ความรู้พื้นฐานแผงพลังงานแสงอาทิตย์

บทที่ 1 ความรูพื้นฐานเกี่ยวกับ เซลลแสงอาทิตย เซลลแสงอาทิตยเปนสิ่งประดิษฐอิเล็กทรอนิกสที่สามารถแปลงพลังงานแสงใหเปนพลังงานไฟฟาได ดวยปรากฏการณโฟโตโวลทาอิก เซลลแสงอาทิตยชนิดแรกไดแกเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกซิลิคอนซึ่งไดรับ การพัฒนาขึ้นใน ค.ศ. 1954 การใชงานเซลลแสงอาทิตยเริ่มจากการใชงานในยานอวกาศใน ค.ศ. 1958 และเมื่อเกิดเหตุการณวิกฤตน้ํามันในตนทศวรรษที่ 1970 เซลลแสงอาทิตยจึงเริ่มไดรับความ สนใจ ในการใช งานเปนแหลงพลังงานทดแทนบนพื้นโลก ปจจุบันเซลลแสงอาทิตยไดเขามามีบทบาทตอชีวิตความเปนอยูของ มนุษยอยางใกลชิด ความตองการเซลลแสงอาทิตยในแตละปก็เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ อัตราการเติบโตการใชงานเซลล แสงอาทิตยในชวง ค.ศ. 2002 – 2003 สูงถึง 30-40% เฉพาะใน ค.ศ. 2002 มีการติดตั้งใชงานเซลล แสงอาทิตยสูงถึง 540 MW ทางดานตนทุนการผลิตก็ไดลดลงเหลือประมาณ 2-3 ดอลลารสหรัฐตอวัตตแลว สําหรับในประเทศไทยจนถึง ค.ศ. 2003 มีการติดตั้งใชงานเซลลแสงอาทิตยรวมแลวประมาณ 6 MW และกําลังเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ทุกป ในบทนี้จะกลาวถึง ความรูพื้นฐานเกี่ยวกับเซลลแสงอาทิตย ซึ่งไดแกโครงสรางและหลักการทํางาน ของเซลลแสงอาทิตย หลักการใชงานพื้นฐานเซลลแสงอาทิตย และประโยชนของเซลลแสงอาทิตย

1.1 ความสําคัญของเซลลแสงอาทิตย เซลลแสงอาทิตย (solar cell) เปนสิ่งประดิษฐออปโตอิเล็กทรอนิกสที่สรางจากสารกึ่งตัวนํา สามารถเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย (หรือแสงจากหลอดไฟ) ใหเปนพลังงานไฟฟาไดโดยตรง ทันทีที่มีแสงตก กระทบ เซลลแสงอาทิตยก็จะผลิตไฟฟาไดทันที และไฟฟาที่ไดนั้นจะเปนไฟฟากระแสตรง (DC current) เซลลแสงอาทิตยเปนแหลงพลังงานทดแทนชนิดหนึ่ง (renewable energy) ที่เปนที่ยอมรับกันทั่วไปวา สะอาด และไมสรางมลภาวะเปนพิษใดๆ ขณะใชงาน ไมทําลายสภาพแวดลอม เพียงแตติดตั้งเซลลแสงอาทิตยไวกลาง แสงอาทิตย ก็สามารถใชงานไดทันที เซลลแสงอาทิตยทํางานไดโดยไมสรางเสียงรบกวนหรือการเคลื่อนไหว และไมเคยปรากฏวามีการคัดคานการผลิตกระแสไฟฟาดวยเซลลแสงอาทิตย เนื่องจากเซลลแสงอาทิตยทํางาน โดยใชพลังงานแสงอาทิตยเทานั้น จึงเปนการประหยัดน้ํามัน และสามารถผลิตกระแสไฟฟาไดจากแสงอาทิตย ซึ่งเปนพลังงานที่มนุษยไดมาฟรีและมีไมสิ้นสุด อายุการใชงานของเซลลแสงอาทิตยยาวนานกวา 20 ป ดังนั้น เมื่อลงทุนติดตั้งเซลลแสงอาทิตยในครั้งแรก ก็แทบจะไมมีคาใชจายเพิ่มขึ้นอีกตอไป การผลิตกระแสไฟฟาดวยเซลลแสงอาทิตยเปนหนึ่งในนโยบายการผลิตพลังงานทดแทนของประเทศ ไทย และเมื่อเปรียบเทียบกับพลังงานทดแทนอื่นๆ ที่มีการคนควาในประเทศไทย เชน พลังงานลม พลังงาน ความรอนใตพิภพ ปรากฏเปนที่เดนชัดวา เทคโนโลยีเซลลแสงอาทิตยถูกนํามาใชงานไดอยางประสบ ความสําเร็จมากที่สุด เชน มีการใชในหมูบานชนบทหางไกลที่สายไฟฟาไปไมถึง ใชสูบน้ําบาดาลในพื้นที่ ทุรกันดาร ใชในระบบสื่อสารถายทอดสัญญาณโทรศัพท ใชในการทหาร ฯลฯ ใน ค.ศ. 1998 ไดมีโครงการ สาธิตการติดตั้งเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานในเขตกรุงเทพมหานคร (solar houses) จํานวน 10 หลังอีก ดวย เซลล-แสงอาทิตยที่ติดตั้งแลวในประเทศไทยทั้งหมดในขณะนี้มีกําลังไฟฟาเอาตพุตรวมประมาณ 3.7

1-1

MW หรือประมาณ 92,500 แผง (กําลังไฟฟาที่เซลลแสงอาทิตยหนึ่งแผงผลิตไดมีคาประมาณ 40-50 W พลังงานแสงอาทิตยที่ตกกระทบพื้นโลกเรามีมากมหาศาล รอยละ 99.98 ของพลังงานที่โลกเรา ไดรับมาจากดวงอาทิตย สวนที่เหลือรอยละ 0.02 เปนพลังงานความรอนใตพิภพ ปริมาณพลังงานของ แสงอาทิตยที่เดินทางมาสูโลกมีมากถึง 1.77×1014 kW ซึ่งมีมากกวาปริมาณพลังงานที่มนุษยตองการ (3.8×108 kW) ถึงกวาลานเทา ดังนั้นถามนุษยใชพลังงานแสงอาทิตยโดยตรงนี้ใหเปนประโยชน ก็จะชวย ประหยัดน้ํามันไปไดมาก สําหรับในประเทศไทย บนพื้นที่ 1 ตารางเมตร เราไดรับพลังงานแสงอาทิตยประมาณ 1,000 W หรือเฉลี่ย 4-5 กิโลวัตต-ชั่วโมงตอตารางเมตรตอวัน (kWh/m2/day) ซึ่งมีความหมายวา ในวันหนึ่งๆ บน พื้นที่เพียง 1 ตารางเมตรนั้น เราไดรับพลังงานแสงอาทิตย 1 kW เปนเวลานานถึง 4-5 ชั่วโมงนั่นเอง ถา เซลลแสงอาทิตยมีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานเทากับ 15% ก็แสดงวา เซลลแสงอาทิตยที่มีพื้นที่ 1 ตารางเมตร จะสามารถผลิตพลังงานไฟฟาได 150 W หรือเฉลี่ย 600-750 kWh/m2/day นั่นเอง ในเชิงเปรียบเทียบ ในวันหนึ่งๆ ประเทศไทยเรามีความตองการพลังงานไฟฟาประมาณ 250 ลาน kWh/day ดังนั้นถาเรามีพื้นที่ประมาณ 1,500 ตารางกิโลเมตร (0.3% ของประเทศไทย) เราก็จะสามารถผลิต พลังงานไฟฟาจากเซลลแสงอาทิตยไดเพียงพอกับความตองการทั้งประเทศ

1.2 หลักการทํางานพื้นฐานของเซลลแสงอาทิตย รูปที่ 1.1 แสดงโครงสรางและหลักการทํางานพื้นฐานของเซลลแสงอาทิตย โครงสรางของเซลล แสงอาทิตยที่นิยมใชกันมากที่สุดไดแก รอยตอพีเอ็น (p-n) ของสารกึ่งตัวนํา และวัสดุสารกึ่งตัวนําที่ราคาถูก ที่สุดและมีมากที่สุดบนพื้นโลกไดแก ซิลิคอน ซึ่งถลุงไดจากแรควอตไซตหรือทราย และผานขั้นตอนการทําให บริสุทธิ์ตลอดจนการทําใหเปนผลึก เซลลแสงอาทิตยหนึ่งแผนอาจมีรูปรางเปนแผนวงกลม (เสนผาน ศูนยกลาง 5 นิ้ว) หรือแผนสี่เหลี่ยมจัตุรัส (ดานละ 5 นิ้ว) มีความหนา 200-400 μm (0.2-0.4 mm) และ ตองนํามาแพรซึมสารเจือปนในเตาอุณหภูมิสูง (ประมาณ 1,000 °C) เพื่อสรางรอยตอ p-n ที่มีความลึก ประมาณ 0.3-0.5 μm ขั้วไฟฟาดานหลังเปนผิวสัมผัสโลหะเต็มแผน สวนขั้วไฟฟาดานหนาที่รับแสงมีลักษณะ เปนลายเสนคลายกางปลา เมื่อมีแสงอาทิตยตกกระทบเซลลแสงอาทิตย จะเกิดการสรางพาหะนําไฟฟาชนิดประจุลบและประจุ บวกขึ้นซึ่งไดแก อิเล็กตรอน และ โฮล โครงสรางรอยตอ p-n จะทําหนาที่สรางสนามไฟฟาภายในเซลล แสงอาทิตยเพื่อแยกอิเล็กตรอนใหไหลไปที่ขั้วลบและแยกโฮลไหลไปที่ขั้วบวก ดวยเหตุนี้ทําใหเกิด แรงดันไฟฟาแบบกระแสตรงขึ้นที่ขั้วทั้งสอง เมื่อเราตอเซลลแสงอาทิตยเขากับเครื่องใชไฟฟาชนิดกระแสตรง (เชน หลอดแสงสวาง มอเตอรกระแสตรง ฯลฯ) ก็จะมีกระแสไฟฟาไหลในวงจร

รูปที่ 1.1 โครงสรางและหลักการทํางานพื้นฐานของเซลลแสงอาทิตย

1-2

เซลลแสงอาทิตยที่มีเสนผานศูนยกลาง 5 นิ้ว จะใหกระแสไฟฟาลัดวงจรประมาณ 3 A และให แรงดันไฟฟาวงจรเปดประมาณ 0.5 V ถาตองการใหไดกระแสไฟฟามากๆ ทําไดโดยการนําเซลลแสงอาทิตย หลายเซลลมาตอขนานกัน หรือถาตองการใหไดแรงดันไฟฟาสูงๆ ก็ทําไดโดยการนําเซลลแสงอาทิตยหลาย เซลลมาตออนุกรมกัน เซลลแสงอาทิตยที่มีขายทั่วไปจะถูกออกแบบใหอยูในกรอบอะลูมิเนียมสี่เหลี่ยมผืนผาซึ่ง เรียกวา แผง หรือมอดูล (module) แผงเซลลแสงอาทิตยมีขนาดประมาณ 1.2 × 0.5 ตารางเมตร ภายใน 1 แผงจะมีเซลลแสงอาทิตยจํานวนมากตออนุกรมกัน (เชน 32-40 เซลล) เซลลแสงอาทิตยหนึ่งแผงให แรงดันไฟฟาวงจรเปดประมาณ 16-20 V กระแสไฟฟาลัดวงจรประมาณ 3-4 A และใหกําลังไฟฟาประมาณ 40-50 W ในกรอบอะลูมิเนียมนี้จะออกแบบปดผนึกดานหนาดวยแผนกระจกใส และดานหลังปดผนึกดวย วัสดุกันความชื้นและฝุนละอองไมใหเขาไปสูเซลลแสงอาทิตย เนื่องจากกระแสไฟฟาที่ไหลออกจากเซลลแสงอาทิตยเปนชนิดกระแสตรง ดังนั้นถาผูใชตองการนํา เซลลแสงอาทิตยไปจายพลังงานไฟฟาใหกับอุปกรณไฟฟาชนิดกระแสสลับ ตองตอเซลลแสงอาทิตยเขากับ อินเวอรเตอร (inverter) ซึ่งเปนอุปกรณแปลงกระแสไฟฟาจากกระแสตรงใหเปนกระแสสลับกอนที่จะตอเซลล แสงอาทิตยเขากับอุปกรณไฟฟากระแสสลับดังกลาว ปจจุบันเซลลแสงอาทิตยที่นิยมใชงานบนพื้นโลกมากที่สุดมี 3 ชนิดซึ่งไดแก เซลลแสงอาทิตยชนิด ผลึกเดี่ยวซิลิคอน เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอน และเซลลแสงอาทิตยชนิดฟลมบางอะมอรฟสซิลิคอน รูปที่ 1.2 แสดงภาพถายตัวอยางเซลลแสงอาทิตยทั้ง 3 ชนิดนี้

รูปที่ 1.2

ภาพถายตัวอยางเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน เซลลแสงอาทิตยชนิด ผลึกโพลีซิลิคอน และเซลลแสงอาทิตยชนิดฟลมบางอะมอรฟสซิลิคอน

1-3

1.3 ทฤษฎีพื้นฐานและหลักการทํางานของเซลลแสงอาทิตย 1.3.1 ผลตอบสนองเชิงสเปกตรัมและประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะ เมื่อสองแสงอาทิตยเขาสูเซลลแสงอาทิตย คากระแสไฟฟาโฟโต (photocurrent) ที่เซลลแสงอาทิตย จะผลิตได จะขึ้นกับลักษณะของสเปกตรัมของแสงอาทิตยและผลตอบสนองเชิงสเปกตรัมของเซลลแสงอาทิตย ผลตอบสนองเชิงสเปกตรัม (spectral response) หมายถึง อัตราสวนของกระแสไฟฟาโฟโตลัดวงจร Jsc(λ) ตอพลังงานแสง P(λ) ที่เซลลแสงอาทิตยไดรับ ซึ่งทั้ง Jsc(λ) และ P(λ) เปนฟงกชันของความยาวคลื่น ของแสงอาทิตย ผลตอบสนองเชิงสเปกตรัมมีหนวยเปนแอมแปร/วัตต (A/W) คําวา ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะ (collection efficiency) หมายถึงอัตราสวนของจํานวน อิเล็กตรอนที่เซลลแสงอาทิตยผลิตตอจํานวนโฟตอนที่ตกกระทบเซลลแสงอาทิตย ประสิทธิภาพการรวบรวม พาหะเปนฟงกชันของความยาวคลื่นแสงและมีนิยามอีก 2 ชนิดดังนี้ ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะภายใน (internal collection efficiency: ηin) หมายถึง ประสิทธิภาพ การรวบรวมพาหะในกรณีที่สมมติวาผิวดานรับแสงของเซลลแสงอาทิตยไมมีการสะทอนแสง ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะภายนอก (external collection efficiency: ηext) หมายถึง ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะในกรณีที่ผิวดานรับแสงของเซลลแสงอาทิตยมีการสะทอนแสง ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะภายในและภายนอกดังกลาวเขียนเปนสูตรไดดังนี้ [1] J (λ) J sc ( λ) = ηin ( λ) = sc P( λ ) qF ( λ)[1 − R( λ)]

η ext ( λ) = η in ( λ)[1 − R ( λ)] =

โดยที่

J sc ( λ) qF ( λ)

(1.1)

(1.2)

R(λ)

