S lar Cell

S lar Cell พลงั งานแสงอาทติ ย์ นายโช คชัย ภูตามาย์ รหัส 6341050103 ทล .บ .เทคโนโลยีอิเล็กท รอนิ กส์ สถาบันการอาชี วศึก ษ า ภ าค ตะวั นอ อ กเฉี ย งเหนือ 1

ประวัติเซลล์แสงอาทติ ย์ เซลล์แสงอาทิตย์ถูกสร้างขึ้นมาครั้งแรกในปี ค .ศ. 1954 (พ.ศ. 2497) โดย แชปปิน (Chapin)ฟูลเลอร์ (Fuller)และเพียสัน (Pearson) แห่งเบลล์เทลเลโฟน (Bell Telephon) โดยท้ัง 3 ท่านนี้ได้ค้นพบเทคโนโลยีการสร้างรอยต่อ พี-เอ็น (P-N) แบบใหม่ โดยวิธีการแพร่สารเข้าไปในผลึกของซิลิกอน จนได้เซลล์แสงอาทิตย์อันแรกของ โลก ซ่ึงมีประสิทธิภาพเพียง 6% ซ่ึงปัจจุบันนี้เซลล์แสงอาทิตย์ได้ถูกพัฒนาขึ้นจนมี ประสทิ ธภิ าพสงู กวา่ 15% แล้ว ในระยะแรกเซลล์แสงอาทิตย์ส่วนใหญ่จะใช้สาหรับโครงการด้านอวกาศ ดาวเทียม หรอื ยานอวกาศท่ีสง่ จากพืน้ โลกไปโคจรในอวกาศ กใ็ ชแ้ ผงเซลลแ์ สงอาทติ ยเ์ ป็นแหล่งกาเนดิ พลังไฟฟ้า ต่อมาจึงได้มีการนาเอาแผงเซลล์แสงอาทิตย์มาใช้บนพื้นโลกเช่นในปัจจุบันนี้ เซลล์แสงอาทิตย์ในยุคแรกๆ ส่วนใหญ่จะมีสีเทาดา แต่ในปัจจุบันน้ีได้มีการพัฒนาให้เซลล์ แสงอาทิตย์มีสีตา่ งๆ กนั ไป เชน่ แดง น้าเงนิ เขียว ทอง เป็นตน้ เพอ่ื ความสวยงาม

Solar Cell Solar Cell เป็นส่ิงประดิษฐ์ กรรมทางอิเลคทรอนิกส์ ที่สร้างขึ้นเพื่อ เ ป็ น อุ ป ก ร ณ์ ส า ห รั บ เ ป ลี่ ย น พ ลั ง ง า น แสงอาทิตยใ์ ห้เป็นพลงั งานไฟฟ้า เ ซ ล ล์ แ ส ง อ า ทิ ต ย์ จ ะ มี ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าสูงที่สุดใน ช่วงเวลากลางวัน ซึ่งสอดคล้องและ เหมาะสมในการนาเซลล์แสงอาทิตย์มาใช้ ผลิตไฟฟ้า เพื่อแก้ไขปัญหาการขาดแคลน พลงั งานไฟฟ้าในช่วงเวลากลางวัน

