การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์สำหรับแผงเซลล์แสงอาทิตย์

พื้นฐานของการติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์ใดๆ ก็ตามคือโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์เสมอ โมดูลเซลล์แสงอาทิตย์คือการรวมกันของเซลล์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ที่เชื่อมต่อทางไฟฟ้าเข้าด้วยกัน คำว่า photovoltaic ประกอบด้วยคำสองคำ «ภาพถ่าย» (จากภาษากรีก แสง) และ «โวลต์» (Alessandro Volta - 1745-1827 นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี) - หน่วยวัดแรงดันไฟฟ้าในวิศวกรรมไฟฟ้า การวิเคราะห์คำว่าเซลล์แสงอาทิตย์ เราสามารถพูดได้ว่า - มันคือ เปลี่ยนแสงเป็นไฟฟ้า.

เซลล์แสงอาทิตย์ (เซลล์แสงอาทิตย์) ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการแปลงรังสีดวงอาทิตย์ โฟโตเซลล์อาจถูกมองว่าเป็นไดโอดที่ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำชนิด n และชนิด p ที่มีบริเวณพร่องพาหะเกิดขึ้น ดังนั้น โฟโตเซลล์ที่ไม่ได้รับแสงจึงเหมือนกับไดโอดและสามารถอธิบายได้ว่าเป็นไดโอด

สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความกว้างระหว่าง 1 ถึง 3 eV ประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงสุดถึง 30% ช่องว่างแถบเป็นพลังงานโฟตอนขั้นต่ำที่สามารถยกอิเล็กตรอนจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบการนำไฟฟ้า เซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์ที่พบมากที่สุดคือ องค์ประกอบของหินเหล็กไฟ.

ซิลิคอนโมโนคริสตัลและโพลีคริสตัล ปัจจุบันซิลิคอนเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่พบได้บ่อยที่สุดสำหรับการผลิตโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์ต่ำ เซลล์แสงอาทิตย์แบบผลึกซิลิคอนมักสร้างให้มีความกว้าง 300 µm ประสิทธิภาพของโฟโตเซลล์ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์สูงถึง 17%

ถ้าเราใช้โฟโตเซลล์แบบโพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอน ประสิทธิภาพของมันจะต่ำกว่าโมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอน 5% ขอบเขตเกรนของคริสตัลหลายเหลี่ยมคือศูนย์กลางการรวมตัวกันอีกครั้งของตัวพาประจุ ขนาดของผลึกซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์อาจแตกต่างกันไปตั้งแต่สองสามมม. ถึงหนึ่งซม.

แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) เซลล์แสงอาทิตย์แกลเลียมอาร์เซไนด์ได้แสดงประสิทธิภาพ 25% ในสภาพห้องปฏิบัติการแล้ว แกลเลียมอาร์เซไนด์ซึ่งพัฒนาขึ้นสำหรับออปโตอิเล็กทรอนิกส์นั้นผลิตในปริมาณมากได้ยากและมีราคาค่อนข้างแพงสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์แสงอาทิตย์แกลเลียมอาร์เซไนด์ถูกนำมาใช้ พร้อมด้วยเครื่องรวมแสงอาทิตย์เช่นเดียวกับจักรวาล

เทคโนโลยีโฟโตเซลล์แบบฟิล์มบาง ข้อเสียเปรียบหลักของเซลล์ซิลิกอนคือค่าใช้จ่ายสูง มีเซลล์ฟิล์มบางที่ทำจากซิลิคอนอสัณฐาน (a-Si) แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) หรือคอปเปอร์อินเดียมไดเซลิไนด์ (CuInSe2) ข้อดีของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบางคือการประหยัดวัตถุดิบและการผลิตที่ถูกกว่าเมื่อเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอน ดังนั้นเราจึงอาจกล่าวได้ว่าผลิตภัณฑ์ฟิล์มบางมีโอกาสนำไปใช้ในโฟโตเซลล์