คือสัมประสิทธิ์การสะทอนแสงที่ผิวของเซลลแสงอาทิตย F(λ) คือโฟตอนฟลักซ ซึ่งหมายถึงจํานวนโฟตอนตอหนวยพื้นที่และหนวยเวลาที่ตกกระทบ เซลลแสงอาทิตย q คือประจุอิเล็กตรอน

โดยทั่วไป ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะภายในจะมีคามากกวาประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะ ภายนอกเสมอ และประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะทั้ง 2 ชนิดนี้จะมีคานอยกวาหนึ่งเสมอ ผลรวมทั้งหมดของ ηext สามารถคํานวณไดจากสมการที่ (1.2) คือ

∑ J sc ( λ) q ∑ F ( λ) ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยรอยตอ p-n η ext =

(1.3)

เราจะลองพิจารณาประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยที่มีรอยตอ p-n โดย กําหนดใหวาความหนาแนนของสารเจือปนในชั้น p และ n เทากัน รูปที่ 1.3 แสดงโครงสรางของเซลล แสงอาทิตยและแผนภาพของแถบพลังงาน ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะคํานวณไดโดยการแบงเซลล แสงอาทิตยออกเปนชั้น n ชั้นปลอดพาหะ และชั้น p และคํานวณกระแสไฟฟาลัดวงจรไดโดยการแกสมการ แพรกระจาย ซึ่งมีวิธีคํานวณดังตอไปนี้

1-4

ในสถานะคงตัว (steady state) สมการตอเนื่องของพาหะขางนอยชนิดโฮลที่ถูกผลิตโดยแสงในชั้น n แสดงไดดังนี้ dJ h p − p no + n − g( x ) = 0 dx qτ h dp J h = qμ h pn E − qDh n dx

(1.4) (1.5)

และสมการตอเนื่องของพาหะขางนอยชนิดอิเล็กตรอนที่ถูกผลิตโดยแสงในชั้น p แสดงไดดังนี้

รูปที่ 1.3 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยและแผนภาพของแถบพลังงาน dJ e dx

−

n p − nno qτ e

+ g ( x) = 0

dn p J e = qμ e n p E + qDe dx

โดยที่

(1.6) (1.7)

: กระแสไฟฟาของอิเล็กตรอนตอหนวยพื้นที่ μe : ความคลองตัวของอิเล็กตรอน Jh : กระแสไฟฟาของโฮลตอหนวยพื้นที μh : ความคลองตัวของโฮล τe : อายุของอิเล็กตรอน τh : อายุของโฮล np : จํานวนอิเล็กตรอนตอพื้นที่ในชั้น p pn : จํานวนโฮลตอพื้นที่ในชั้น n De : สัมประสิทธิ์การแพรซึมของอิเล็กตรอน Dh : สัมประสิทธิ์การแพรซึมของโฮล g(x) : อัตราการผลิตพาหะในหนึ่งวินาที (generation rate) q : ประจุของอิเล็กตรอน 0 : สภาพสมดุลเชิงความรอน E : สนามไฟฟา x : ตําแหนง Je

1-5

ในการแกสมการที่ (1.4)~(1.7) นี้ เราจะกําหนดเงื่อนไขขอบ (boundary conditions) ดังนี้ pn = pno exp( qV / kT )

ณ

x = xj

(1.8)

n p = n po exp( qV / kT )

ณ

x = xj +w

(1.9)

ณ

x=0

(1.10)

ณ

x=H

(1.11)

S h ( p n − p no ) = Dh

dp n dx

− μ h pn E

dn p Se ( n p − n po ) = − De − μe n p E dx

โดยที่

Se Sh w

: ความเร็วในการรวมตัว (surface recombination velocity) ของอิเล็กตรอนที่ผิวของ เซลลแสงอาทิตย : ความเร็วในการรวมตัวของโฮลที่ผิวของเซลลแสงอาทิตย : ความกวางของชั้นปลอดพาหะ

ในชั้นปลอดพาหะ จะมีศักยไฟฟาภายใน (built-in potential) ซึ่งเกิดจากประจุปริภูมิ (space charge) แตในชั้น p และ n นั้นจะมีศักยไฟฟานอยมาก ถาเราไมพิจารณาศักยไฟฟาในชั้น p และ n เราจะ เขียนสมการตอเนื่องในชั้น n โดยใชสมการที่ (1.4) และ (1.5) ไดวา 2

Dh

d pn p − pno + g( x ) − n =0 2 τh dx

(1.12)

โดยที่อัตราการผลิตพาหะ g (x) มีคาเทากับ g ( x) = αF (1 − R) exp( −αx)

(1.13)

ผลเฉลยทั่วไปของสมการที่ (1.12) คือ αF (1 − R )τ h x x p n − p no = A cosh + B sinh − exp( −αx ) Lh Lh α 2 L2h − 1

โดยที่

Lh R

: ระยะทางแพรซึมของโฮล และ Lh : สัมประสิทธิ์การสะทอนแสง

= (Dh τh )

½

α

(1.14)

: สัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสง

สําหรับ A และ B คือ คาคงตัวซึ่งสามารถคํานวณไดโดยการกําหนดเงื่อนไขขอบ 2 กรณีดังนี้ 1. ในบริเวณพรมแดนที่ขอบของชั้นปลอดพาหะ ณ x = xj พาหะสวนเกิน (excess carriers) มี จํานวนนอยมาก นั่นคือ pn − pno = 0

ณ

x = xj

2. ที่บริเวณผิวดานหนาของเซลลแสงอาทิตย พาหะมีการรวมตัวกัน ดังนั้นจึงไดวา

1-6

(1.15)

Dh

d ( pn − pno ) = Sh ( pn − pno ) dx

x=0

ณ

(1.16)

เมื่อกําหนดเงื่อนไขขอบ 2 ขอนี้ดังกลาวขางตนไดแลว เราจึงเขียนสมการที่ (1.14) ไดวา p n − p no = [

( ×[

S h Lh Dh

αF (1 − R )τ h α Lh − 1 2

2

]

xj − x

+ αLh ) sinh

Lh

+ exp( −αx j )(

S h Lh

Dh xj xj S h Lh sinh + cosh Dh Lh Lh

sinh

x

+ cosh

Lh

x Lh

) − exp( −αx )]

(1.17)

ดังนั้น ณ ตําแหนง x = xj ซึ่งเปนบริเวณขอบของชั้นปลอดพาหะนั้น กระแสไฟฟาโฟโตของโฮล (Jh) ที่ผลิตไดในชั้น n จะมีคาเทากับ J h = − qDh

S h Lh ×[

Dh

dp n dx

qF (1 − R )αLh

=[

α Lh − 1 2

2

+ αLh − exp( −αx j )( S h Lh Dh

sinh

]

S h Lh Dh

xj Lh

cosh

+ cosh

xj Lh

+ sinh

n p − n po = 0

2)

− De

J e = qDe

dn p

=

Je

− αLh exp( −αx j )]

(Je)

ที่ผลิตไดในชั้น p จะคํานวณไดจากสมการ

ณ

x = xj + w

(1.19)

ณ

x=H

(1.20)

2 2

α Le − 1

exp[ − α( x j + w)]

H′ Se Le H′ (cosh + αLe exp( −αH ′ ) − exp( −αH ′ )) + sinh Le De Le ×[αLe − ] Se Le H′ H′ sinh + cosh De Le Le

โดยที่

(1.18)

มีคาดังนี้

qF (1 − R) αLe

dx

)

Lh

d ( n p − n po ) = Se ( n p − n po ) dx

ผลการคํานวณจะไดวา

Lh

xj

ในทํานองเดียวกันกระแสไฟฟาโฟโตของอิเล็กตรอน ที่ (1.6) และ (1.7) โดยกําหนดเงื่อนไขขอบวา 1)

xj

H ′ = H − ( x j + w)

1-7

(1.21)

จากสมการที่ (1.18) และ (1.21) เราไดขอมูลวา “กระแสไฟฟาโฟโตของโฮล (Jh) และของ อิเล็กตรอน (Je ) มีคาแปรผันโดยตรงกับผลคูณของสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสง (α ) และระยะทางแพรซึมของ พาหะ (Le , Lh )” ตอไปเราจะคํานวณหาคากระแสไฟฟาโฟโตที่ผลิตในชั้นปลอดพาหะ พาหะที่ถูกแสงกระตุนในชั้น ปลอดพาหะนั้น จะถูกสนามไฟฟาภายในของรอยตอ p-n พัดพาใหไหลออกสูวงจรภายนอก พาหะเหลานี้จึง ไมมีการรวมตัวกันในชั้นปลอดพาหะหรือรวมตัวกันนอยมาก กระแสไฟฟาที่ไหลเชนนี้เรียกวา กระแสไฟฟาพัด พา (drift current: Jdr) และมีคาเทากับ J dr = qF (1 − R ) exp( −αx j )[1 − exp( −αw )]

โดยที่

w คือ

ความหนาของชั้นปลอดพาหะและมีคาเทากับ ⎡ 2ε Na + Nd s w=⎢ (Vd − V ) ⎢⎣ q Na Nd

โดยที่

εs

(1.22)

: Na , Nd : Vd : V :

⎤ ⎥ ⎥⎦

1/ 2

(1.23)

คาคงตัวไดอิเล็กทริกของสารกึ่งตัวนํา ความหนาแนนของแอกเซ็ปเตอรและโดเนอรตามลําดับ แรงดันไฟฟาภายในที่เกิดจากรอยตอ p-n แรงดันไฟฟาไบแอส (ถามี)

ทั้งหมดนี้เราสรุปไดวา กระแสไฟฟาโฟโตลัดวงจรที่ผลิตได ณ ความยาวคลื่นแสงใดๆ รอยตอ p-n จะเปนผลรวมของกระแสไฟฟาตางๆ ดังนี้ J sc ( λ ) = J h ( λ ) + J e ( λ ) + J dr ( λ )

(Jsc (λ))

ใน

(1.24)

ηin

และ ηext สามารถคํานวณไดจากสมการที่ (1.1) และ (1.2) การคํานวณที่กลาวมาทั้งหมดใชใน กรณีแสงอาทิตยสองเขาทางดานชั้น n ของเซลลแสงอาทิตย ถาแสงสองเขาทางดานชั้น p ก็คํานวณไดทํานอง เดียวกัน เพียงแตเปลี่ยนตัวอักษรหอยในสมการตางๆ ที่กลาวมาแลว รูปที่ 1.4 แสดงตัวอยางผลการคํานวณประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยชนิด Si รอยตอ p-n [2]

รูปที่ 1.4 ผลการคํานวณประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยชนิด Si รอยตอ p-n [2]

1-8

ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสรางชอตตกีแบรเรียร MIS

และ

รูปที่ 1.5 (ก) และ (ข) แสดงโครงสรางและแผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยที่มี โครงสรางชอตตกีแบรเรียร (Schottky barrier) และ MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) ตามลําดับ ใน เซลลแสงอาทิตยทั้ง 2 ชนิดนี้ แสงอาทิตยสองเขาทางดานชั้นโลหะบางๆ และทะลุผานเขาสูชั้นสารกึ่งตัวนํา ดังนั้นพาหะที่ถูกแสงกระตุนจึงเกิดขึ้นในบริเวณชั้นปลอดพาหะและชั้นสารกึ่งตัวนํา กระแสไฟฟาโฟโตที่ผลิตในชั้นปลอดพาหะ จะมีคาเหมือนสมการที่ (1.22) คือ J dr = qT ( λ ) F ( λ )[1 − exp( − αw)]

โดยที่

(1.25)

T (λ) : w

สัมประสิทธิ์การทะลุผานของแสงในชั้นโลหะหรือชั้นโลหะ/ฉนวน : ความหนาของชั้นปลอดพาหะ และมีคาเทากับ ⎤ ⎡ 2ε s w=⎢ (Vd − V ) ⎥ ⎥⎦ ⎢⎣ qN d

1/ 2

(1.26)

สารกึ่งตัวนําที่อยูในชั้นถัดไป จะผลิตกระแสไฟฟาโฟโตของโฮลซึ่งมีคา

รูปที่ 1.5

โครงสรางและแผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสราง (ก) ชอตตกีแบรเรียร และ (ข) MIS (Metal-Insulator-Semiconductor)

⎛ qFαL ⎞ h ⎟⎟T ( λ) exp( −αw) J h = ⎜⎜ L + α ⎝ h 1⎠

ทั้งนี้สมมติใหวา αLh >>1 ดังนั้นผลรวมของกระแสไฟฟาลัดวงจร Jsc (λ) จึงมีคาเทากับ

1-9

(1.27)

J sc ( λ) = J dr ( λ) + J h ( λ) = T ( λ) qF ( λ)[1 − exp( −αw) + exp( −αw)

αLh αL h + 1

]

(1.28)

ดังนั้น ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะ ηin (λ) จึงมีคาดังนี้ η in ( λ) =

J sc ( λ) qF ( λ) T ( λ)

(1.29)

รูปที่ 1.6 แสดงผลการคํานวณประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะ (ηin) ของเซลลแสงอาทิตยที่มี โครง สรางชอตตกีแบรเรียร จะเห็นไดวาผลกระทบจากการรวมตัวของพาหะที่บริเวณผิวดานหนามีนอย ดังนั้น ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะ (ηin) ของเซลลแสงอาทิตยชนิดชอตตกีแบรเรียรจึงมีคามากกวากรณีของเซลล แสงอาทิตยชนิดรอยตอ p-n [2]

รูปที่ 1.6

ผลการคํานวณประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสราง ชอตตกีแบรเรียร

ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโร เซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอเฮเทโร (heterojunction solar cell) ไดแก เซลลแสงอาทิตยซึ่ง ประกอบดวยสารกึ่งตัวนําที่มีชองวางพลังงานไมเทากันมาประกอบกันเปนรอยตอ p-n รูปที่ 1.7 แสดง ตัวอยางโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยซึ่งชองวางพลังงานของชั้น n กวางกวาชั้น p และแสงอาทิตยตกกระทบ ดานชั้น n ในเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้ พาหะที่ถูกผลิตในชั้นลึกคือชั้น p จะมีอิทธิพลตอประสิทธิภาพของเซลล แสงอาทิตยมาก ถาแผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยมีลักษณะดังที่แสดงในรูปที่ 1.7 กระแสไฟฟาของอิเล็กตรอนที่ผลิตในชั้น p จะคํานวณไดจากสมการที่ (1.6), (1.7), (1.19) และ (1.20) โดยพิจารณาวาแสงบางสวนถูกดูดกลืนในชั้น n จึงไดวา J e (λ ) =

qF ( λ ) exp[ −α1 ( x i + w1 )] exp( −α 2 w 2 )α 2 Le 2 (1 − R )

α 22 Le 22 − 1

1-10

S e Le 2 H′ H′ (cosh − exp( −αH ′ )) + sinh + α 2 Le 2 exp( −αH ′ ) Le 2 De 2 Le 2 ×[α 2 Le 2 − ] Se Le 2 H′ H′ sinh + cosh De 2 Le 2 Le 2

(1.30)

ในที่นี้ ชั้นปลอดพาหะที่บริเวณรอยตอ p-n ถูกแบงเปนยาน w1 และ w2 และตัวเลขหอย 1 และ 2 หมายถึงปริมาณที่เกี่ยวของกับยานที่ 1 และ 2 ตามลําดับ สําหรับคากระแสไฟฟาของโฮลที่ถูกผลิตในชั้น n เหมือนกับสมการที่ (1.18) เชนเดิม สําหรับคากระแสไฟฟาพัดพา Jdr (λ) จะมีคาเทากับ Jw1 + Jw2 โดยที่ Jw1 มีรูปเหมือนสมการที่ (1.22) และ Jw 2 ก็มีรูปเหมือนสมการที่ (1.22) เชนกัน โดยแทนคา xj + w1 แทน xj