การผลิตไฟฟ้าจากเซลลแ์ สงอาทิตย์ มีจุดเดน่ ท่สี าคญั แตกตา่ งจากวธิ ีอนื่ หลายประการ ดงั ตอ่ ไปนี้ 1.ไม่มีชิน้ สว่ นที่เคลื่อนไหวในขณะใช้งาน จึงทาใหไ้ ม่มมี ลภาวะ ทางเสียง 2.ไม่กอ่ ใหเ้ กิดมลภาวะเปน็ พิษจากขบวนการผลติ ไฟฟ้า 3.มกี ารบารุงรักษาน้อยมากและใชง้ านแบบอตั โนมัตไิ ดง้ ่าย ประสทิ ธิภาพคงท่ีไม่ขึน้ กบั ขนาด 4.สามารถผลติ เปน็ แผงขนาดตา่ งๆ ไดง้ า่ ย ทาใหส้ ามารถผลิตได้ ปรมิ าณมาก 5.ผลติ ไฟฟา้ ไดแ้ ม้มแี สงแดดออ่ นหรอื มีเมฆ 6.เป็นการใชพ้ ลงั งานแสงอาทติ ยท์ ่ีได้มาฟรแี ละมไี มส่ ิ้นสุด 7.ผลิตไฟฟา้ ไดท้ ุกมุมโลกแม้บนเกาะเล็กๆ กลางทะเล บนยอด เขาสูง และในอวกาศ 8.ไดพ้ ลงั งานไฟฟา้ โดยตรงซง่ึ เป็นพลงั งานทน่ี ามาใช้ได้สะดวก ทส่ี ดุ ดังน้นั ไฟฟ้าจากเซลลแ์ สงอาทติ ย์จึงเป็นความหวงั ของคนท่วั โลก ในศตวรรษท่ี 21 ที่จะมาถงึ ในอีกไมน่ าน



ประเภทของเซลลแ์ สงอาทติ ย์ แบบผลึกเดีย่ ว ( Single Crystal ) เซลล์แสงอาทติ ยท์ ีน่ ยิ มใช้กนั อย่ใู นปจั จบุ ัน จะแบง่ ออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆ คอื แบบผลึกรวม ( Poly Crystal ) 1. กลุ่มเซลล์แสงอาทิตยท์ ีท่ าจากสารกงึ่ ตัวนาประเภทซิลคิ อน แบบอะมอรฟ์ สั จะแบ่งตามลักษณะของผลึกท่ีเกิดขึ้น คือ แบบที่เป็น รูปผลึก ( Amorphous ) ( Crystal ) และแบบทไ่ี มเ่ ปน็ รูปผลกึ (Amorphous) - แบบทเ่ี ปน็ รปู ผลึก จะแบ่งออกเปน็ 2 ชนดิ คือ ชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน ( Single Crystalline Silicon Solar Cell) และ ชนิดผลกึ รวมซิลคิ อน ( Poly Crystalline Silicon Solar Cell) -แบบที่ไม่เป็นรูปผลึก คือ ชนิดฟิล์มบางอะมอร์ฟัสซิลิคอน ( Amorphous Silicon Solar Cell)

กลุ่มเซลล์แสงอาทติ ยท์ ี่ทาจากสารประกอบทไี่ มใ่ ช่ซิลคิ อน 2. กลุ่มเซลล์แสงอาทิตย์ท่ีทาจาก สารประกอบทีไ่ มใ่ ชซ่ ลิ คิ อน ซงึ่ ประเภทนี้ จะเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่ มีประสิทธิภาพสูงถึง 25% ขึ้นไป แต่มี ราคาสูงมาก ไม่นิยมนามาใช้บนพื้นโลก จึงใช้งานสาหรับดาวเทียมและระบบรวม แ ส ง เ ป็ น ส่ ว น ใ ห ญ่ แ ต่ ก า ร พั ฒ น า ขบวนการผลิตสมัยใหม่จะทาให้มีราคาถูก ล ง แ ล ะ น า ม า ใ ช้ ม า ก ข้ึ น ใ น อ น า ค ต ( ปัจจบุ นั นามาใชเ้ พยี ง 7 % ของปริมาณที่ มใี ช้ทัง้ หมด )

