologies, Renewable and Sustainable Energy Review 15(2011). Retrieved on 2011-08-12.

16. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology Thin-film PV แคดเมียมเทลลูไลด์/แคดเมียมซัลไฟด์(CuTe/CuS) : มีค่าพลังงาน band gap ใกล้เคียงอุดมคติสูงสุด คือ ประมาณ 1.45 eVด้วยความสามารถที่ดูดกลืนรังสีอาทิตย์ที่ดี ประสิทธิภาพในขนาดเล็กมากกว่า 15% ในขนาดเล็กและมากกว่า 9% ในขนาดใหญ่ แต่ด้วยความเป็นพิษในตัววัสดุทำให้เทคโนโลยีในการผลิตยุ่งยาก ราคาสูง คอปเปอร์อินเดียม/แคดเมียมซัลไฟด์(CuInSe2/CuS) : ใช้ธาตุในหมู่ I, III, VI ช่วงเพิ่มความสามารถด้านการดูดซับแสงและสมบัติทางไฟฟ้าโดยชนิดที่ใช้ CIGS (indium incorporated with gallium) ได้ประสิทธิภาพสูงถึง 20% ในขนาดเล็กและ 13% ในขนาดที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งขนาดเป็นขีดจำกัดที่ผู้พัฒนาเซลล์ชนิดนี้ต้องพัฒนาต่อไป ที่มา :Review of photovoltaic technologies, Renewable and Sustainable Energy Review 15(2011). Retrieved on 2011-08-12.

17. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology Compound semiconductor ที่มา : http://www.reuk.co.uk/40-Percent-Efficiency-PV-Solar-Panels.htm Retrieved on 2011-08-16. เป็นการซ้อนทับกันของโครงสร้างผลึกของสารผสมกึ่งตัวนำหลายๆชั้นที่มีค่าพลังงาน band gaps ต่างกันทำให้สามารถดูดซับพลังงานจากรังสีอาทิตย์ได้เกือบทั้งหมด โดยช่วงที่ความยาวคลื่นยาวจะตอบสนองกับผิวบน ช่วงความยาวคลื่นสั้นลงมาจะตอบสนองกับโครงสร้างผลึกในชั้นถัดมา ซึ่งเซลล์ PV ที่ใช้ GaAs/InGaP (multi junction) มีประสิทธิภาพอยู่ที่ 39% และสูงถึง 40.8%ในห้องทดลองและมีแนวโน้มที่สูงขึ้นไปได้ถึง 42% เมื่อใช้งานกับระบบรวมแสง

18. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology Compound semiconductor ที่มา :Review of photovoltaic technologies, Renewable and Sustainable Energy Review 15(2011). สารย้อมดูดซับแสง (Light absorbing dyes/Dye sensitized) : ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำและของเหลวนำไฟฟ้าที่เป็นสารละลายทำหน้าทีแยกอีเล็กตรอนและโฮลออกจากกันโดยมีการใช้ไทเทเนียมไดออกไซด์(TiO2)ตรึงโมเลกุลของสารละลาย ประสิทธิภาพสูงสุดของเซลล์ประเภทนี้อยู่ที่ 11% ข้อดีคือต้นทุนที่ถูกลงอย่างมากแต่ข้อเสียในเรื่องของประสิทธิภาพที่ทั่วไปอยู่เพียง 5-10% รวมถึงอายุของเซลล์ที่สั้นลงจากอุณหภูมิ

19. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology Compound semiconductor ที่มา :Review of photovoltaic technologies, Renewable and Sustainable Energy Review 15(2011). สารอินทรีย์ (Organic/Polymer) : สร้างจากสารกึ่งตัวนำอินทรีย์(Organic semiconductors) ตระกูลโพลิเมอร์ที่มีโมเลกุลขนาดเล็กเช่น pentacene, polyphenylenevinylene, copper phthalocyanine, carbon fullerenes เป็นต้น มีความบางของเซลที่ประมาณ 100 นาโนเมตรและด้วยสมบัติของโพลิเมอร์จึงมีข้อดีที่ความอ่อนตัวยืดหยุ่นสูงและต้นทุนการผลิตที่ต่ำกว่าซิลิกอน แต่ยังมีจุดด้อยที่ประสิทธิภาพเพียง 4-5%

20. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology Nanotechnology for PV cell production ด้วยเทคโนโลยีที่มีความละเอียดสูงทำให้สามารถปรับปรุงโครงสร้างผลึก(nano-crystalline) ให้มีค่าพลังงาน band gaps ได้อย่างอิสระ PV ประเภทนี้ที่พัฒนาอยู่ในปัจจุบันได้แก่ คาร์บอนนาโนทูบ(Carbon nanotubes /CNT), ควอนตัมดอท(quantum dots/QDs) คาร์บอนนาโนทูบ(Carbon nanotubes/CNT) : มีสมบัติทางกลและไฟฟ้าที่ดีด้วยโครงสร้างผลึกหกเหลี่ยมของคาร์บอน เป็นได้ทั้งโลหะและสารกึ่งตัวนำ โดยมีจุดเด่นที่มีค่า Iscสูงสุดแต่ Vocมีค่าต่ำทำให้ประสิทธิภาพนั้นต่ำพียง 3-4% ควอนตัมดอท(quantum dots/QDs) : เป็นผลึกนาโน (nanocrystal) เป็นผลึกอนุภาคที่มีขนาดเพียงระดับนาโนเมตร (2 – 10 นาโนเมตร) หรือ 10-50 อะตอม มีคุณสมบัติกึ่งตัวนำ ประกอบขึ้นจากธาตุในตารางธาตุระหว่างหมู่ II-VI,III-V หรือ IV-VI เช่น แคดเมียมซัลไฟด์ (CdS) แคดเมียมเซเลไนด์ (CdSe) แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) เมื่อมองโครงสร้างของควอนตัมดอทนี้ผ่านเครื่องมือที่สามารถสำรวจโครงสร้าง ระดับนาโนได้จะมองเห็นโครงสร้างนี้มีลักษณะเป็นจุด (dot) จุดระดับนาโนนี้จะแสดงพฤติกรรมภายในอะตอมหรือภายในโมเลกุลแบบควอนตัม (quantum) ตามหลักการทางฟิสิกส์ควอนตัม (quantum physics) การเกิดโฮลและการข้ามของอีเล็คตรอนจากโฟตอนเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยโครงสร้างการเรียงผลึกแบบ 3D ซึ่งในอนาคตนำเทคโนโลยีวัสดุPVที่เป็นโพลิเมอร์มาปรับปรุงโครงสร้างด้วยวิธีนี้จะได้ PV ทีมีคุณสมบัติทางกลสูง ราคาถูก และประสิทธิภาพในอุดมคติถึง 66% (ซิลิกอนมีประสิทธิภาพในอุดมคติที่ 31%)

21. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology Nanotechnology for PV cell production ที่มา :Review of photovoltaic technologies, Renewable and Sustainable Energy Review 15(2011).

22. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology ที่มา : Solar Photovoltaic Generating Capacity Averaging 65% Compound Annual Growth Rate for Last 5 Years, http://www.dailykos.com/story/2011/07/05/991621/-Solar-Photovoltaic-Generating-Capacity-Averaging-65-Compound-Annual-Growth-Rate-for-Last-5-Years

23. Development of PhotoVoltaic Cell PV technology ที่มา : JefPoortmans, IMEC, Solar-cell technologies promise higher efficiency, http://www.imec.be

24. Development of PhotoVoltaic Cell PV system ที่มา :กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน, ไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์, www.ces.kmutt.ac.th/PV_text/

25. Development of PhotoVoltaic Cell PV system ที่มา :นายพินิจ ศิริพฤกษ์พงษ์,การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย, Solar Cell Technology & Application

26. Development of PhotoVoltaic Cell PV system ที่มา :นายธีรเดช ทองขวัญ,การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค, การการพัฒนาเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ในประเทศไทย 12/11/2552

27. Development of PhotoVoltaic Cell PV system ที่มา :นายธีรเดช ทองขวัญ,การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค, การการพัฒนาเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ในประเทศไทย 12/11/2552

28. Development of PhotoVoltaic Cell PV system Solar Farm I : บ้านดอนชมพู ต.ดอนชมพู อ.โนนสูง จ.นครราชสีมา บริษัทโซล่า เพาเวอร์ จำกัด กำลังผลิต : 6 MW,ใช้พื้นที่กว่า 100,polycrystalline Si PV 29,160 แผง ที่มา : http://www.environnet.in.th/index.php?option=com_content&view=article&id=892&catid=5&Itemid=18

29. Development of PhotoVoltaic Cell Conclusion เทคโนโลยีเซลล์ PV ในปัจจุบัน ยังพัฒนาอย่างรวดเร็ว มีการผนวกหลายเทคโนโลยีทั้งในทางวัสดุและโครงสร้าง เช่น การใช้วัสดุชนิดอื่นนอกจากตระกูลซิลิกอน การพัฒนาโครงสร้างในระดับอะตอม โดยมีเป้าหมายเพื่อ ลดต้นทุนในการผลิตและเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์ PV เพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานทดแทน (Renewable Energy) ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม (Clean Technology) สู่ความยั้งยืนด้านพลังงาน (Sustainable Energy) แต่สำหรับประเทศที่กำลังพัฒนา เช่น ประเทศไทย ที่ไม่มีเทคโนโลยีการผลิต PV ตั้งแต่ต้นทางได้ด้วยตัวเอง การนำ PV มาใช้ในในสเกลขนาดใหญ่ด้วยเงินสนับสนุนที่มาก โดยไม่จำกัดขอบเขต ให้อยู่ภายใต้ “การทดลองและพัฒนา” อาจส่งผลกระทบต่อเศรษฐศาสตร์ด้านพลังงาน การสูญเสียพื้นที่เพื่อการผลิตพลังงาน และในอนาคตเมื่อเทคโนโลยี PV พัฒนาถึงจุดอิ่มตัว ระบบเดิมที่ใช้ PV รุ่นเก่า จะมีประสิทธิภาพต่ำกว่าระบบที่ใช้ PV รุ่นใหม่มาก ดังนั้นความคุ้มค่าในการลงทุนสำหรับสเกลขนาดใหญ่ด้วยเทคโนโลยี PV รุ่นใหม่ จึงน่าจะมีความเหมาะสมมากกว่า