รูปที่ 1.7

รูปที่ 1.8

โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยที่ชั้น n มีชองวางพลังงานกวางกวาชั้น p และ แสงอาทิตยตกกระทบดานชั้น n

ตัวอยางผลการคํานวณประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโร ของ GaP-Si [2]

รูปที่ 1.8 แสดงตัวอยางผลการคํานวณคาประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยรอยตอ เฮเทโรของ GaP-Si [2]

1-11

1.3.2 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย พารามิเตอรที่สําคัญที่ใชอธิบายลักษณะสมบัติเอาตพุต (output characteristics) ของเซลลแสงอาทิตย มีดังนี้ 1) ประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (Energy conversion efficiency) คืออัตราสวนของกําลังไฟฟา เอาตพุตสูงสุดตอพลังงานของแสงที่ตกกระทบเซลลแสงอาทิตย อาจเรียกสั้นๆ วาประสิทธิภาพของเซลล แสงอาทิตยและใชสัญลักษณวา η เขียนเปนสูตรไดวา ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย = กําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด × 100% พื้นที่รับแสง × กําลังของแสงที่ตกกระทบเซลล η

=

Pmax (W ) Area (m 2 ) × Pin (W )

× 100%

(1.31)

2) กระแสไฟฟาลัดวงจร (Short Circuit Current) ถาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยอยูในสภาพลัดวงจร เราเรียกกระแสไฟฟาที่ไหลในวงจรวา กระแสไฟฟาลัดวงจร (short circuit current: Isc) รูปที่ 1.9 แสดงวงจรสมมูลของเซลลแสงอาทิตยทั่วไป ถาเซลลแสงอาทิตยไมถูกสองดวยแสง ความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟามืด I และแรงดันไฟฟา V ของเซลลแสงอาทิตยในสภาพมืดจะมีรูป เหมือนกับสมการของกระแสไฟฟาของไดโอด กลาวคือ I = I 0 [ exp(qV / nkT ) − 1]

โดยที่

⎛D p De n p h n I 0 = qA⎜⎜ + Le ⎝ Lh

⎞ ⎟⎟ ⎠

(1.32)

เรียกวา กระแสไฟฟายอนอิ่มตัว และ n คือคาแฟกเตอรอุดมคติของไดโอด

ดังนั้นกระแสไฟฟา Iout ที่ไหลออกสูวงจรภายนอกจะเทากับผลตางระหวางกระแสไฟฟามืด I และ กระแสไฟฟาโฟโต Iph (=Isc) ดังนี้ I out = I − I ph

(1.33)

ในที่นี้ Iph (=Isc) คํานวณไดจากสมการที่ (1.2) และถาให

A คือพื้นที่รับแสง

∫o

∞

I sc = qA F ( λ)η ext ( λ) dλ

จะไดวา (1.34)

ถาพิจารณาความตานทานภายในของเซลลแสงอาทิตยซึ่งไดแก ความตานทานอนุกรม Rs และความ ตานทานชันต Rsh ดวย จะทําใหกระแสไฟฟาเอาตพุต Iout มีคาดังนี้ ⎧ ⎡ q (V − IRs ) ⎤ ⎫ V − IRs I out = I 0 ⎨exp⎢ − 1⎬ + − I ph ⎣ nkT ⎥⎦ ⎭ Rsh ⎩

1-12

(1.33’)

รูปที่ 1.9 วงจรสมมูลของเซลลแสงอาทิตยทั่วไป 3) แรงดันไฟฟาวงจรเปด (Open Circuit Voltage) ถาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยอยูในสภาพวงจรเปด (open circuit) แรงดันไฟฟาที่วัดไดเรียกวา แรงดันไฟฟาวงจรเปด (open circuit voltage: Voc) คา Voc คํานวณไดจากสมการที่ (1.33) โดยแทนคา Iout = 0 ดังนั้นจึงไดวา Voc =

nkT q

⎛ I sc

⎞ + 1⎟ ⎝ I0 ⎠

ln⎜

(1.35)

รูปที่ 1.10 แสดงตัวอยางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย จุดที่กราฟตัดแกน แรงดันไฟฟาคือแรงดันไฟฟาวงจรเปด จุดที่กราฟตัดแกนกระแสไฟฟาคือกระแสไฟฟาลัดวงจร ในการใชงาน เซลล-แสงอาทิตย กําลังไฟฟาสูงสุด Pmax (maximum power) ที่เราจะไดจากเซลลแสงอาทิตยจะเทากับพื้นที่ สี่เหลี่ยมผืนผาที่ใหญที่สุดภายในกราฟลักษณะสมบัตินี้ซึ่งแสดงดวยเสนไขปลาในรูปที่ 1.10 ถาให Vmax (maximum voltage) และ Imax (maximum current) คือแรงดันไฟฟาสูงสุดและกระแสไฟฟาสูงสุดตามลําดับที่ จะใหกําลังไฟฟาสูงสุด ดังนั้น Pmax = Vmax × Imax

เราสามารถคํานวณหาคา ∂Pmax ∂Vmax

=0

Vmax

ไดดวยการหาคาอนุพันธของ

(1.36) Pmax

เทียบกับ

ผลลัพธคือ

รูปที่ 1.10 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยทั่วไป

1-13

Vmax

และกําหนดให

exp(

qVmax nkT

ดวยวิธีการคํานวณในทํานองเดียวกัน

)(1 +

qVmax nkT

)=(

I sc I0

+ 1)

(1.37)

Imax จะมีคาเทากับ

I max =

( I sc + I 0 ) 1+

qVmax

nkT qVmax

(1.37’)

nkT

สมการที่ (1.37) และ (1.37’) ชี้ใหเราทราบวา Pmax จะมีคามากเมื่อ I0 มีคานอย (นั่นก็คือ ชองวาง พลังงานของสารกึ่งตัวนําควรมีคากวางพอสมควร) และ n มีคานอย 4) ฟลลแฟกเตอร (Fill Factor) เอาตพุตพารามิเตอรที่สําคัญอีกตัวหนึ่งคือ ฟลลแฟกเตอร (fill factor) เขียนยอวา FF นิยามของ FF คืออัตราสวนของพื้นที่ของ Vmax × Imax ตอพื้นที่ของ Voc × Isc และเขียนเปนสูตรไดวา FF =

=

Pmax Voc × I sc

V max Voc

[1 −

=

V max × I max

(1.38)

Voc × I sc

exp( qV max / nkT − 1 exp( qVoc / nkT ) − 1

]

(1.39)

ถาความตานทานอนุกรม Rs ในเซลลแสงอาทิตยมีคานอย จะทําใหฟลลแฟกเตอร FF มีคามาก ถาเราทราบคาพารามิเตอรตางๆ ดังกลาวขางตน เราจะสามารถคํานวณคาประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยไดดังนี้ η =

Pmax V m ax × I m ax V oc × I sc × FF × 100% = = × 100% Pin Pin Pin

(1.40)

∞

∫ F ( λ)η ext ( λ)dλ 0

= FF × (nkT / q ) ln[ I sc / I 0 ) + 1] × q × ∞

∫ F ( λ)(hc / λ)dλ

(1.41)

0

ในปจจุบัน คาประมาณ 12~19% สูญเสีย

ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกซิลิคอนที่ผลิตในภาคอุตสาหกรรมมี พลังงานแสงที่ตกกระทบเซลลแสงอาทิตยบางสวนถูกนําไปใชประโยฃน บางสวน

1-14

รูปที่ 1.11 แผนภูมิการสูญเสียพลังงานในเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน ไมไดใชเปนประโยชน เชน แสงบางสวนสะทอนกลับ รูปที่ 1.11 แสดงแผนภูมิการสูญเสียพลังงานในเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนทั่วไป เนื่องจากผลึกเดี่ยวซิลิคอนมีชองวางพลังงานเทากับ 1.1 eV ดังนั้น แสงที่มีพลังงานโฟตอนมากกวา 1.1 eV จึงจะถูกดูดกลืนและเกิดการผลิตคูของอิเล็กตรอนและโฮล ผลการ คํานวณประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนคือ 25 %

ตัวอยางที่ 1 เซลลแสงอาทิตยชนิด Si รอยตอ p-n มีพื้นที่ 4 cm2 และมีพารามิเตอรตอไปนี้ ความเขมขนของสารเจือปนในชั้น n Nd = 1018 cm-3 ความเขมขนของสารเจือปนในชั้น p Na = 3 × 1017 cm-3 สัมประสิทธิ์การแพรซึมของอิเล็กตรอน De = 15 cm2/sec สัมประสิทธิ์การแพรซึมของโฮล Dh = 7.5 cm2/sec เวลาอายุพาหะขางนอยชนิดอิเล็กตรอน τe = 10-7 sec -7 เวลาอายุพาหะขางนอยชนิดโฮล τh = 10 sec กระแสไฟฟาเอาตพุตลัดวงจร Jsc = 1.0 A แฟกเตอรอุดมคติของไดโอด n = 1.25 จงหาคาแรงดันไฟฟาวงจรเปดโดยใชพารามิเตอรขางตน และถาใหฟลลแฟกเตอรเทากับ 0.75 จง หาคากําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด

(ที่ 300 K)

วิธีทํา

⎛D p De n p h n I 0 = eA ⎜⎜ + Le ⎝ Lh

(

= 1.6 × 10 = 6.3 × 10 Voc =

n kBT e

−19

−12

)(

C 4 cm

2

⎞ ⎟⎟ ⎠

)

(

)(

) (

)(

2 2 −3 ⎛ 7.5cm 2 / s 2.25 × 10 2 cm −3 15 cm s 7.5 × 10 cm ×⎜ + −3 −3 ⎜ 2.73 × 10 cm 1.22 × 10 cm ⎝

(

)

(

A

⎛I ⎞ ⎞ ⎛ 1.0 sc ln ⎜⎜ + 1⎟⎟ = ( 1.25) ( 0.026V ) ln ⎜ + 1⎟ = 0.84 V −12 ⎠ ⎝ 6.3 × 10 ⎝ I0 ⎠

Pmax = I sc × Voc × FF = ( 1.0 A) ( 0.84V ) ( 0.75) = 0.63 W

1-15

)

) ⎞⎟ ⎟ ⎠

ตัวอยางที่ 2 เซลลแสงอาทิตยมีลักษณะเปนแผนวงกลมรัศมี

r

= 6 cm มีพารามิเตอรตอไปนี้ I0 = 10 A, Isc = 3.0 A, Voc = 0.7 V, Vmax = 0.55 V, Imax = 2.85 A, วัดที่กําลังแสงอินพุต = 100 mW/cm2 จงหาคาฟลลแฟกเตอรและประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย -12

A = π r = 113 cm 2

วิธีทํา พื้นที่รับแสงอาทิตย

FF =

ฟลลแฟกเตอร

V max × I max

2

=

Voc × I sc

0.55V × 2.85 A 0.7V × 3.0 A

= 74%

ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย η= η=

หรือ

Pmax Pin

=

0.55V × 2.85 A 2

113cm × 0.1W / cm

Voc × I sc × FF

=

Pin

2

= 13.8%

0.7V × 3.0 A × 0.74 2

113cm × 0.1W / cm

2

= 13.8%

ตัวอยางที่ 3 เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยว Si มีพื้นที่ 113 cm2 ประสิทธิภาพ

η

= 15.0 % วัดที่ความเขมแสงอาทิตย 100 mW/cm จงคํานวณวาเซลลแสงอาทิตยนี้จะใหกําลังไฟฟาสูงสุดเทาไร 2

วิธีทํา

η ∴ Pmax

=

p max Pin

= η × Pin = 0.15 × 113cm × 0.1W / cm = 1.67 W 2

2

1.3.3 ทฤษฎีเกี่ยวกับเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโร รอยตอที่เกิดจากการนําสารกึ่งตัวนําตางชนิดกันมาตอกันเรียกวา รอยตอเฮเทโร (heterojunction) และถาสารกึ่งตัวนําทั้งสองชนิดนั้นมีพาหะชนิดเดียวกัน เชน รอยตอ n-n และ p-p เรียกวา รอยตอชนิดไอโซ

รูปที่ 1.12

แผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยรอยตอของ p-Ga1-xAlxAs/p-GaAs/n-GaAs

(isotype junction) ถาสารกึ่งตัวนําทั้งสองชนิดนั้นมีพาหะตางชนิดกัน เชน รอยตอ p-n และ รอยตอ n-p เรียกวา รอยตอชนิดแอนไอโซ (anisotype junction)

1-16

รอยตอชนิดไอโซมีความสําคัญตอเซลลแสงอาทิตยชนิดเฮเทโรมาก รูปที่ 1.12 แสดงตัวอยาง แผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยรอยตอของ p-Ga1-xAlxAs/p-GaAs/n-GaAs ถาไมมีชั้น หนาตางของ p-Ga1-xAlxAs ในเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้ อัตราการรวมตัวของอิเล็กตรอนที่ผิวของ p-GaAs จะ สูงมากกวา 106 cm/s ทําใหอิเล็กตรอนที่เกิดจากแสงจํานวนมากสูญเสียดวยการรวมตัวที่ผิวของ p-GaAs และไมสามารถไหลไปสูชั้น n-GaAs หรือออกสูวงจรภายนอกได แตถาเราปลูกชั้น p-Ga1-xAlxAs ทับชั้น p-GaAs จะทําใหอัตราการรวมตัวของอิเล็กตรอนที่ผิวของ p-GaAs ลดลงต่ํากวา 104 cm/s และชั้น p-Ga1-xAlxAs ยังชวยทําใหเกิดกําแพงศักยสะทอน (ΔEc) และทําให อิเล็กตรอนไหลไปทางชั้น n-GaAs ไดมากขึ้นอีกดวย ดังนั้นประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะจึงมีคาสูงขึ้น คา คงตัวแลตทิซ (lattice constant) ของ p-GaAlAs มีคาใกลเคียงกับ p- หรือ n-GaAs มากดังแสดงในตารางที่ 1.1

ตารางที่ 1.1 ความไมเขาคูของแลตทิซและความไมตอเนื่องของแถบพลังงานของสารกึ่งตัวนําที่ใช ประดิษฐเปนเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโรชนิดแอนไอโซ สารกึ่งตัวนํา