ส่วนประกอบของเซลล์แสงอาทิตย์ แรงเคลื่อนไฟฟ้าท่ีผลิตข้ึนจากเซลล์แสงอาทิตย์ เพียงเซลล์เดียวจะมคี ่าต่ามาก การนามาใช้งานจะต้อง นาเซลล์หลาย ๆ เซลล์ มาต่อกันแบบอนุกรมเพ่ือเพิ่ม ค่าแรงเคล่ือนไฟฟ้าให้สูงข้ึน เซลล์ที่นามาต่อกัน ในจานวนและขนาดท่ีเหมาะสมเรียกว่า แผงเซลล์ แสงอาทติ ย์ (Solar Module หรอื Solar Panel) การทาเซลลแ์ สงอาทิตย์ให้เปน็ แผงกเ็ พ่ือความ สะดวกในการนาไปใช้งาน ด้านหนา้ ของแผงเซลล์ ประกอบด้วยแผ่นกระจกที่ มสี ่วนผสมของเหลก็ ต่า ซงึ่ มคี ณุ สมบัตใิ นการยอมใหแ้ สงผา่ นได้ดี และยงั เป็นเกราะป้องกันแผ่นเซลล์อกี ดว้ ย แผงเซลลจ์ ะต้องมกี าร ป้องกันความช้นื ท่ดี มี าก เพราะจะตอ้ งอยูก่ ลางแดดกลางฝนเป็นเวลายาวนาน ในการประกอบจะต้องใช้วัสดุท่มี ีความคงทนและปอ้ ง กันความชืน้ ท่ีดี เช่น ซิลโิ คนและ อีวีเอ (Ethelele Vinyl Acetate) เป็นตน้ เพื่อเป็นการป้องกนั แผน่ กระจกดา้ นบนของแผงเซลล์ จงึ ตอ้ งมีการทากรอบ ด้วยวสั ดุทีม่ คี วามแขง็ แรง แตบ่ างคร้ังก็ไมม่ ีความจาเป็น ถา้ มกี ารเสริมความแข็งแรงของแผน่ กระจกใหเ้ พียงพอ ซึง่ ก็สามารถทดแทน การทากรอบไดเ้ ชน่ กัน ดงั นั้นแผงเซลลจ์ งึ มลี กั ษณะเปน็ แผ่นเรียบ (laminate) ซงึ่ สะดวกในการตดิ ต้ัง

บวนการผลิตเซลลแ์ สงอาทติ ย์ ข้นั ตอนการผลติ สารซลิ คิ อนบริสุทธิ์ วสั ดุที่ใชท้ าเซลลแ์ สงอาทติ ย์ 1) การผลติ MG-Si จากหนิ ควอทไซตห์ รือทราย วัสดสุ าคญั ทใี่ ชท้ าเซลลแ์ สงอาทติ ย์ ทใี่ ชม้ ากทสี่ ดุ ในปัจจบุ นั ไดแ้ ก่ สารซลิ ิคอน (Si) SiO2+ 2C ----> Si + 2CO (ปฏกิ ริ ยิ าภายในเตาหลอม) ซงึ่ เปน็ สารชนดิ เดยี วกับทใ่ี ชท้ าชิพในคอมพิวเตอรแ์ ละเครอื่ งอิเล็กทรอนิกส์ ซิลิคอนเป็น สารซึง่ ไมเ่ ปน็ พิษ มกี ารนามาผลิตเซลลแ์ สงอาทติ ย์ใชก้ ันอยา่ งแพร่หลายเพราะมรี าคาถกู ความบริสุทธขิ อง Si 98 - 99% คงทน และเช่อื ถือได้ นอกจากน้ยี งั มวี สั ดุชนิดอ่นื ทส่ี ามารถนามาผลิตเซลล์แสงอาทติ ยไ์ ด้ 2) การผลิต SeG-Si จาก MG-Si เช่น แกลเลียมอาเซไนด์ CIS และ แคดเมียมเทลเลอไรด์ แต่ยังมีราคาสูง และบางชนิด ยังไมม่ ีการพสิ ูจนเ์ รอื่ งอายกุ ารใชง้ านวา่ สามารถใชง้ านได้นาน 2.1) เปล่ียนสถานะ Si เปน็ แก๊ส โดยวิธี Fractional Distillation ข้อเสียของ Si : การทาให้บริสุทธ์ิและอยู่ในรูปสารที่พร้อมจะทาเซลล์ฯ มีราคาแพง Si + 3 HCl -------> SiHCl3+ H2 และ แตกหกั งา่ ยในขบวนการผลิต 2.2) SiHCl3 ทาปฏิกรยิ ากบั H2 ได้ Si บริสทุ ธิ์ 99.999% SiHCl3 + H2 -------> Si + HCl เป็นการทา Si ใหบ้ รสิ ุทธ์ิ ขัน้ ตอนนี้ได้ Polycrystal