ข้อเสียคือวัสดุบางชนิดค่อนข้างเป็นพิษ ดังนั้นความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์และการรีไซเคิลจึงมีบทบาทสำคัญ นอกจากนี้ เทลลูไรด์ยังเป็นทรัพยากรที่สิ้นเปลืองเมื่อเทียบกับซิลิกอนประสิทธิภาพของโฟโตเซลล์แบบฟิล์มบางสูงถึง 11% (CuInSe2)

ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 เซลล์แสงอาทิตย์มีราคาพลังงานสูงสุดประมาณ 1,000 เหรียญสหรัฐ/วัตต์ และผลิตขึ้นในอวกาศเป็นส่วนใหญ่ ในปี 1970 การผลิตโฟโตเซลล์จำนวนมากเริ่มต้นขึ้นและราคาลดลงเหลือ $100/W ความก้าวหน้าเพิ่มเติมและการลดราคาของโฟโตเซลล์ทำให้สามารถใช้โฟโตเซลล์สำหรับความต้องการในครัวเรือนได้โดยเฉพาะสำหรับประชากรบางส่วนที่อาศัยอยู่ห่างไกลจากสายไฟฟ้าและ อุปกรณ์จ่ายไฟมาตรฐาน โมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ได้กลายเป็นทางเลือกที่ดี

ภาพถ่ายแสดงเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิกอนเซลล์แรก มันถูกสร้างขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรของบริษัท Bell Laboratories ของอเมริกาในปี 1956 เซลล์แสงอาทิตย์เป็นการรวมกันของโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ที่เชื่อมต่อกันทางไฟฟ้า ชุดค่าผสมจะถูกเลือกขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าที่ต้องการ เช่น กระแสและแรงดัน เซลล์แสงอาทิตย์หนึ่งเซลล์ผลิตไฟฟ้าได้น้อยกว่า 1 วัตต์ มีราคา 250 ดอลลาร์ ไฟฟ้าที่ผลิตได้มีราคาแพงกว่าจากกริดทั่วไปถึง 100 เท่า

เป็นเวลาเกือบ 20 ปีแล้วที่แผงโซลาร์เซลล์ถูกใช้สำหรับอวกาศเท่านั้น ในปี 1977 ค่าไฟฟ้าลดลงเหลือ 76 ดอลลาร์ต่อวัตต์เซลล์ ประสิทธิภาพค่อยๆ เพิ่มขึ้น: 15% ในช่วงกลางทศวรรษ 1990 และ 20% ในปี 2000 ข้อมูลปัจจุบันที่เกี่ยวข้องมากที่สุดในหัวข้อนี้ —ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์และโมดูล

การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนสามารถแบ่งออกได้เป็นสามขั้นตอนหลักอย่างคร่าว ๆ ดังนี้

• การผลิตซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูง

• ทำแหวนซิลิโคนบาง ๆ

• การติดตั้งตาแมว

วัตถุดิบหลักในการผลิตซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์สูงคือทรายควอทซ์ (SiO2)2) ละลายได้โดยการอิเล็กโทรไลซิส ซิลิคอนโลหะซึ่งมีความบริสุทธิ์สูงถึง 98% กระบวนการกู้คืนซิลิกอนเกิดขึ้นเมื่อทรายทำปฏิกิริยากับคาร์บอนที่อุณหภูมิสูง 1,800°C:

ระดับความบริสุทธิ์นี้ไม่เพียงพอสำหรับการผลิตโฟโตเซลล์ ดังนั้นจึงต้องผ่านกระบวนการต่อไป การทำให้ซิลิคอนบริสุทธิ์เพิ่มเติมสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์นั้นดำเนินการทั่วโลกโดยใช้เทคโนโลยีที่พัฒนาโดยซีเมนส์

«กระบวนการซีเมนส์» คือการทำให้ซิลิกอนบริสุทธิ์โดยปฏิกิริยาของโลหะซิลิกอนกับกรดไฮโดรคลอริก ทำให้เกิดไตรคลอโรไซเลน (SiHCl3) ดังนี้