ความไมเขาคูของแลตทิซ ความไมตอเนื่องของ (%) แถบพลังงาน p-Ga0.4Al0.6As/n-GaAs 0.08 ΔEv ≈ 0 eV n-CdS/p-InP 0.9 ΔEc ≈ 0.12 eV n-CdS/p-CdTe 9.7 ΔEc ≈ 0.22 eV n-CdS/p-Cu2S 4.6 ΔEc ≈ 0.2 eV ชองวางพลังงานของ Ga1-xAlxAs จะขึ้นอยูกับอัตราสวนผสมของ Al เชน ถา x = 0.7 ชองวาง พลังงานจะมีคาประมาณ 2.5 eV ซึ่งแสงผานไดดี ดังนั้นถาเพิ่มความหนาใหเปนประมาณ 10 μm จะชวยลด ความตานทานแผน (sheet resistance) ของชั้น Ga1-xAlxAs ลงได เซลลแสงอาทิตยชนิดแอนไอโซ (anisotype) ไดแกเซลลแสงอาทิตยที่ประกอบดวยสารกึ่งตัวนําชนิด n (หรือ p) เปนตัวดูดกลืนแสง โดยมีสารกึ่งตัวนําชนิด p (หรือ n) ที่มีชองวางพลังงานกวางกวาเคลือบอยู ดานหนา ตารางที่ 1.1 แสดงตัวอยางเซลลแสงอาทิตยชนิดแอนไอโซที่ประกอบดวยสารกึ่งตัวนําชนิดตางๆ ใน ตารางนี้ไดแสดงคาความไมเขาคูของแลตทิซ (lattice mismatch) และความไมตอเนื่องของแถบพลังงาน (band discontinuity) ไวดวย นิยามของ “ความไมเขาคูของแลตทิซ” คือ คาความแตกตางของคาคงตัวแลตทิซของ สารกึ่งตัวนํา 2 ชนิดที่นํามาตอกัน [3] ในเซลลแสงอาทิตยชนิดแอนไอโซ แสงอาทิตยสามารถทะลุผานชั้นสารกึ่งตัวนําที่มีชองวางพลังงาน ดานหนาที่กวาง (เรียกวา ชั้นหนาตาง) ไดโดยถูกดูดกลืนนอยมาก แสงที่เล็ดลอดผานชั้นหนาตางไปได จะถูกดูดกลืนในชั้นถัดไปซึ่งคูของอิเล็กตรอนและโฮลจะถูกผลิต ในชั้นนี้ ผลตอบสนองแสงของเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้จะมีคาสูงในชวงพลังงานโฟตอนที่ครอบคลุมชองวาง พลังงานของสารกึ่งตัวนําทั้ง 2 ชั้นนี้ ความตานทานแผน (sheet resistance) ของชั้นหนาตางสามารถลดลงได โดยการปลูกชั้นหนาตางใหหนา ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้สูงมาก และชั้นหนาตางนี้ยังชวยทํา หนาที่เปนชั้นปองกันรังสีตางๆ ได จึงนิยมใชในงานดานอวกาศ เชน ใชเปนแหลงกําเนิดพลังงานไฟฟาของ อุปกรณตางๆ ในดาวเทียม ในการออกแบบเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอแอนไอโซเฮเทโร (anisotype heterojunction) สิ่งที่ สําคัญอันดับแรกไดแก การเลือกขนาดชองวางพลังงานของสารกึ่งตัวนําทั้ง 2 ชั้นใหมีผลตอบสนองทางแสง ใกลเคียงกับสเปกตรัมของแสงอาทิตยใหมากที่สุด

1-17

โฟตอนฟลักซ (photon flux) Φ( x ) ตอหนวยเวลาตอพื้นที่ในสารกึ่งตัวนําชั้นที่ 2 ณ จุดที่มีระยะหาง จากรอยตอเชื่อมเฮเทโร (heterointerface) เทากับ x มีคาเทากับ Φ( x ) = Φ0 exp(−α 2 x ) exp(−α 1 x j )

โดยที่

Φ0

α1, α2, xj

(1.42)

: โฟตอนฟลักซที่ตกกระทบผิวเซลลแสงอาทิตย : สัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสง ณ ความยาวคลื่น λ ของสารกึ่งตัวนําชั้นที่หนึ่งและชั้นที่ สอง : ความหนาของสารกึ่งตัวนําชั้นหนาตาง

ถาใหประสิทธิภาพควอนตัม (quantum efficiency) ในการผลิตคูอิเล็กตรอนและโฮลเทากับ 1 จํานวนคูของอิเล็กตรอนและโฮลที่ถูกผลิต ณ ตําแหนง x จะมีคาเทากับ G( x) = −

dΦ dx

(1.43)

ดังนั้นกระแสไฟฟาโฟโตลัดวงจรจึงแสดงไดวา ∞

J = q ∫ G exp( − 0

x L

) dx

α2L = qΦ 0 exp( −α 1 x j ) 1 + α2L

(1.44)

โดยที่ L คือ ระยะทางแพรซึม (diffusion length) ของพาหะขางนอยในสารกึ่งตัวนําชั้นที่สอง ในการคํานวณขางตนเราสมมติวา กระแสไฟฟาโฟโตไมไดผลิตในชั้นหนาตาง รูปที่ 1.13 แสดง ตัวอยางสเปกตรัมผลตอบสนองของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโรชนิด n-CdS/p-InP ในชวงโฟตอนที่มีคา ระหวาง Eg1 และ Eg2 ผลตอบสนองลดนอยลงเมื่อความยาวคลื่นแสงยาวขึ้น ทั้งนี้เพราะเมื่อความยาวคลื่น แสงยาวขึ้น คา α2 จะลดลง และเมื่อ α2 มีคาลดลง จากสมการที่ (1.43) คา J ก็จะลดลงดวย แตสําหรับกรณี รอยตอ p-n ชนิดโฮโม สเปกตรัมชวงที่ความยาวคลื่นแสงยาว ผลตอบสนองจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นผลตอบสนอง ในชวงความยาวคลื่นสั้นของรอยตอเฮเทโรจึงดีกวากรณีรอยตอโฮโม [4] ในการพิจารณาขางตนทั้งหมดเราไดสมมติวา สารกึ่งตัวนําชั้นที่ 2 มีความหนามากเปนอนันตและ ความหนาของชั้นปลอดพาหะมีคานอยกวาระยะทางแพรซึมของพาหะนอย ขอสมมตินี้ไมสามารถใชไดกับ เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีหรืออะมอรฟสซึ่งมีคาระยะทางแพรซึมของพาหะสั้นมาก รูปที่ 1.14 แสดงแผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอแอนไอโซเฮเทโร (anisotype heterojunction) ของ n-CdS/p-InP Anderson ไดพบวาความไมตอเนื่องของแถบพลังงาน (band discontinuity) ของแถบคอนดักชัน ΔEc และของแถบเวเลนซ ΔEv แสดงไดดังนี้ [5] ΔE c = χ1 − χ 2

(1.45)

ΔE v = E g1 − E g 2 − ΔE c

(1.46)

1-18

โดยที่

χ1

และ χ2 คืออิเล็กตรอนแอฟฟนิตี (electron affinity) ของ n-CdS และ p-InP ตามลําดับ

ในรูปนี้ ΔEc มีคาเปนบวก ดังนั้นอิเล็กตรอนที่ถูกผลิตในชั้น p-InP สามารถไหลลงสูชั้น n-CdS ได เปนผลใหเกิดกระแสไฟฟาโฟโตได แตถา ΔEc ≤ -kT จะเกิดยอดแหลม (spike) ขึ้นที่รอยตอของ แถบ คอนดักชัน ทําใหอิเล็กตรอนถูกกักไมใหเคลื่อนที่ซึ่งจะสงผลทําใหกระแสไฟฟาโฟโตมีคาลดนอยลง ในทํานองเดียวกัน ในรอยตอ p-n แบบเฮเทโร ถา ΔEv ≤ -kT ก็จะเกิดยอดแหลมขึ้นที่รอยตอของ แถบเวเลนซ ทําใหโฮลที่ถูกผลิตในชั้นที่ 2 (n) ถูกกักไมใหเคลื่อนที่

รูปที่ 1.13 สเปกตรัมผลตอบสนองของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโรชนิด n-CdS/p-InP

รูปที่ 1.14 แผนภาพของแถบพลังงานของของเซลลแสงอาทิตยชนิดแอนไอโซเฮเทโรของ n-Cds-pInP อยางไรก็ตามตองระวังอีกดวยวา ในเซลลแสงอาทิตยรอยตอ n-p ถา ΔEc มีคามากกวา kT มาก หรือในเซลลแสงอาทิตยรอยตอ p-n ถา ΔEv มีคามากกวา kT มาก จะทําใหแรงดันไฟฟาภายใน VB ลดลง ตามสูตรดังนี้ [5]

โดยที่

δ1

V B = − ΔE c + E g 2 − δ 1 − δ 2

กรณีรอยตอ n-p

(1.47)

V B = − ΔE v + E g 2 − δ 1 − δ 2

กรณีรอยตอ p-n

(1.48)

: ความแตกตางของระดับพลังงานของแถบคอนดักชันและระดับพลังงานเฟรมีของสารกึ่งตัวนํา

1-19

ชนิด n (ชั้นที่ 1) δ2 : ความแตกตางของระดับพลังงานของแถบเวเลนซและระดับพลังงานเฟรมีของสารกึ่งตัวนํา ชนิด p (ชั้นที่ 2) โดยสรุปแลว ในเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอเฮเทโรนั้น ΔEc และ ΔEv ควรมีคาดังนี้ ΔE c ≤ kT

กรณีรอยตอ n-p

(1.49)

ΔE v ≤ kT

กรณีรอยตอ p-n

(1.50)

ตารางที่ 1.1 แสดงคา ΔEc , ΔEv ของรอยตอชนิดตางๆ [6-7] ลักษณะความสัมพันธระหวางแรงดันและกระแสไฟฟาของรอยตอเฮเทโรในที่มืดมีอิทธิพลตอคา Voc และ FF ของเซลลแสงอาทิตยมาก ตอไปจะอธิบายยอๆ เกี่ยวกับกระบวนการขนสงพาหะในรอยตอเฮเทโร ซึ่งมีดวยกันหลายชนิด เชน กระบวนการขนสงโดยอาศัยความรอนชวย กระบวนการรวมตัวของพาหะในชั้น ปลอดพาหะ และกระบวนการทะลุอุโมงค (tunneling) ผานกําแพงศักย ในเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโรซึ่งแถบพลังงานไมมียอดแหลมดังที่แสดงในรูปที่ 1.14 นั้น อิเล็กตรอนจะเปนพาหะสวนใหญที่กอใหเกิดกระแสไฟฟา ทั้งนี้เพราะวากําแพงศักย (barrier) ของอิเล็กตรอน นั้นต่ํากวากําแพงศักยของโฮลมาก ถากระแสรวมตัว (recombination current) ในยานปลอดพาหะมีคานอย มาก กระแสไฟฟามืดจะแสดงไดวา J D = qXN d 1

โดยที่

X Nd1 V De2, τe2

: : : :

De 2

τ e2

exp[ −

q( E g2 − δ 1 − δ 2 ) kT

] ×[exp(

qV kT

) − 1]

(1.51)

สัมประสิทธิ์ซึ่งแสดงความสามารถในการทะลุผานรอยตอของอิเล็กตรอน ความหนาแนนของโดเนอรในสารกึ่งตัวนําชนิด n (ชั้นที่ 1) แรงดันไฟฟาที่ปอนใหเซลลแสงอาทิตยแบบไบแอสตาม สัมประสิทธิ์การแพรซึมและอายุของอิเล็กตรอนตามลําดับในสารกึ่งตัวนําชนิด p (ชั้นที่ 2)

สมการที่ (1.51) นี้มีรูปเดียวกับลักษณะความสัมพันธของกระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาในเซลลแสงอาทิตยรอยตอ n-p แบบโฮโมซึ่งความหนาแนนของโดเนอรสูงกวาความหนาแนนของแอกเซ็ปเตอร ผลการทดลองจริงของเซลลแสงอาทิตยรอยตอ p-Ga1-xAlxAs/n-GaAs ไดพิสูจนวาสมการที่ (1.51) เปน ความจริง [8] ถากระแสรวมตัวของพาหะในชั้นปลอดพาหะมีคามาก ความสัมพันธของ J-V จะมีรูปเหมือนในเซลล แสงอาทิตยรอยตอ p-n แบบโฮโมคือ

⎡ ⎛ qV ⎞ ⎤ J D = J 0 ⎢ exp⎜ ⎟ − 1⎥ ⎣ ⎝ nkT ⎠ ⎦

โดยที่

(1.52)

J0 : กระแสไฟฟายอนอิ่มตัวซึ่งจะมีคาเพิ่มขึ้นถาอุณหภูมิสูงขึ้นและจํานวนแก็ปสเตต (gap states) ในชั้นปลอดพาหะมีคามากขึ้น

1-20

n

: มีคาอยูระหวาง 1 และ 2

สมการที่ (1.52) ใชไดกับเซลลแสงอาทิตยชนิด n-GaAs/p-Ge และ n-CdS/ p-InP [9] แต ไม สามารถใชกับเซลลแสงอาทิตยชนิด p-GaAs/n-Ge ซึ่งมีลักษณะของแถบพลังงานที่แตกตางไปจากชนิดแรก ดังที่แสดงในรูปที่ 1.15 จะสังเกตเห็นไดวาบริเวณรอยตอของแถบเวเลนซมียอดแหลม (ΔEv= -0.69 eV) และเมื่อสังเกตกราฟ ln(J-V) จะพบวาความชันของกราฟจะไมลดลงแมอุณหภูมิจะสูงขึ้นซึ่งขัดแยงกับสมการ ที่ (1.52) ในเซลลแสงอาทิตยชนิด p-GaAs/n-Ge นี้ อิเล็กตรอนในแถบคอนดักชันของ n-Ge จะตกลงไป ในแก็ปสเตต (gap states) ซึ่งมีอยูจํานวนมากที่รอยเชื่อมตอ (interface) ในแถบพลังงานตองหาม ตอจากนั้น อิเล็กตรอนจึงจะทะลุอุโมงค (tunnel) เขาไปในแถบเวเลนซของ p-GaAs ซึ่งแสดงดวยเสนทางสาย A การ ขนสงของอิเล็กตรอนเชนนี้ทําให J-V มีความสัมพันธดังนี้ J b = B exp[−α (V B − V )]

โดยที่

B VB

: คาคงตัว : ศักยไฟฟาภายใน (built-in potential) ที่เกิดขึ้นในรอยตอ และ α=

โดยที่

(1.53)

4 ⎛ m *ε 1 ⎞ ⎜ ⎟ 3h ⎝ N A1 ⎠

1/ 2

: คาคงตัวของพลังคซึ่งหารดวย 2π แลว NA1 : ความหนาแนนของแอกเซ็ปเตอรใน p-GaAs h

(1.54) m*

ε1

: มวลประสิทธิผลของอิเล็กตรอน : คาคงตัวไดอิเล็กทริก

รูปที่ 1.15 แผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชนิด p-GaAs/n-Ge

1-21

รูปที่ 1.16 ตัวอยางความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาและแรงดันของรอยตอชนิด p-Si1-xGex/n-Si การขนสงของอิเล็กตรอนอาจเปนไปในลักษณะเสนทาง B และ C ในรูปที่ 1.15 ก็ไดซึ่งก็จะใหผล เหมือนสมการที่ (1.53) ในกรณีเสนทาง B เริ่มแรกอิเล็กตรอนจะทะลุอุโมงคเขาไปในแถบพลังงานตองหาม แลวถูกจับดวยแก็ปสเตต ตอจากนั้นอิเล็กตรอนจะตกลงไปในแถบเวเลนซและไปรวมตัวกับโฮล สําหรับกรณี เสนทาง C อิเล็กตรอนจะทะลุอุโมงคไปสูแก็ปสเตตหลายครั้ง (เรียกวา multiple tunneling) กอนที่จะรวมตัว กับโฮล ในรอยตอชนิดแอนไอโซเฮเทโร (anisotype heterojunction) ถาคาคงตัวแลตทิซของสารกึ่งตัวนําทั้ง สองมีความแตกตางกันมาก จะทําใหจํานวนแก็ปสเตตที่บริเวณรอยเชื่อมตอเพิ่มขึ้นอีกเปนลําดับซึ่งจะเปนผล ทําใหกระแสรวมตัว (สมการที่ 1.52) และกระแสทะลุอุโมงค (tunneling current) มีอิทธิพลมากขึ้น รูปที่ 1.16 แสดงตัวอยางจริงของความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาและแรงดันของรอยตอชนิด p-Si1-xGex/ n-Si ในรูปนี้ เมื่อคา x เพิ่มมากขึ้น คาคงตัวแลตทิซของ Si1-xGex และ Si จะมีความแตกตางกันมากขึ้น ถาความ แตกตางของคาคงตัวแลตทิซ (m) มีคามากกวา 0.3% คากระแสไฟฟาอิ่มตัว J0 ในสมการที่ (1.52) จะมาก ขึ้น และเมื่อแรงดันไฟฟาสูงขึ้น กระแสไฟฟาจะไหลไมมากอีกตอไป ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยที่มี ลักษณะความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาเชนนี้จะลดลง [10]