ขบวนการผลติ เซลล์แสงอาทิตย์ แบบผลกึ เด่ยี ว ( Single Crystalline )

การผลติ เซลลแ์ สงอาทติ ย์ แบบผลกึ เดย่ี ว หรือท่ีร้จู ักกนั ในชอ่ื Mono-Crystalline การเตรียมสารซิลิคอนชนิดน้ี เร่ิมต้นจากนาสารซิลิคอนซ่ึงผ่านการทาให้เป็นก้อนท่ีมีความบริสุทธ์ิสูงมาก (99.999%) มาหลอมละลายในเตา Induction Furnace ที่อณุ หภูมสิ ูงถึง 1,500 องศาเซลเซียส เพื่อทาการสร้างแท่งผลกึ เดี่ยวขนาดใหญพ่ ร้อมกับใส่สารเจือปน Boron เพ่ือทาให้เกิด P-type แล้วทาให้เกิดการเย็นตัวจับตัวกันเป็นผลึก ด้วย Seed ซึง่ จะตกผลึกมีขนาดหน้าตดั ใหญ่ แล้วค่อยๆ ดงึ แทง่ ผลึกนข้ี ้ึนจากเตาหลอม ดว้ ยเทคโนโลยีการดึงผลึก จะได้แท่งผลึกยาวเป็นรูปทรงกระบอก คุณภาพของผลึกเดี่ยว จะสาคญั มากต่อคุณสมบตั ิของเซลลแ์ สงอาทิตย์ จากนัน้ นาแทง่ ผลึกมาตัดใหเ้ ปน็ แผน่ บาง ๆ ดว้ ยลวดตัดเพชร (Wire Cut) เรยี กวา่ เวเฟอร์ ซ่ึงจะได้แผ่นผลึกมีความหนาประมาณ 300 ไมโครเมตร และขัดความเรียบของผิว จาก นั้นก็จะนาไปเจือสารที่จาเป็นในการทาให้เกิดเป็น p-n junction ข้ึนบนแผ่นเว เฟอร์ ด้วยวิธกี าร Diffusion ทอ่ี ณุ หภมู ิระดบั 1,000 องศาเซลเซียส จากนน้ั นาไปทาขั้วไฟฟ้าเพอื่ นากระแสไฟออกใช้ ท่ีผิวบนจะเป็นข้ัวลบ ส่วนผิวล่างเป็นข้ัวบวก ข้ันตอนสุดท้ายจะเป็นการเคลือบฟิล์มผิวหน้าเพื่อป้องกันการสะท้อนแสงให้น้อย ท่ีสุด ตอนนจ้ี ะไดเ้ ซลลท์ พ่ี รอ้ มใช้งาน หลังจากนั้นก็นาไปประกอบเข้าแผงโดยใช้กระจกเป็นเกราะป้องกันแผ่นเซลล์ และใช้ซิลิโคน และ อีวีเอ (Ethelele Vinyl Acetate) ช่วย ปอ้ งกันความชนื้ ในการใช้งานจรงิ เราจะนาเซลลแ์ ต่ละเซลล์มาต่ออนกุ รมกันเพ่อื เพิม่ แรงเคลอ่ื นไฟฟ้าให้ได้ตามตอ้ งการ

ขบวนการผลติ เซลลแ์ สงอาทติ ย์ แบบผลกึ รวม ( Poly Crystalline )