ไตรคลอโรไซเลน (SiHCl3) อยู่ในสถานะของเหลว ดังนั้นจึงแยกออกจากไฮโดรเจนได้ง่าย นอกจากนี้ การกลั่นซ้ำของไตรคลอโรไซเลนจะเพิ่มความบริสุทธิ์เป็น 10-10%

กระบวนการต่อมา - ไพโรไลซิสของไตรคลอโรไซเลนบริสุทธิ์ - ใช้ในการผลิตโพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูง โพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอนที่เกิดขึ้นไม่ตรงตามเงื่อนไขสำหรับใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ แต่สำหรับอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ คุณภาพของวัสดุก็เพียงพอแล้ว

โพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอนเป็นวัตถุดิบในการผลิตโมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอน ใช้สองวิธีในการผลิตโมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอน - วิธี Czochralski และวิธีละลายโซน

วิธีการของ Czochralski ใช้พลังงานมากเช่นเดียวกับวัสดุมาก โพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอนจำนวนค่อนข้างน้อยจะถูกอัดเข้าไปในถ้วยใส่ตัวอย่างและหลอมละลายภายใต้สุญญากาศเมล็ดโมโนซิลิกอนขนาดเล็กตกลงบนพื้นผิวของการหลอมแล้วบิดขึ้นดึงแท่งทรงกระบอกที่อยู่ด้านหลังเนื่องจากแรงตึงผิว

ในปัจจุบัน เส้นผ่านศูนย์กลางของแท่งที่ดึงออกมามีถึง 300 มม. ความยาวของก้อนโลหะที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 100-150 มม. ถึง 75-100 ซม. โครงสร้างผลึกของลิ่มยาวจะทำซ้ำโครงสร้างโมโนคริสตัลไลน์ของเมล็ด การเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของก้อนโลหะ รวมถึงการปรับปรุงเทคโนโลยีการตัด จะช่วยลดปริมาณของเสีย ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนของโฟโตเซลล์ที่ได้

เทคโนโลยีสายพาน กระบวนการทางเทคโนโลยีที่พัฒนาโดย Mobil Solar Energy Corporation นั้นขึ้นอยู่กับการดึงแถบซิลิกอนออกจากเซลล์ที่หลอมเหลวและขึ้นรูปเซลล์แสงอาทิตย์บนแผ่นนั้น เมทริกซ์ถูกแช่อยู่ในซิลิกอนละลายบางส่วนและเนื่องจากผลกระทบของเส้นเลือดฝอย โพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอนจึงลอยตัวขึ้น ก่อตัวเป็นริบบิ้น ละลายตกผลึกและถูกลบออกจากเมทริกซ์ เพื่อเพิ่มผลผลิต อุปกรณ์ได้รับการออกแบบให้สามารถรับสายพานได้สูงสุดเก้าเส้นในเวลาเดียวกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือปริซึมเก้าเหลี่ยม

ข้อได้เปรียบของสายพานคือมีต้นทุนต่ำเนื่องจากไม่รวมกระบวนการตัดโลหะ นอกจากนี้ยังสามารถรับเซลล์แสงอาทิตย์รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าได้ง่าย ในขณะที่แผ่นโมโนคริสตัลไลน์รูปทรงกลมไม่ช่วยให้วางเซลล์แสงอาทิตย์ในโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ได้ดี

แท่งซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์หรือโมโนคริสตัลไลน์ที่ได้จะต้องถูกตัดเป็นเวเฟอร์บาง ๆ ที่มีความหนา 0.2-0.4 มม. เมื่อตัดแท่งโมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอน ประมาณ 50% ของวัสดุจะสูญเสียไปกับการสูญเสียนอกจากนี้ วงแหวนกลมไม่ได้ถูกเจียระไนเป็นรูปทรงสี่เหลี่ยมเสมอไป แต่บ่อยครั้ง