1.3.4 ขีดจํากัดของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย ไดกลาวมาแลวในหัวขอที่ 1.2.2 แลววาลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยสามารถแสดงได ดวยพารามิเตอรที่สําคัญ 6 ชนิด คือ 1) กระแสไฟฟาลัดวงจร (Isc) 2) แรงดันไฟฟาวงจรเปด (Voc) 3) กระแสไฟฟาสูงสุด (Imax) 4) แรงดันไฟฟาสูงสุด (Vmax) 5) ฟลลแฟกเตอร (FF) และ 6) ประสิทธิภาพ (η) ในจํานวนพารามิเตอรเหลานี้ Isc และ Voc เปนพารามิเตอรที่สําคัญที่สุดในการกําหนดขีดจํากัดของ ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย ในหัวขอนี้เราจะวิเคราะหวาขีดจํากัดของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย เปนอยางไรบาง 1) กระแสไฟฟาลัดวงจร การคํานวณหาคากระแสไฟฟาสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยเปนสิ่งที่ไมยาก ในเงื่อนไขอุดมคติ เราอาจ สมมติใหวา เมื่อโฟตอนที่มีพลังงานมากกวาชองวางพลังงานของสารกึ่งตัวนําเดินทางเขาสูเซลลแสงอาทิตย โฟ ตอนทุกตัวจะสามารถกระตุนใหเกิดคูของอิเล็กตรอนและโฮล และอิเล็กตรอนทุกตัวสามารถไหลออกจากเซลล แสงอาทิตยไปสูวงจรภายนอกได การคํานวณคากระแสไฟฟาลัดวงจรเชนนี้ เราตองทราบโฟตอนฟลักซใน สเปกตรัมของแสงอาทิตย รูปที่ 1.17 และตารางที่ 1.2 แสดงสเปกตรัมและขอมูลแจกแจงความเขมของ พลังงานของแสงอาทิตยตามลําดับ จากรูปและตารางนี้ โฟตอนฟลักซคํานวณไดโดยการหารคาความเขมแสงใน ตารางดวยคาพลังงานโฟตอน (hc/λ) ณ ที่ความยาวคลื่นแสงนั้น ผลการคํานวณสเปกตรัมของโฟตอนฟลักซ ของแสงอาทิตยแสดงในรูปที่ 1.18 หนวยของโฟตอนฟลักซคือ cm-2/sec/μm จากรูปที่ 1.18 กระแสไฟฟาลัดวงจรสามารถคํานวณไดโดยการหาคาปริพันธของสเปกตรัมตั้งแต ความยาวคลื่นต่ําสุดไปจนถึงความยาวคลื่นแสงสูงสุดที่สารกึ่งตัวนําที่เราสนใจจะดูดกลืนแสงได ตัวอยางกรณี ของ Si ซึ่งมีชองวางพลังงานเทากับ 1.1 eV ดังนั้นจึงหาปริพันธจากความยาวคลื่น 1.13 μm ไปถึงประมาณ 0.2 μm รูปที่ 1.19 แสดงผลการคํานวณคากระแสไฟฟาลัดวงจรสูงสุดในอุดมคติที่สารกึ่งตัวนําจะสามารถ ผลิตได โดยที่แกนในแนวนอนคือชองวางพลังงานของสารกึ่งตัวนํา ตัวอยางในกรณีของเซลลแสงอาทิตยชนิด

1-22

Si จากรูปนี้ทําใหเราทราบวากระแสไฟฟาลัดวงจรสูงสุดมีคาประมาณ 35 mA/cm2 ที่แสงอาทิตย ความเขม

AM1.5 และถาสารกึ่งตัวนํามีชองวางพลังงานแคบ จะผลิตกระแสไฟฟาลัดวงจรไดมากขึ้น รูปที่ 1.17 สเปกตรัมแจกแจงความเขมของพลังงานของแสงอาทิตย

รูปที่ 1.18 สเปกตรัมของโฟตอนฟลักซของแสงอาทิตย

รูปที่ 1.19 ผลการคํานวณคากระแสไฟฟาลัดวงจรสูงที่สุดในอุดมคติที่สารกึ่งตัวนําจะสามารถผลิตได

1-23

ตารางที่ 1.2

ขอมูลสเปกตรัมของแสงอาทิตย ที่ Air Mass 1.5 (832 W/m2) หนวยของความเขมแสงคือ W/m2-μm

ความยาว คลื่น (μm)

ความเขม แสง

ความยาว คลื่น (μm)

ความเขม แสง

ความยาว คลื่น (μm)

ความเขม แสง

ความยาว คลื่น (μm)

ความเขม แสง

ความยาว คลื่น (μm)

0.295 0.305 0.315 0.325 0.335 0.345 0.355 0.365 0.375 0.385 0.395 0.405 0.415 0.425 0.435 0.445 0.455 0.465 0.475 0.485 0.495 0.505 0.515 0.525 0.535 0.545 0.555 0.565 0.575 0.585

0 1.32 20.96 113.48 182.23 234.43 286.01 355.88 386.80 381.78 492.18 751.72 822.45 842.26 890.55 1077.07 1162.43 1180.61 1212.72 1180.43 1253.83 1242.28 1211.01 1244.87 1299.51 1273.47 1276.14 1277.74 1292.51 1284.55

0.595 0.605 0.615 0.625 0.635 0.645 0.655 0.665 0.675 0.685 0.695 0.6983 0.700 0.710 0.720 0.7277 0.730 0.740 0.750 0.7621 0.770 0.780 0.790 0.800 0.8059 0.825 0.830 0.835 0.8465 0.860

1262.61 1261.79 1255.43 1240.19 1243.79 1233.96 1188.32 1228.40 1210.08 1200.72 1181.24 973.53 1173.31 1152.70 1133.83 974.30 1110.93 1086.44 1070.44 733.08 1036.01 1018.42 1003.58 988.11 860.28 932.74 923.87 914.95 407.11 857.46

0.870 0.875 0.8875 0.900 0.9075 0.915 0.925 0.930 0.940 0.950 0.955 0.965 0.975 0.985 1.018 1.082 1.094 1.098 1.101 1.128 1.131 1.137 1.144 1.147 1.178 1.189 1.193 1.222 1.236 1.264

843.02 835.10 817.12 807.83 793.87 778.97 217.12 163.72 249.12 231.30 255.61 279.69 529.64 496.64 585.03 486.20 448.74 486.72 500.57 100.86 116.87 108.68 155.44 139.19 374.29 383.37 424.85 382.57 383.81 323.88

1.276 1.288 1.314 1.335 1.384 1.432 1.457 1.472 1.542 1.572 1.599 1.608 1.626 1.644 1.650 1.676 1.732 1.782 1.862 1.955 2.008 2.014 2.057 2.124 2.156 2.201 2.266 2.320 2.338 2.356

344.11 345.69 284.24 175.28 2.42 30.06 67.14 59.89 240.85 226.14 220.46 211.76 211.26 201.85 199.68 180.50 161.59 136.65 2.01 39.43 72.58 80.01 72.57 70.29 64.76 68.29 62.52 57.03 53.57 50.01

2.388 2.415 2.453 2.494 2.537

1-24

ความเขม แสง 31.93 28.10 24.96 15.82 2.59

2) แรงดันไฟฟาวงจรเปด ขอจํากัดพื้นฐานที่เปนตัวกําหนดคาสูงสุดของแรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc ยังไมเปนที่ทราบชัดเจน อยางไรก็ตาม จากสมการที่ (1.35) เราเคยทราบแลววา แรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc มีคาเทากับ Vo c

=

⎞ ⎛I sc ln ⎜⎜ + 1⎟⎟ q ⎠ ⎝ I0

kT

(1.55)

โดยที่ I0 คือกระแสไฟฟายอนอิ่มตัว และมีคาเทากับ

I0

=

2 ⎛ D n2 D p ni n i ⎜ qA + ⎜L N ⎝ n A Lp N D

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

(1.56)

I0

ควรมีคาต่ําที่สุดจึงจะทําใหได Voc สูงสุด ในกรณีของเซลลแสงอาทิตยชนิด Si ผลการคํานวณคา สูงสุดของ Voc ไดผลประมาณ 700 mV และคาสูงสุดของฟลลแฟกเตอรไดประมาณ 0.84 ในสมการที่ (1.56) พาราเตอรที่สําคัญอีกตัวหนึ่งคือ ความหนาแนนของพาหะ (ni ) ในกรณีของสาร กึ่งตัวนําชนิดบริสุทธิ์ ni มีคาเทากับ 2

ni

=

⎛ Eg ⎞ ⎟ N C N V exp ⎜ − ⎝ kT⎠

(1.57)

จากสมการที่ (1.56) ผลการคํานวณความสัมพันธระหวาง I0 และ ชองวางพลังงาน Eg ที่พอจะเปนที่ ยอมรับกันมีคาดังนี้ [11] I0

⎛ Eg ⎞ 5 ⎟ = 15 . × 10 exp ⎜ − ⎝ kT⎠

A / cm

2

(1.58)

สมการที่ (1.55) และ (1.58) ชี้ใหเราทราบวาถาชองวางพลังงานมีคามาก จะทําให Voc มีคามาก ดวย ซึ่งผลการวิเคราะหนี้เปนสิ่งที่ตรงขามกับกรณีของ Isc (ถาชองวางพลังงานมีคามาก จะทําให Isc มีคา ลดลง) ผลการคํานวณความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยและชองวางพลังงานของ สารกึ่งตัวนําชนิดตางๆ แสดงในรูปที่ 1.20 จากรูปนี้เราไดขอมูลวา ที่แสงอาทิตย AM1.5 ประสิทธิภาพที่สูงที่สุดมีคา 29% จะไดจากสารกึ่งตัวนําที่มีชองวางพลังงาน ประมาณ 1.4 eV ถึง 1.6 eV ที่แสงอาทิตย AM0 ประสิทธิภาพที่สูงที่สุดมีคา 26% จะไดจากสารกึ่งตัวนําที่มีชองวางพลังงาน ประมาณ 1.4 eV ถึง 1.6 eV สารกึ่งตัวนําที่มีชองวางพลังงานในชวงนี้ไดแก GaAs แมวาชองวางพลังงานของ Si จะมีคาเพียง 1.1 eV แตประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด Si ที่ประดิษฐแลวในหองปฏิบัติการวิจัยมีคาสูงถึง 23% ซึ่ง เขาใกลคาในอุดมคติเขาไปเรื่อยๆ แลว [12] เหตุผลหนึ่งที่มีสวนทําใหประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยมีคานอยไดแก การที่เมื่อเกิดการ ดูดกลืนโฟตอนที่มีพลังงานโฟตอนมากกวาชองวางงาน คูของอิเล็กตรอนและโฮลที่ถูกกระตุนดวยพลังงานโฟ ตอนสูง

1-25

รูปที่ 1.20

รูปที่ 1.21

ผลการคํานวณความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยและ ชองวางพลังงานของสารกึ่งตัวนําชนิดตางๆ

การผอนคลายพลังงานความรอนของอิเล็กตรอนและโฮลในกรณีที่ดูดกลืนพลังงานแสง ที่มีพลังงานโฟตอนมากกวาชองวางพลังงานมาก

เชนนี้ จะมีระดับพลังงานที่สูงกวาขอบของแถบคอนดักชันและแถบเวเลนซมาก อิเล็กตรอนและโฮลจะผอน คลายพลังงานใหโฟนอนในรูปของความรอน และอิเล็กตรอนจะตกลงมาอยูที่ขอบของแถบพลังงานดังกลาว ดังแสดงในรูปที่ 1.21 และไมไดมีสวนรวมในการผลิตกระแสไฟฟา ปรากฏการณการผอนคลายโฟนอนนี้มี สวนในการจํากัดประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยไวถึง 44% [13] นอกจากนี้ แฟกเตอรอีกตัวหนึ่งที่กําหนดขีดจํากัดของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยไดแก แมวาอิเล็กตรอนจะถูกแสงกระตุนใหกระโดดขามชองวางพลังงานไปไดก็ตาม แตรอยตอ p-n นั้นจะให แรงดันไฟฟาที่มีคานอยกวาชองวางพลังงานมาก เชน กรณีของ Si อัตราสวนระหวาง Voc/Eg มีคาเทากับ 0.7/1.1 = 60% เทานั้น 3) อิทธิพลของอุณหภูมิ

1-26

เซลลแสงอาทิตยที่เรานําไปวางรับแสงอาทิตยไวตลอดทั้งวันนั้น จะไดรับอิทธิพลจากแสงอาทิตยทํา ใหอุณหภูมิสูงขึ้นมาก และการใชงานนั้น บางครั้งอาจตองไปติดตั้งในบริเวณที่สภาพแวดลอมมีอุณหภูมิต่ํา มาก เชน บริเวณที่มีหิมะ หรือบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงมาก เชน ในทะเลทราย อุณหภูมิมีอิทธิพลตอการทํางาน ของเซลลแสงอาทิตยมาก ซึ่งผูใชงานควรจะทราบดังตอไปนี้ เมื่ออุณหภูมิของเซลลแสงอาทิตยสูงขึ้น จะทําให 1. กระแสไฟฟาลัดวงจรจะสูงขึ้น แตเพิ่มไมมากนัก 2. แรงดันไฟฟาวงจรเปดและฟลลแฟกเตอรจะลดลง ความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาลัดวงจรและแรงดันไฟฟาวงจรเปดคือ =

I sc

⎞ ⎛ qV / kT I 0 ⎝ e oc − 1⎠

(1.59)

ถาเราไมพิจารณาพจนที่มีคานอย เราจะไดคาใกลเคียงของ Isc วา =

I sc

โดยที่

A Eg0

γ

−E

γ

AT e

g0

/ kT

e

qV / kT oc

(1.60)

: พจนที่ไมขึ้นกับอุณหภูมิ : ชองวางพลังงานของสารกึ่งตัวนําที่อุณหภูมิศูนยองศาสัมบูรณ : พจนท่ขี ึ้นกับอุณหภูมิและเปนพจนที่มีอิทธิพลตอ I0 และมีคาประมาณ 1-4

ผลการหาอนุพันธของสมการที่ (1.60) คือ d I sc dT AγT

=

γ −1 q (Voc −V g 0 ) k T

e

⎛ q ⎞ ⎡ d Vo c ⎛ V o c − V g 0 ⎟⎢ −⎜ + AT ⎜ T ⎝ k T ⎠ ⎢⎣ d T ⎝ γ

⎞⎤ q⎛⎜⎝Vo c −Vg 0 ⎞⎟⎠ ⎟⎥ e ⎠⎥⎦

(1.61) kT

เนื่องจากพจน dI sc / dT มีคานอยมาก ดังนั้นจากสมการที่ (1.61) จึงไดความสัมพันธวา d Vo c V g 0 − Vo c + γ ( kT / q ) dT

