Multijunction Solar Cells: เทคโนโลยีขั้นสุดของโซลาร์เซลล์ยุคใหม่

เรื่องโดย ดร.ภัสร์ชาพร จินะ

ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา พลังงานแสงอาทิตย์ได้รับการยอมรับว่าเป็นหนึ่งในแหล่งพลังงานสะอาดที่มีศักยภาพสูงที่สุดในการลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลและลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดสำคัญของเทคโนโลยีโซลาร์เซลล์แบบดั้งเดิมคือ “ประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน” ซึ่งโดยทั่วไปแผงโซลาร์เซลล์ซิลิคอนเชิงพาณิชย์มีประสิทธิภาพเฉลี่ยเพียง 20–25% เท่านั้น นั่นหมายความว่า พลังงานแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบบนแผงส่วนใหญ่ยังสูญเสียไปในรูปของความร้อนหรือพลังงานที่ไม่สามารถนำมาใช้ได้ นักวิจัยจึงพยายามคิดค้นและพัฒนาวัสดุใหม่ๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้สูงยิ่งขึ้น

เรามาทำความรู้จักกับเซลล์แสงอาทิตย์ หรือที่นิยมเรียกกันติดปากแบบทับศัพท์ว่า โซลาร์เซลล์  (Solar Cells: SC) เป็นอุปกรณ์ที่สามารถเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าได้โดยตรง โซลาร์เซลล์แบบปัจจุบันเป็นแบบชั้นเดียว (Single-junction) ที่ทำจากซิลิคอน มีขีดจำกัดประสิทธิภาพสูงสุด อยู่ที่ประมาณ 33.7% เนื่องจากการสูญเสียพลังงานในรูปแบบความร้อนและการที่ไม่สามารถดูดซับแสงได้ครบทุกสเปกตรัม

ปัจจุบัน นักวิจัยจาก Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE ประเทศเยอรมนี ร่วมกับพันธมิตรวิจัยระดับนานาชาติ ได้พัฒนาโซลาร์เซลล์ชนิดใหม่ที่สามารถสร้างสถิติประสิทธิภาพการแปลงพลังงานได้สูงถึง 47.6% ภายใต้สภาวะการรวมแสงความเข้มสูง ซึ่งถือเป็นสถิติโลกใหม่ที่สูงกว่าสถิติเดิมของ National Renewable Energy Laboratory (NREL) ที่เคยทำไว้ที่ 47.1% ความสำเร็จดังกล่าวสะท้อนถึงศักยภาพของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ยุคใหม่ที่อาจเปลี่ยนโฉมระบบพลังงานโลกในอนาคต

หัวใจสำคัญของโซลาร์เซลล์ ประกอบด้วยเทคโนโลยี 3 ส่วนหลัก

• Multi-junction Structure: ซึ่งแตกต่างจากโซลาร์เซลล์ซิลิคอนทั่วไปที่ใช้สารกึ่งตัวนำเพียงชั้นเดียว โดยโครงสร้างแบบหลายรอยต่อจะใช้วัสดุกึ่งตัวนำกลุ่ม III-V เช่น แกลเลียมอินเดียมฟอสไฟด์ (GaInP) แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) และอินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (InGaAs) ซ้อนกันหลายชั้น แต่ละชั้นถูกออกแบบให้มี “ช่องว่างพลังงาน” (Bandgap) ต่างกัน เพื่อดูดซับพลังงานจากช่วงความยาวคลื่นของแสงอาทิตย์ที่แตกต่างกัน ชั้นบนสุดจะดักจับแสงสีม่วง/น้ำเงินที่มีพลังงานสูง ส่วนชั้นล่างสุดจะดักจับแสงอินฟราเรดที่มีพลังงานต่ำ จึงสามารถใช้ประโยชน์จากพลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเซลล์ซิลิคอนแบบเดิม