การผลติ เซลลแ์ สงอาทิตย์ แบบผลึกรวม ( Poly Crystalline ) การผลติ เซลลแ์ สงอาทติ ย์โดยวธิ นี ี้ จะมคี ่าใช้จา่ ยทถี่ ูกกวา่ วิธีแรก คอื การทาแผ่นเซลล์ จะใช้วิธีการหลอมสารซิลิคอนให้ละลายพร้อมกับใส่ สารเจือปน Boron เพื่อทาให้เกิด P-type แล้วเทลงในแบบพิมพ์ เม่ือสารละลายซิลิคอนแข็งตัวก็จะได้เป็นแท่งซิลิคอนแบบผลึกรวม (ตกผลกึ ไม่พร้อมกนั ) จากนนั้ นาไปตัดเป็นแผ่นเชน่ เดยี วกับแบบผลึกเดี่ยว ความแตกต่างระหว่างแบบผลึกเด่ียวและแบบผลึกรวมสังเกตได้จากผิว ผลึก ถ้ามีโทนสที แ่ี ตกต่างกนั ซึ่งเกดิ จากผลกึ เล็กq หลายผลึกในแผน่ เซลลจ์ ะเปน็ แบบผลึกรวม ในขณะทแ่ี บบผลกึ เดย่ี วจะเหน็ เปน็ ผลึกเน้ือเดียว คือ มีสเี ดยี วตลอดท้ังแผน่ ส่วนกรรมวิธีการผลิตเซลล์ทีเ่ หลือจะเหมือนกัน เซลลแ์ สงอาทติ ย์แบบผลึกรวม(Poly Crystalline)จะให้ประสิทธิภาพต่ากว่า แบบผลกึ เดี่ยว ประมาณ 2-3 % อยา่ งไรกต็ ามเซลลท์ ้งั 2 ชนดิ มขี อ้ เสียในการผลิต คือ แตกหักงา่ ยเช่นกนั

หลกั การทางาน การทางานของเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นขบวนการเปล่ียนพลังงานแสงเป็น กระแสไฟฟ้าได้โดยตรง โดยเม่ือแสงซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและมีพลังงานกระทบกับ สารกึ่งตัวนา จะเกิดการถ่ายทอดพลังงานระหว่างกัน พลังงานจากแสงจะทาให้เกิดการ เคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า (อิเลคตรอน) ขึ้นในสารกึ่งตัวนา จึงสามารถต่อกระแสไฟฟ้า ดงั กลา่ วไปใช้งานได้ (ตามรปู )

1. n - type ซิลิคอน ซ่ึงอยู่ด้านหน้าของเซลล์ คือ 2. เมื่อมีแสงอาทิตย์ตกกระทบ สารกึ่งตัวนาท่ีได้การโดปป้ิงด้วยสารฟอสฟอรัส มี แสงอาทิตย์จะถ่ายเทพลังงาน คุ ณ ส ม บั ติ เ ป็ น ตั ว ใ ห้ อิ เ ล็ ก ต ร อ น เ ม่ื อ รั บ พ ลั ง ง า น จ า ก ให้กับอิเล็กตรอนและโฮล ทาให้ แสงอาทิตย์ p - type ซิลิคอน คือสารก่ึงตัวนาที่ได้การ เกิดการเคลื่อนไหว เม่ือพลังสูง โดปปิ้งด้วยสารโบรอน ทาให้โครงสร้างของอะตอมสูญเสีย พอท้ังอิเล็กตรอนและโฮลจะวิ่ง อิเล็กตรอน (โฮล) เม่ือรับพลังงาน จากแสงอาทิตย์จะทา เข้าหาเพ่ือจับคู่กัน อิเล็กตรอน หน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน เมื่อนาซิลิคอนท้ัง 2 ชนิด มา จะวิ่งไปยังชั้น n - type และ ประกบต่อกันด้วย p - n junction จึงทาให้เกิดเป็น \" โฮลจะวง่ิ ไปยังชั้น p type เซลล์แสงอาทิตย์ \" ในสภาวะท่ียังไม่มีแสงแดด n - type ซิลิคอนซ่ึงอยู่ด้านหน้าของเซลล์ ส่วนประกอบส่วนใหญ่ พรอ้ มจะให้อิเล็กตรอน แต่ก็ยังมีโฮลปะปนอยู่บ้างเล็กน้อย ด้านหน้าของ n - type จะมีแถบโลหะเรียกว่า Front Electrode ทาหนา้ ที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน ส่วน p - type ซิลิคอนซ่ึงอยู่ด้านหลังของเซลล์ โครงสร้างส่วนใหญ่เป็น โฮล แต่ยงั คงมอี ิเล็กตรอนปะปนบา้ งเล็กน้อย ด้านหลังของ p - type ซิลคิ อนจะมีแถบโลหะเรยี กว่า Back Electrode ทาหน้าท่เี ปน็ ตัวรวบรวมโฮล