=

−

สมการที่ (1.62) นี้บอกใหเราทราบวา นั่นคือ ถาอุณหภูมิสูงขึ้น Voc จะลดลง

T

Voc

แปรผกผันกับอุณหภูมิในลักษณะคอนขางเปนเชิงเสน

ตัวอยางที่ 4 จงคํานวณอัตราการลดลงของคาแรงดันไฟฟาวงจรเปด เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น 1 องศา กําหนดให Voc = 0.6V, γ = 3 ที่ 300 K วิธีทํา

Voc

ของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si

จากสมการที่ (1.62) d Vo c dT

= −

1.2 − 0.6 + 0.078 300

(1.62)

V /° C

1-27

=

− 2.3 mV / ° C

ผลการคํานวณนี้ไดผลใกลเคียงผลการทดลองพอสมควร ทําใหเราทราบวาในกรณีเซลลแสงอาทิตย ชนิด Si Voc จะลดลงดวยอัตราประมาณ 0.4% เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น 1°C เนื่องจากฟลลแฟกเตอร FF เปนฟงกชันของ Voc ดังนั้นฟลลแฟกเตอรจึงลดลงดวย เมื่ออุณหภูมิ สูงขึ้น จากการวิเคราะหขางตน สรุปไดวาการขึ้นกับอุณหภูมิของ Voc เปนสาเหตุหนึ่งที่ทําใหประสิทธิภาพ ของเซลลแสงอาทิตยลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ตัวอยางในกรณีของเซลลแสงอาทิตยชนิด Si ประสิทธิภาพจะ ลดลงประมาณ 0.4-0.5% เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น 1 °C 1.3.5 การสูญเสียในเซลลแสงอาทิตย ในหัวขอกอนหนานี้ ไดกลาวถึงขีดจํากัดของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยแลววาควรมีคาเทาไร แตอยางไรก็ตาม ในทางความเปนจริง จะมีแฟกเตอรอื่นๆ อีกมากมายที่เปนสาเหตุทําใหประสิทธิภาพของ เซลลแสงอาทิตยลดลงไปจากคาในอุดมคติ ดังจะไดกลาวตอไปนี้ 1) การสูญเสียกระแสไฟฟาลัดวงจร การสูญเสียกระแสไฟฟาลัดวงจรมีสาเหตุดังตอไปนี้ 1. การสะทอนแสงที่ผิวของเซลลแสงอาทิตย เนื่องจากผิวที่รับแสงของสารกึ่งตัวนํานั้น โดยทั่วไปมีคา สัมประสิทธิ์การสะทอนแสงที่สูงมาก ดังนั้นโฟตอนจํานวนมากจึงถูกสะทอนกลับ โดยไมไดเดินทางเขาไปใน สารกึ่งตัวนํา วิธีการลดการสะทอนแสงวิธีหนึ่ง ไดแกการเคลือบฟลมปองกันการสะทอนแสง เชน SiO2 และ Si3N4 2. การสรางขั้วไฟฟาบนผิวดานรับแสง เชน การเคลือบขั้ว Al เปนลายเสนดานผิวรับแสง ทําใหเกิด การบังแสง พื้นที่ที่บังแสงมีประมาณ 5-15% ของพื้นที่ทั้งหมด

รูปที่ 1.22

ผลการคํานวณความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาลัดวงจรสูงสุดและความหนาของ สารกึ่งตัวนําชนิด GaAs และ Si ที่ใชผลิตเปนเซลลแสงอาทิตย

3. โฟตอนบางตัวไมถูกดูดกลืน แตสามารถเดินทางทะลุสารกึ่งตัวนําออกไปทางดานหลังของ เซลล แสงอาทิตย ทั้งนี้เพราะสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงมีคาไมมาก วิธีการแกไขคือ การใชผลึกที่มีความหนาที่ เพียงพอ สารกึ่งตัวนําที่มีชองวางพลังงานชนิดไมตรงตองใชความหนามากกวาสารกึ่งตัวนําที่มีชองวางพลังงาน

1-28

ชนิดตรง รูปที่ 1.22 แสดงผลการคํานวณความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาลัดวงจรและความหนาของสารกึ่ง ตัวนําชนิด GaAs และ Si ที่ใชผลิตเปนเซลลแสงอาทิตย 4. มีการสูญเสียเนื่องจากอิเล็กตรอนและโฮลรวมตัวกันกอนที่จะออกสูภายนอกเซลลแสงอาทิตย การ รวมตัวเกิดขึ้นมากที่บริเวณผิวของสารกึ่งตัวนําและในชั้นที่ไมมีสนามไฟฟาภายใน ปกติพาหะโฟโตที่สามารถ เดินทางออกสูภายนอกไดดีไดแกพาหะโฟโตที่เกิดขึ้นในยานปลอดพาหะซึ่งมีศักยไฟฟาภายใน (built-in potential) ชวยพัดพาใหพาหะโฟโตไหลดวยสนามไฟฟา 2) การสูญเสียแรงดันไฟฟาวงจรเปด กระบวนการที่เปนตัวกําหนดการสูญเสียของ Voc โดยพื้นฐานไดแก กระบวนการรวมตัวของพาหะใน สารกึ่งตัวนํา การรวมตัวของพาหะทําใหกระแสไฟฟายอนอิ่มตัวเพิ่มขึ้นดังที่แสดงในสมการที่ (1.55) การรวมตัวอาจเกิดขึ้นไดทั้งภายในสารกึ่งตัวนําและที่ผิวของสารกึ่งตัวนํา ระดับแทร็ป (trap levels) ในยานปลอดพาหะมีอิทธิพลมากตอการรวมตัวของพาหะ อัตราการรวมตัวของพาหะที่ระดับแทร็ปแสดงไดดวย สมการ 2

np − ni

=

U

τ h 0 ( n + n1 ) + τ e 0 ( p + p1 )

(1.63)

การรวมตัวที่ระดับแทร็ปในยานปลอดพาหะ จะทําใหกระแสไฟฟามืดมีคามากขึ้นตามสมการดังนี้ [14]

(

=

I

I0 e

qV k T

)

(

− 1 + IW e

qV 2 kT

)

−1

(1.64)

โดยที่ IW มีคาเทากับ IW

โดยที่

ξmax

=

q Ani π

kT

2 τ e0τ h 0 q ξ max

(1.65)

คือสนามไฟฟาสูงสุดในรอยตอ p-n [15]

รูปที่ 1.23 แสดงความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟามืดและแรงดันไฟฟาของรอยตอ p-n โดยการ พิจารณากรณีมีการรวมตัวของพาหะในชั้นปลอดพาหะ พจนที่สองในสมการที่ (1.64) จะมีอิทธิพลมากใน ขณะที่กระแสไฟฟามีคานอย (ทําให n=2) และพจนที่หนึ่งในสมการที่ (1.64) จะมีอิทธิพลมากในขณะที่ กระแสไฟฟามีคามาก (ทําให n=1) เพื่อความสะดวก เราอาจจะเขียนสมการที่ (1.64) ใหอยูในรูปที่งายวา I

=

I0 ⎛ e ⎝ '

qV n k T

โดยที่ แฟกเตอร n มีคาอยูระหวาง 1-2

1-29

− 1⎞ ⎠

(1.66)

รูปที่ 1.23

ความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟามืดและแรงดันไฟฟาของรอยตอ p-n โดยพิจารณา กรณีมีการรวมตัวของพาหะในชั้นปลอดพาหะ

จากการที่กระแสไฟฟามืดมีคาเพิ่มขึ้นเนื่องจากการรวมของพาหะดังกลาว จึงทําให Voc มีคาลดลง 3) การสูญเสียฟลลแฟกเตอร การสูญเสียฟลลแฟกเตอรมีสาเหตุหลายขอดังตอไปนี้ 3.1 เกิดจากคาแฟกเตอร n และ Voc รูปที่ 1.24 แสดงความสัมพันธระหวางฟลลแฟกเตอรและแรงดันไฟฟาวงจรเปด จะเห็นไดวาถา แรงดันไฟฟาวงจรเปดลดลง ก็จะทําใหฟลลแฟกเตอรลดลงดวย และจากการที่เราไดวิเคราะหมาแลวในหัวขอ ที่ 2) วาถาแฟกเตอร n เพิ่มขึ้น ก็จะทําให Voc ลดลง ดังนั้นคาฟลลแฟกเตอรในรูปที่ 1.24 ก็จะตองลดลง ดวยถา n มีคาเพิ่มขึ้น ถาเราใหนิยามวา voc = Voc /(nkT/q) ดังนั้นเราจะสามารถเขียนสมการของฟลลแฟกเตอรใหอยูใน รูปทั่วไปไดวา

FF

=

(

v oc − ln v oc + 0.72 v oc + 1

)

(1.67)

3.2 เกิดจากคาความตานทานอนุกรมและความตานทานชันต เซลลแสงอาทิตยที่ดีควรมีความตานทานอนุกรม (series resistance) Rs นอยที่สุด แตในทางปฏิบัติ ความตานทานอนุกรมนี้อาจเกิดขึ้นไดจากหลายสาเหตุ เชน ความตานทานอนุกรมของเนื้อสารกึ่งตัวนํา ความ ตานของรอยตอ p-n ความตานทานของขั้วไฟฟา ความตานทานที่รอยตอของสารกึ่งตัวนําและขั้วไฟฟา เปน ตน

1-30

รูปที่ 1.24 ความสัมพันธระหวางฟลลแฟกเตอรและแรงดันไฟฟาวงจรเปด

รูปที่ 1.25 (ก)

อิทธิพลของความตานทานอนุกรม และ (ข) อิทธิพลของความตานทานชันต ที่มีตอลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย

เซลลแสงอาทิตยที่ดีควรมีความตานทานชันต (shunt resistance) Rsh มากที่สุด แตในทางปฏิบัติ ความตานทานชันตนี้อาจมีคาลดลง อันเนื่องจากการเกิดรั่วของกระแสไฟฟาที่ขอบของเซลลแสงอาทิตย หรือ เกิดจากความไมสมบูรณของผลึก รูปที่ 1.25 (ก) และ (ข) แสดงอิทธิพลของความตานทานอนุกรมและอิทธิพลของความตานทานชันต ตามลําดับที่มีตอลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย

1.4 การออกแบบเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน ในหัวขอที่ 1.3 ไดกลาวถึงหลักการทํางานพื้นฐานของเซลลแสงอาทิตยแลว ในหัวขอนี้จะกลาวถึงการ ออกแบบเซลลแสงอาทิตยวาควรใหมีพารามิเตอรดานโครงสรางเปนอยางไรบาง ควรโดปสารเจือปนในชั้น n

1-31

และชั้น p ดวยความหนาแนนเทาไร รอยตอ p-n ควรอยูลึกเทาไร ขั้วไฟฟาดานบนที่รับแสงควรออกแบบ อยางไร ชั้นปองกันการสะทอนแสงควรหนาเทาไรและมีดัชนีหักเหเทาไร

1.4.1 ความลึกของรอยตอ p-n โดยทั่วไป การรวมตัวของพาหะโฟโต (recombination of photocarriers) ที่บริเวณผิวหนาของ เซลล แสงอาทิตยมักจะเกิดขึ้นไดงายและมีอัตราการรวมตัวที่สูง (high recombination surface velocity) และการ รวมตัวของพาหะที่รอยตอของสารกึ่งตัวนําและขั้วไฟฟาก็มีอัตราการรวมตัวที่สูงเชนกัน วิธีการลดอัตราการ รวมตัวที่ผิวดังกลาวที่ใชไดผลวิธีหนึ่งไดแก การเพิ่มชั้น back surface field (BSF) ขึ้นที่ดานหลังของ เซลล แสงอาทิตย ชั้น BSF นี้เปนชั้นที่โดปดวยความหนาแนนสูง ดังนั้นเซลลแสงอาทิตยจึงมีรอยตอ n-p-p+ แทน การใชรอยตอ n-p ความนาจะเปนของการรวบรวมพาหะที่เกิดจากแสงในเซลลแสงอาทิตย (collection probability) นอกจากจะเปนฟงกชันของระยะทางจากผิวของเซลลแสงอาทิตยดวยดังแสดงในรูปที่ 1.26 แลว ความนาจะ เปนของการรวบรวมพาหะโฟโตมีคาสูงสุดที่บริเวณยานปลอดพาหะซึ่งอยูตรงกลางของรอยตอ p-n และลดลง เมื่อหางออกไป ความนาจะเปนของการรวบรวมพาหะโฟโตที่ผิวหนาดาน n มีคานอย เราสามารถปรับปรุงให ความนาจะเปนของการรวบรวมพาหะโฟโตดานชั้น p มีคาสูงขึ้นดวยการโดปดานหลังสุดใหความหนาแนนของ แอกเซ็ปเตอร (p+) มีคามากดังที่แสดงในรูป (ก) วิธีนี้จะสงผลใหกระแสไฟฟาลัดวงจรเพิ่มขึ้นดวย เมื่อเราพิจารณาอัตราการผลิตพาหะโฟโตดวยแสง เราพบวาอัตราการผลิตพาหะโฟโตดวยแสงจะมี คาสูงสุดที่ผิวดานรับแสงและจะลดลงแบบเอกซโพเนเชียลตามระยะทางความลึกดังแสดงในรูปที่ 1.26 (ข) ตามสมการ G( x)

โดยที่

x

α N R

: : : :

= ( 1 − R ) αNe −αx

(1.68)

ระยะทางจากผิวรับแสง สัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสง โฟตอนฟลักซที่ตกกระทบเซลลแสงอาทิตย สัมประสิทธิ์การสะทอนแสง

รูปที่ 1.26 (ก) การเปลี่ยนแปลงของความนาจะเปนของการรวบรวมพาหะเมื่อเทียบกับความลึก และ (ข) การเปลี่ยนแปลงของอัตราการผลิตพาหะเมื่อเทียบกับความลึกของเซลลแสงอาทิตย

1-32

ดังนั้นภายใตแสงอาทิตย ผลรวมของอัตราการผลิตพาหะโฟโตที่ความยาวคลื่นทั้งหมด คือ G( x)

=

∫ 0max [1 − R( λ) ] α ( λ) N ' ( λ) e λ

−α ( λ ) x

dλ

(1.69)

โดยที่ N′ (λ) : โฟตอนฟลักซตอหนวยความยาวคลื่นแสง ตัวอยางผลการคํานวณสมการนี้แสดงในรูปที่ 1.26 (ข) ถาเราเปรียบเทียบรูป (ก) (ข) เราจะพบวาที่ ผิวรับแสงนั้น ความนาจะเปนของการรวบรวมพาหะโฟโตมีคานอยมาก ในขณะที่อัตราการผลิตโฟโตมีคาสูงสุด ดังนั้นจากการวิเคราะหดังกลาว เราจึงไดแนวทางวา “รอยตอ p-n ควรมีอยูในตําแหนงที่ตื้นดานรับแสงมาก ที่สุด”

1.4.2 ความตานทานในแนวระนาบของชั้นดานบนที่รับแสง โดยทั่วไป กระแสไฟฟาในเซลลแสงอาทิตยไหลในแนวตั้งฉากกับผิวของเซลล ดังแสดงในรูปที่ 1.27 (ก) แตเนื่องจากที่ดานผิวรับแสง เราออกแบบใหขั้วไฟฟาเปนรูปกริดอยูหางกันและปกคลุมผิวเพียงบางพื้นที่ เพราะฉะนั้นจะมีกระแสไฟฟาที่ไหลในแนวระนาบกับแผนเซลลดวย ถาความหนาแนนของการโดปชั้น n สม่ําเสมอตลอดความลึก สภาพตานทานของชั้น n จะมีคาเทากับ ρ =