• Wafer Bonding & Anti-reflection: การเชื่อมต่อแผ่นเวเฟอร์ต่างชนิดกันด้วยความละเอียดระดับอะตอม และการเคลือบสารป้องกันการสะท้อนแบบหลายชั้น (Multi-layer AR coating) ช่วยลดการสะท้อนของแสงอาทิตย์ออกจากพื้นผิวของโซลาร์เซลล์ ทำให้แสงสามารถเข้าสู่ชั้นดูดซับพลังงานได้มากขึ้น พร้อมทั้งลดความต้านทานภายในของอุปกรณ์ ช่วยลดการสูญเสียพลังงานได้

• Concentrator Photovoltaics (CPV): เซลล์นี้ถูกออกแบบมาเพื่อใช้งานร่วมกับ “เลนส์รวมแสง” (Fresnel Lens) ซึ่งทำหน้าที่เหมือนแว่นขยาย เพิ่มความเข้มของแสงอาทิตย์ให้สูงขึ้นกว่า 665 เท่า ก่อนส่งไปยังเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดเล็ก วิธีการนี้ช่วยให้เซลล์ผลิตพลังงานไฟฟ้าได้สูงสุดในพื้นที่จำกัด

การประยุกต์ใช้ในปัจจุบัน

แม้เทคโนโลยีดังกล่าวจะมีประสิทธิภาพสูงมาก แต่ในปัจจุบันยังไม่สามารถนำมาใช้ในครัวเรือนได้อย่างแพร่หลาย เนื่องจากต้นทุนการผลิตวัสดุกึ่งตัวนำกลุ่ม III-V ยังมีราคาสูงและกระบวนการผลิตมีความซับซ้อน อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้มีความเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานเฉพาะทางที่ต้องการพลังงานสูงในพื้นที่จำกัด เช่น ระบบพลังงานของดาวเทียม ยานอวกาศ และสถานีผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบรวมแสงในพื้นที่ทะเลทรายที่มีความเข้มแสงสูง เช่น ในตะวันออกกลาง แอฟริกาเหนือ และบางพื้นที่ของสหรัฐอเมริกา

ในภาคอวกาศ โซลาร์เซลล์ชนิดนี้ถือเป็นเทคโนโลยีหลักที่ใช้ในดาวเทียมสื่อสารและสถานีอวกาศ เนื่องจากมีน้ำหนักเบาและให้พลังงานสูงต่อหน่วยพื้นที่ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญของระบบอวกาศ ขณะเดียวกัน ภาคพลังงานภาคพื้นดินเริ่มให้ความสนใจกับระบบ CPV มากขึ้น โดยเฉพาะในประเทศที่มีศักยภาพด้านพลังงานแสงอาทิตย์สูงและมีพื้นที่กว้างสำหรับติดตั้งระบบรวมแสง

นอกจากนี้ รัฐบาลเยอรมนียังสนับสนุนโครงการวิจัย “50Prozent” ซึ่งมีเป้าหมายผลักดันประสิทธิภาพของโซลาร์เซลล์ให้ทะลุ 50% ภายในไม่กี่ปีข้างหน้า พร้อมการลดต้นทุนด้วยวิธีการผลิตแบบ Tandem เป็นการนำวัสดุประสิทธิภาพสูงไปเคลือบลงบนซิลิคอนที่มีราคาถูกกว่าเพื่อให้เข้าถึงตลาดผู้บริโภคทั่วไปได้มากขึ้น หากประสบความสำเร็จ จะถือเป็นก้าวสำคัญของเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียน และอาจทำให้เทคโนโลยีดังกล่าวกลายเป็นส่วนสำคัญของระบบพลังงานสะอาดในอนาคต อันจะช่วยลดการปล่อยคาร์บอน เสริมความมั่นคงทางพลังงาน และสนับสนุนการเปลี่ยนผ่านสู่สังคมคาร์บอนต่ำอย่างยั่งยืน

แหล่งข้อมูล
[1] Fraunhofer ISE – Concentrator Photovoltaics Research (https://www.ise.fraunhofer.de/en/business-areas/photovoltaics-materials-cells-and-modules/iii-v-solar-cells-modules-and-concentrator-photovoltaics.html#Characterization-of-III-V-Solar-Cells-and-Modules)
[2] https://www.ise.fraunhofer.de/en/research-projects/50-percent.html
[3] https://th.dsisolar.com/info/multijunction-iii-v-photovoltaics-research-html

Go to Top