3. อิเล็กตรอนว่ิงไปรวมกันที่ Front Electrode และ โ ฮ ล ว่ิ ง ไ ป ร ว ม กั น ที่ Back Electrode เ มื่ อ มี ก า ร ต่ อ วงจรไฟฟ้าจาก Front Electrode และ Back Elec trode ให้ครบวงจร ก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น เนื่องจากทั้ง อเิ ลก็ ตรอนและโฮลจะว่ิงเพ่อื จบั คู่กนั

การผลิตไฟฟ้าด้วยเซลลแ์ สงอาทติ ย์ การผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์ แบ่งออกเป็น 3 ระบบ คือ 1. การผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบอิสระ (PV Stand alone system)เป็นระบบผลิตไฟฟ้าที่ได้รับการออกแบบ สาหรับใช้งานในพ้ืนที่ชนบทท่ีไม่มีระบบสายส่งไฟฟ้า อุปกรณ์ระบบท่ี สาคัญประกอบด้วยแผงเซลล์แสงอาทิตย์ อุปกรณ์ควบคุมการประจุ แบตเตอร่ี แบตเตอรี่ และอปุ กรณ์เปล่ียนระบบไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้า กระแสสลับแบบอสิ ระ

2. การผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบต่อกับระบบจาหน่าย (PV Grid connected system) เป็นระบบผลิตไฟฟ้าท่ีถูกออกแบบ สาหรับผลิตไฟฟ้าผ่านอุปกรณ์เปล่ียนระบบไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้า กระแสสลับ เข้าสู่ระบบสายส่งไฟฟ้าโดยตรง ใช้ผลิตไฟฟ้าในเขตเมือง หรือพื้นที่ท่ีมีระบบจาหน่ายไฟฟ้าเข้าถึง อุปกรณ์ระบบที่สาคัญ ประกอบด้วยแผงเซลล์แสงอาทิตย์ อุปกรณ์เปล่ียนระบบไฟฟ้า กระแสตรงเป็นไฟฟา้ กระแสสลับชนดิ ต่อกับระบบจาหน่ายไฟฟ้า

3. การผลติ กระแสไฟฟา้ ดว้ ยเซลล์แสงอาทติ ย์แบบผสมผสาน (PV Hybrid system) เป็นระบบผลิตไฟฟ้าที่ถูกออกแบบสาหรับ ทางานร่วมกับอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้าอื่นๆ เช่น ระบบเซลล์แสงอาทิตย์ กับพลังงานลม และเคร่ืองยนต์ดีเซล ระบบเซลล์แสงอาทิตย์กับ พลงั งานลม และไฟฟ้าพลังน้า เปน็ ตน้ โดยรูปแบบระบบจะขน้ึ อยกู่ ับ การออกแบบตามวัตถปุ ระสงคโ์ ครงการเป็นกรณีเฉพาะ

เวบ็ ไซตอ์ า้ งอิง http://www2.egat.co.th/re/solarcell/solarcell.htm http://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%80%E0%B8%8B%E0%B8%A5%E0%B8%A5%E0%B9%8C%E0% B9%81%E0%B8%AA%E0%B8%87%E0%B8%AD%E0%B8%B2%E0%B8%97%E0%B8%B4%E0%B8%95 %E0%B8%A2%E0%B9%8C http://www.nstda.or.th/sci-kids-menu/2326-solar-cell-advantage-disadvantage http://www.leonics.co.th/html/th/aboutpower/solar_knowledge.php

THANK YOU