1 q μe N D

(1.70)

รูปที่ 1.27 แบบจําลองการไหลของกระแสไฟฟาในทิศทางระนาบและตั้งฉากกับผิวของเซลลแสงอาทิตย นอกจากนี้ เรามีนิยามของคา “สภาพตานทานแผน” (sheet resistivity: ρs) ซึ่งไดจากการหารสภาพ ตานทาน ρ ดวยความหนา t ดังนี้ ρs =

1 qμ e N D t

1-33

(1.71)

ถาความหนาแนนของการโดปไมสม่ําเสมอตามความลึก ปริมาณของ หาคาปริพันธดังนี้

μe ND t

จะตองแทนคาดวยการ

t ∫ 0 μ e ( x ) N D ( x ) dx

(1.72)

หนวยของสภาพตานทานแผน คือ Ω/ (อานวา โอหมสแควร) สภาพตานทานจะเปนตัวกําหนดระยะหางของขั้วกริด การไหลของกระแสไฟฟาในแนวระนาบเปน สาเหตุของการสูญเสียกําลังไฟฟา ถาพิจารณารูปที่ 1.27 (ข) ซึ่งแสดงภาพมองจากดานบนของเซลลแสงอาทิตย จะพบวาการสูญเสียของกําลังไฟฟา dP ในระยะทาง dy สั้นๆ คือ [16] 2

dP = I dR

โดยที่

dR =

I

ρ s dy

S

b

J

: ระยะหางของขั้วกริด

: กระแสไฟฟาที่ไหลในแนวระนาบซึ่งมีคาเทากับ 0 ที่ตําแหนง S/2 และเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนถึง คาสูงสุดที่ขั้วกริด I

ดังนั้น โดยที่

(1.73)

=

Jby

(1.74)

: ความหนาแนนของกระแสไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย (A/cm2)

ดังนั้น การสูญเสียกําลังไฟฟาทั้งหมดจึงไดจากการหาคาปริพันธของสมการที่ (1.73) ดังนี้ Ploss

=

∫ I 2 dR

=

∫0

s/ 2

J b y ρ s dy 2 2

2

b

J bρ s S 2

=

3

24

(1.75)

ถาให Pmax, Imax และ Vmax คือกําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด กระแสไฟฟาเอาตพุตสูงสุด และ แรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุดตามลําดับ ดังนั้นกําลังไฟฟาที่ผลิตไดในพื้นที่ระหวางขั้วกริด คือ Vmax JmaxbS/2 และอัตราสวนของกําลังไฟฟาสูญเสียตอกําลังไฟฟาสูงสุดคือ p =

Ploss Pmax

ρ s S J max 2

=

12V max

(1.76)

จากสมการที่ (1.76) ถาเรากําหนดพารามิเตอรตางๆ เชน คารอยละของการสูญเสียกําลังไฟฟา เราก็ จะทราบวาระยะหางของขั้วกริดควรเปนเทาไร ในวงการอุตสาหกรรมเซลลแสงอาทิตยชนิด Si นิยมผลิตใหขั้วก ริดหางกันประมาณ 4 มิลลิเมตร และโดปชั้น n ดวยความหนาแนนมากที่สุดและสรางชั้น n ใหบางที่สุด

ตัวอยางที่ 5 จงคํานวณวาจะตองออกแบบใหระยะหาง S ของขั้วกริดดานรับแสงของเซลลแสงอาทิตยมีคากี่ มิลลิเมตร โดยกําหนดพารามิเตอรดังนี้ ρs = 40 Ω/ 4%

, Jmax

1-34

= 30 mA/cm2, Vmax = 450 mV,

loss <

วิธีทํา จากสมการที่ (1.76) ∴S

S

2

<

12 pV max

ρ s J max

⎛ 12 × 0.04 × 0.45 ⎞ < ⎜ ⎟ ⎝ 40 × 0.03 ⎠

1

2

cm < 4 mm

1.4.3 ความหนาแนนของการโดปแผนฐาน โดยทั่วไป แผนฐานที่นํามาใชผลิตเปนเซลลแสงอาทิตยมีความหนาประมาณ 200~400 μm ซึ่งได จากการตัด (slicing) แทงผลึก การโดปแผนฐานจะถูกกําหนดตั้งแตขั้นตอนการดึงผลึก ในหัวขอนี้เราจะ พิจารณาวา ความหนาแนนของการโดปแผนฐานควรมีคาเทาไร เมื่อเรากําหนดคาความลึกของรอยตอ p-n แลว คาระยะทางแพรซึมของพาหะขางนอย (diffusion length of minority carriers) ในแผนฐานจะเปนพารามิเตอรที่สําคัญในการกําหนดคากระแสไฟฟาเอาตพุต ลัดวงจร Isc คาระยะทางแพรซึมมีคาพื้นฐานตามสูตร Ln = Dnτ n คาระยะทางแพรซึมนี้ไดรับอิทธิพลจาก กลไกการรวมตัวของพาหะ 3 ชนิดดวยกัน ตัวอยางเชน ถาเราเพิ่มปริมาณการโดปสารเจือปนจะทําใหเวลาอายุ ของพาหะลดลง ตัวอยางความสัมพันธระหวางความหนาแนนของการโดปสารเจือปนและเวลาอายุของพาหะ ขางนอยแสดงในรูปที่ 1.28 เวลาอายุของพาหะดังกลาวจะยาวนานหรือสั้น จะถูกกําหนดดวยกลไกการ รวมตัวของพาหะ กลไกการรวมตัวของพาหะที่สําคัญมี 3 ชนิดดังนี้ 1. การรวมตัวของพาหะที่ระดับแทร็ป (Recombination at Trap Centers) เวลาอายุของพาหะที่ถูกกําหนดดวยการรวมตัวที่ระดับแทร็ป คือ τ nT

⎛ m1 ⎞ = τ n 0 ⎜1 + ⎟ ⎝ NA ⎠

(1.77)

รูปที่ 1.28 ความสัมพันธระหวางความหนาแนนของการโดปสารเจือปนและเวลาอายุของพาหะขางนอย

1-35

2. การรวมตัวแบบ Auger (Auger Recombination) เวลาอายุของพาหะที่ถูกกําหนดดวยการรวมตัวแบบ Auger คือ 1

τ nA =

(1.78)

2

DN A

3. การรวมตัวชนิดเปลงแสง (Radiative Recombination) เวลาอายุของพาหะที่ถูกกําหนดดวยการรวมตัวชนิดเปลงแสง คือ τ nR

1

=

(1.79)

2 BN A

ดังนั้นถาการรวมตัวของพาหะมีสาเหตุจากกลไกหลายๆ ชนิดจะทําใหเวลาอายุของพาหะมีคาเทากับ 1

τn

=

1

τ nT

+

1

τ nA

+

1

τ nR

(1.80)

จากขอมูลทั้ง 3 สมการนี้ ทําใหเราทราบวา ถาเพิ่มความหนาแนนของการโดปแอกเซ็ปเตอร จะทําให เวลาอายุของพาหะขางนอย (อิเล็กตรอน) ลดลง นั่นคือ จะทําใหกระแสไฟฟาเอาตพุตลัดวงจร Isc ลดลงดวย

รูปที่ 1.29

ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยที่ประดิษฐโดยเปลี่ยนความหนาแนนของ แอกเซ็ปเตอร โดยที่ (ก) เปนกรณีไมมีชั้น BSF และ (ข) เปนกรณีมีชั้น BSF [16]

1-36

ในขณะเดียวกัน กระแสไฟฟายอนอิ่มตัว I0 แปรผกผันกับความหนาแนนของการโดปตามสมการ I0

=

⎛ D n2 D p ni2 n i ⎜ qA ⎜ + ⎝ Ln N A L p N D

⎞ ⎟⎟ ⎠

(1.81)

เราเคยทราบจากสมการที่ (1.55) แลววา ถา I0 ลดลง จะทําใหแรงดันไฟฟาเอาตพุตวงจรเปด Voc เพิ่มขึ้น ดังนั้นการเพิ่มความหนาแนนของการโดปแอกเซ็ปเตอร NA และโดเนอร ND จะทําให Voc เพิ่มขึ้น ถาเราใชสารกึ่งตัวนําชนิด p เปนแผนฐาน ปกติเราจะโดปชั้น n ดวย ND ที่ความหนาแนนสูงมากเพื่อลดสภาพ ตานทานแผน ดังนั้นพจนที่สองในสมการที่ (1.81) จึงมีคานอย ดังนั้นจากสมการที่ (1.81) นี้ เราจึงสรุปได วา Voc จะเพิ่มขึ้นถาเราเพิ่มความหนาแนนของ NA จากที่เราไดวิเคราะหมานี้ เราไดพบวา Isc และ Voc ไดรับอิทธิพลจาก NA ในลักษณะที่ตรงขามกัน กลาวคือ เมื่อเพิ่ม NA จะทําให Voc เพิ่มขึ้น แตจะทําให Isc ลดลง รูปที่ 1.29 แสดงตัวอยางลักษณะสมบัติ เอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยที่ประดิษฐโดยเปลี่ยนความหนาแนนของแอกเซ็ปเตอร โดยที่รูป (ก) เปนกรณี ไมมีชั้น BSF และรูป (ข) เปนกรณีมีชั้น BSF [16] จากรูปนี้เราไดขอมูลที่สําคัญวา ประสิทธิภาพของเซลล แสงอาทิตยจะมีคาสูงสุดที่ความหนาแนนของแอกเซ็ปเตอรที่เหมาะสมคาๆ หนึ่ง

1.4.4 การสรางสนามไฟฟาที่ดานหลังของเซลลแสงอาทิตย (Back Surface Field) ไดกลาวมาแลววา การโดปใหดานหลังสุดของเซลลแสงอาทิตยมีความหนาแนนสูง จะสงผลชวยทํา ใหกระแสไฟฟาลัดวงจรและแรงดันไฟฟาวงจรไฟฟาเปดมีคาเพิ่มขึ้น กระแสไฟฟาลัดวงจรเพิ่มขึ้นเพราะวา ประสิทธิภาพของการรวบรวมพาหะที่ดานหลังของเซลลดีขึ้น และแรงดันไฟฟาวงจรเปดเพิ่มขึ้นเพราะวา กระแสไฟฟายอนอิ่มตัวลดลงนั่นเอง กระแสไฟฟายอนอิ่มตัวในเซลลแสงอาทิตยที่มีชั้น BSF นี้มีคาดังนี้ [17] 2

I0 p

=

qDe ni

Le N A

⎛W ⎞ p ⎟⎟ tanh ⎜⎜ L ⎝ e⎠

(1.82)

ถาความหนาของแผนฐานชนิด p มีคานอยกวาระยะทางแพรซึมของอิเล็กตรอน (Wp<<Le) จะทําให สมการที่ (1.82) มีรูปที่งายขึ้นดังนี้ 2

I op

=

qni Wp

τeNA

(1.83)

เนื่องจากการลดความหนาแนนของ NA ทําให τe เพิ่มขึ้น ดังนั้นในกรณีของเซลลแสงอาทิตยที่มี ชั้น BSF แรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc จึงไมคอยไดรับอิทธิพลจาก NA มากนักซึ่งแนวโนมเชนนี้จะสังเกตไดใน รูปที่ 1.29 (ข)

1.4.5 อิทธิพลของชั้นดานบน

1-37

1) ชั้นตาย (Dead Layer) ไดกลาวในหัวขอที่ 1.4.3 แลววาอัตราการรวมตัวของพาหะที่ผิวดานรับแสงมีคาสูง ดังนั้นในการ ออกแบบเซลลแสงอาทิตย จึงพยายามใหชั้น n ที่รับแสงมีความบางที่สุด และขณะเดียวกันก็โดปชั้น n ดวย ความหนาแนนที่สูงๆ เพื่อมิใหสภาพตานทานแผนของชั้น n มีคาสูง ในชวง ค.ศ. 1960 ความหนาของชั้น n ในเซลลแสงอาทิตยที่ใชงานในอวกาศมีเพียงประมาณ 0.5 μm เทานั้น การออกแบบเชนนี้ มิไดมีเพียงแต ขอดี แตความจริงแลวมีขอเสียอยูดวยดังจะกลาวตอไปนี้ ในทางทฤษฎี การโดปสารเจือปนดวยกระบวนการแพรซึมดวยความรอนสูง ตัวอยางเชน การโดป ฟอสฟอรัส P เขาสูผลึก Si นั้น จะสงผลใหความหนาแนนของ P เปลี่ยนแปลงแบบฟงกชันเกาสเชียน (Gaussian) ตามความลึก [18] รูปที่ 1.30 (ก) แสดงผลการวัดความสัมพันธระหวางความหนาแนนของแอก เซ็ปเตอรที่แอกทิฟใน Si และความลึก โดยที่พารามิเตอรคือเวลาที่ใชในการแพรซึม ทั้งนี้ไดกําหนดให อุณหภูมิของการแพรซึมคงที่ตลอดทุกการทดลอง [19] รูปที่ 1.30 (ข) แสดงการเปลี่ยนแปลงของความนาจะ เปนของการรวบรวมพาหะและความลึก จากผลการทดลองพบวาการแพรซึมอะตอม P เขาสู Si ดวย

รูปที่ 1.30 (ก) ผลการวัดความสัมพันธระหวางความหนาแนนของแอกเซ็ปเตอรที่แอกทิฟใน Si และ ความลึก พารามิเตอรในรูปคือเวลาที่ใชในการแพรซึม (ข) การเปลี่ยนแปลงความนาจะเปนของการรวบรวมพาหะตามความลึก [19] ความหนาแนนสูงเกินไปนั้น จริงๆ แลวอะตอม P มิไดเขาไปใน Si ในฐานะสารเจือปนชนิดแอกเซ็ปเตอรหมด ทุกตัว แตอะตอม P สวนเกินบางตัวจะเขาสู Si ในฐานะอะตอมอัลลอย และอะตอมสวนเกินเหลานี้จะทําให เวลาอายุของพาหะขางนอย (อิเล็กตรอน) ลดลง ในเซลลแสงอาทิตย อะตอมฟอสฟอรัส P สวนเกินเหลานั้นสวนมากจะสะสมอยูที่บริเวณใกลผิวหนา ดานรับแสง เราเรียกบริเวณชั้นที่มีฟอสฟอรัสสะสมอยูมากเกินความจําเปนเชนนี้วา “ชั้นตาย” (dead layer) เหตุผลที่เรียกเชนนี้ เพราะวาในชั้นตายนั้น เวลาอายุของพาหะขางนอยมีคานอยมาก และความนาจะเปนของ การรวบรวมพาหะก็มีคานอยมาก รูปที่ 1.30 (ข) แสดงความสัมพันธระหวางความนาจะเปนของการรวบรวม พาหะขางนอยและความลึกของเซลลแสงอาทิตยเมื่อมีชั้นตายเกิดขึ้น ในรูปนี้เราจะเห็นวาความนาจะเปนของ การรวบรวมพาหะขางนอยในชั้นตายนั้นมีคานอยมาก [20]

1-38

การแกปญหาไมใหเกิดชั้นตาย อาจทําไดโดยการควบคุมมิใหความหนาแนนของการโดปมากเกินไป และพยายามทําใหรอยตอ p-n มีความตื้นมากที่สุด และออกแบบใหขั้วกริดอยูใกลกัน เปนตน อนึ่งการโดปสารเจือปนดวยความหนาแนนที่สูงเกินไป มีผลทําใหชองวางพลังงานของสารกึ่งตัวนํา ลดลงไดดวย [21]

1.4.6 การออกแบบขั้วไฟฟาดานบน การออกแบบลักษณะของขั้วไฟฟาดานที่เซลลแสงอาทิตยรับแสงมีความสําคัญมากตอประสิทธิภาพ ของเซลลแสงอาทิตย รูปที่ 1.31 แสดงตัวอยางการออกแบบขั้วไฟฟาดานรับแสงแบบตางๆ โดยทั่วไปมีกลไก หลายชนิดที่เปนสาเหตุของการเกิดการสูญเสียของกําลังไฟฟาที่บริเวณขั้วไฟฟาดานบนดังกลาว เชน 1. การสูญเสียอันเนื่องจากการไหลของกระแสไฟฟาในแนวระนาบของเซลล (ไดกลาวแลวในหัวขอที่ 1.4.2) 2. ความตานทานอนุกรมของขั้วไฟฟา 3. ความตานทานอนุกรมที่รอยตอระหวางขั้วไฟฟาและสารกึ่งตัวนํา 4. การสูญเสียอันเนื่องจากเกิดเงาบังโดยขั้วไฟฟา ในหัวขอนี้จะกลาวถึงหลักการออกแบบเบื้องตนเกี่ยวกับลักษณะของขั้วไฟฟาดานรับแสง โดยจะ ยกตัวอยางกรณีที่แผนเซลลแสงอาทิตยมีรูปเปนแผนสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือสี่เหลี่ยมผืนผา อยางไรก็ตามแนวทาง ในหัวขอนี้ยังสามารถประยุกตใชกับแผนเซลลที่มีรูปรางอื่นๆ ไดดวย โดยทั่วไป ขั้วไฟฟาดานรับแสง มีลักษณะเปนลวดลายเสนที่เวนชองวางไวเพื่อใหแสงสามารถกระทบ สารกึ่งตัวนําไดมากที่สุด เราแบงเสนขั้วไฟฟาออกเปน 2 ชนิดคือ 1. เสนนิ้ว หรือ เสนฟงเกอร (Fingers) ไดแก เสนที่มีขนาดเล็ก มีจํานวนมาก ทําหนารวบรวม กระแสไฟฟาเพื่อสงตอไปยังเสนบัสบาร เสนฟงเกอรนี้อาจแตกแยกเปนเสนฟงเกอรยอยๆ ไดอีก 2. เสนบัสบาร (Bus Bars) ไดแก เสนที่มีขนาดคอนขางอวน มีจํานวนไมมาก มักจะออกแบบใหตั้ง ฉากกับเสนฟงเกอร ทําหนาที่รวบรวมกระแสไฟฟาจากเสนฟงเกอรเพื่อสงตอไปยังโหลดภายนอกเซลลหรือตอ อนุกรมกับแผนเซลลขางเคียง ระยะหางของเสนฟงเกอรและเสนบัสบารแตละเสน อาจมีคาคงที่ หรือเปลี่ยนแปลเปนขั้นๆ หรือ คอยๆ เปลี่ยนก็ได

รูปที่ 1.31 ตัวอยางการออกแบบขั้วไฟฟาดานรับแสงแบบตางๆ

1-39

สมมติวาขั้วกริดมีรูปรางดังที่แสดงในรูปที่ 1.32 (ก) ถาเราพิจารณาพื้นที่เล็กๆ ที่มีความยาวเทากับ A และความกวางเทากับ B ดังที่แสดงในรูป (ข) กําลังไฟฟาสูงสุดที่จะไดจากพื้นที่เล็กๆ นี้คือ ABJmaxVmax ดังนั้นกําลังไฟฟาที่สูญเสียอันเนื่องความตานทานของเสนฟงเกอรในสภาพเชนนี้คือ [22] p rf

=

1 m

B ρ smf

J max S

2

V max WF

(1.84)

ในทํานองเดียวกัน กําลังไฟฟาสูญเสียอันเนื่องจากความตานทานของเสนบัสบารคือ p rb

โดยที่

ρsmf ρsmb m

WF , WB S

=

1 m

A Bρ smb 2

J max 1 V max WB

(1.85)

: สภาพตานทานแผน (sheet resistivity) ของเสนฟงเกอร : สภาพตานทานแผนของเสนบัสบาร : แฟกเตอรซึ่งถาขั้วกริดกวางสม่ําเสมอ จะทําให m=3 และถาขั้วกริดมีรูปแบบ ปลายแหลมคม (taper) จะทําให m=4 : ความกวางเฉลี่ยของเสนฟงเกอรและเสนบัสบารตามลําดับ : ระยะพิตชของเสนฟงเกอรตามนิยามในรูป (ข)

รูปที่ 1.32 (ก) ภาพมองจากดานบนของเซลลแสงอาทิตยซึ่งแสดงการออกแบบขั้วบัสบารและ ขั้วฟงเกอร (ข) ภาพขยายเพื่อแสดงขนาดตางๆ สําหรับใชในการคํานวณ

1-40

ทางดานกําลังไฟฟาสูญเสียอันเนื่องจากเงาของเสนฟงเกอรและเสนบัสบารคือ psf

=

WF

psb

=

WB

(1.86)

S

(1.87)

B

เนื่องจากเสนฟงเกอรมีพื้นที่สัมผัสกับสารกึ่งตัวนํานอยกวาเสนบัสบารมาก ดังนั้นกําลังไฟฟาสูญเสีย อันเนื่องจากรอยตอระหวางขั้วและสารกึ่งตัวนําจึงเกิดขึ้นที่เสนฟงเกอรเปนสวนใหญ ดังนั้นกําลังไฟฟาสูญเสีย อันเนื่องจากรอยตอระหวางเสนฟงเกอรและสารกึ่งตัวนําคือ p cf

โดยที่

J max S

ρc

=

(1.88)

V max WF

ρc : สภาพตานทานของรอยตอ

อยางไรก็ตามในกรณีเซลลแสงอาทิตยชนิด Si กําลังไฟฟาสูญเสียอันเนื่องจากรอยตอระหวางขั้วและ สารกึ่งตัวนํานี้มีคาไมมาก สาเหตุของกําลังไฟฟาสูญเสียชนิดตอไปไดแก การไหลของกระแสไฟฟาในแนวระนาบของแผนเซลล ซึ่งมีคาเทากับ (จากสมการที่ (1.76)) p tl

โดยที่

=

ρ s J max 12 V max

S

2

(1.89)

ρs : สภาพตานทานแผนของชั้นสารกึ่งตัวนําดานบน

H.B. Serreze ไดวิเคราะหวากําลังไฟฟาสูญเสียที่นอยที่สุดที่เกี่ยวของกับเสนบัสบารนั้น เกิดขึ้นใน กรณีที่กําลังไฟฟาสูญเสียอันเนื่องจากความตานของเสนบัสบารมีคาเทากับกําลังไฟฟาสูญเสียที่เกิดจากเงาของ บัสบาร จากผลเชนนี้ ความกวางเฉลี่ยที่เหมาะสมของเสนบัสบารคือ [22] WB

=

AB

ρ smb J max m V max

(1.90)

และกําลังไฟฟาสูญเสียที่นอยที่สุดโดยเสนบัสบารคือ

( prb + p sb ) min

=

2A

ρ smb J max m V max

(1.91)

ขอที่นาสังเกตในสมการที่ (1.91) นี้คือ ถาเสนบัสบารมีรูปรางปลายแหลมคม (taper) (ซึ่งเปนกรณี ที่ m=4) จะทําใหกําลังไฟฟาสูญเสียมีคานอยกวากรณีเสนบัสบารมีรูปรางกวางสม่ําเสมอ (ซึ่ง m=3) อยูถึง 13% [23-24]

1-41

การคํานวณหาคาจํานวนชุดของเสนฟงเกอรวาจะตองมีกี่ระดับเปนสิ่งที่คอนขางยุงยาก อยางไรก็ตาม สิ่งที่ควรคํานึงถึงคือ ระยะหางของเสนฟงเกอรควรจะนอยที่สุดเพื่อใหการสูญเสียที่เกิดจากการไหลของ กระแสไฟฟาในแนวระนาบมีคานอยที่สุด นั่นคือเราอาจพิจารณาใหวา S→0

WF S

(ρ

rf

=

+ ρ cf + ρ sf + ρ tl

B

)

min

(1.92)

ρ smf + ρ c m / B

2

m

= 2B

J max

(1.93)

V max

ρ smf + ρ c m / B m

2

J max V max

(1.94)

ในทางปฏิบัติจะเปนการยากลําบากที่จะสรางขั้วกริดใหไดตามเงื่อนไขเหลานี้ ดังนั้นความกวางที่นอย ที่สุดของ WF และ S จึงเปนเรื่องของขีดจํากัดทางเทคโนโลยีและผลิตผล (yield)

ตัวอยางที่ 6 จงคํานวณคาความกวางเฉลี่ยของเสนบัสบาร

WB

และคาระยะหางที่เหมาะสมของเสนฟง เกอรของเซลลแสงอาทิตยตามที่แสดงในรูปที่ 1.33 โดยกําหนดพารามิเตอรพื้นฐานดังนี้ ขนาดของแผนเซลลแสงอาทิตย 10cm×10 cm แรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุด 450 mV กระแสไฟฟาเอาตพุตสูงสุด 30 mA/cm2 สภาพตานทานแผนของชั้น n ดานรับแสง 40 Ω/ ความกวางของเสนฟงเกอร 150 μm (ผลิตโดยการชุบทางเคมี) สภาพตานทานของเสนฟงเกอร 15 μΩ.cm บนเสนฟงเกอรมีชั้นขั้วตะกั่วบัดกรีหนา 42 μm บนเสนบัสบารมีชั้นขั้วตะกั่วบัดกรีหนา 80 μm 2 สภาพตานทานที่รอยตอของขั้วกริดและสารกึ่งตัวนํา 370 μΩ.cm

รูปที่ 1.33 ตัวอยางการออกแบบขั้วบัสบารและขั้วฟงเกอรสําหรับใชในการคํานวณในตัวอยางที่ 6

1-42

วิธีทํา สภาพตานทานแผนของชั้นขั้วตะกั่ว = สภาพตานทานของตะกั่ว/ความหนาของตะกั่ว ดังนั้น ρ smf = 0.00357Ω / ρ smb = 0.00188Ω / เนื่องจาก ρ smb < ρ smf ดังนั้นเสนบัสบารจึงควรยาวและเสนฟงเกอรจึงควรสั้นกวา กําหนดใหการ แบงพื้นที่ยอยมีความยาว A (100mm) และมีความกวาง B (25mm) ขนาดของเสนบัสบารสามารถคํานวณ ไดจากสมการที่ (1.90) และออกแบบใหเสนบัสบารเปนรูป taper (ปลายแหลม) ดังนั้นความกวางเฉลี่ย WB จึงมีคาเทากับ ⎛ 0.00188 × 0.03 ⎞ WB = 10 × 2.5 × ⎜ ⎟cm = 0.14 cm ⎝ 4 × 0.45 ⎠

เนื่องจากเสนบัสบารแตละเสนวางคาบอยูบนพื้นที่ยอย 2 ดาน ดังนั้นความกวางของเสนบัสบารจึง ตองมีคาเปน 2 เทาของ WB และเนื่องจากเสนบัสบารมีลักษณะเปน taper ดังนั้นเมื่อคํานวณความลาดของ taper จึงพบวาสวนกวางที่สุดของเสนบัสบารคือ 0.56 mm จากสมการที่ (1.91) ผลรวมของกําลังไฟฟาสูญเสียที่เกี่ยวของกับเสนบัสบารมีคาเทากับ ρ rb + ρ sb = 0.112

จากโจทย กําหนดวาความกวางเฉลี่ยของเสนฟงเกอร = WF = 150 μm (0.015 cm) ซึ่งถือวาเปน เสนที่คมมากและในทางปฏิบัติคงยากที่จะผลิตใหคมกวานี้อีกแลว ดังนั้นสิ่งที่เราจะคํานวณตอไปคือคา ระยะหางของเสนฟงเกอร S ซึ่งคํานวณไดจากสมการที่ (1.93) และหารดวย 2 อีกครั้งหนึ่ง นั่นคือ S = 0.3286cm,

p rf = 0.0109 ,

p sf = 0.0456,

p t l = 0.0240

p cf = 0.0005

1.4.7 การลดการสูญเสียของแสงสะทอน การเคลือบผิวบนดวยชั้นปองกันการสะทอนแสง (Antirefelction) แสงที่ตกกระทบเซลลแสงอาทิตย บางสวนจะถูกขั้วกริดสะทอนกลับหมด บางสวนจะถูกสารกึ่งตัวนํา สะทอน ปรากฏการณเหลานี้เปนสาเหตุของการสูญเสียแสงในเซลลแสงอาทิตย การเคลือบฟลมบางทับ ดานบนของเซลลแสงอาทิตยจะเปนวิธีหนึ่งที่จะชวยลดการสะทอนแสงของสารกึ่งตัวนําไดและทําใหแสงเดิน ทางเขาสูเซลลแสงอาทิตยไดมากขึ้น ฟลมบางที่นํามาเคลือบดวยวัตถุประสงคนี้เรียกวา “ชั้นปองกันการสะทอน แสง” (anti-reflection layer) นิยมเรียกสั้นๆ วา “ชั้น AR” และตองมีการออกแบบทั้งดานความหนาและคา ดัชนีหักเหแสงที่เหมาะสมดังนี้ (ดูรูปที่ 1.34) 1. ความหนา d1 ของชั้น AR ควรมีคาที่เปนไปตามกฎ “1/4 ของความยาวคลื่นแสง” ถาแสงที่เรา พิจารณามีความยาวคลื่น λ (เชน ยอดของสเปกตรัมของแสงอาทิตย) และดัชนีหักเหแสงของชั้น AR เทากับ n1 ดังนั้นความหนาที่เหมาะสมของชั้น AR คือ [25] d1 =

λ 4 n1

1-43

(1.95)

2. ชั้น AR ควรมีความโปรงใสที่ดีและดัชนีหักเหแสง n1 ในอุดมคติควรมีคาเทากับคาเฉลี่ยของผล คูณของคาดัชนีหักเหแสงของอากาศและของสารกึ่งตัวนําตามสมการดังนี้ [25]

รูปที่ 1.34

ปรากฏการณการแทรกสอดของแสงที่เกิดขึ้นในชั้นปองกันการสะทอนแสงที่มีความหนา เทากับ 1/4 ของความยาวคลื่นแสง n1 =

โดยที่

n0, n1, n2 คือดัชนีหักเหแสงของอากาศ

n0 n 2

(1.96)

ชั้น AR และสารกึ่งตัวนําตามลําดับ

ดวยเงื่อนไขดังกลาวทั้ง 2 ขอนี้ จะทําใหความเขมของแสงสะทอนมีคานอยที่สุด เงื่อนไขขอที่ 1. นั้น จะทําใหเฟสของแสงที่สะทอนที่ผิวบนสุดและที่สะทอนที่ผิวสารกึ่งตัวนํามีความแตกตางกัน 180° ดังนั้นจึงทํา ใหแสงที่สะทอนทั้ง 2 แหงนั้นไปทําการแทรกสอดแบบหักลางกันเมื่อสะทอนออกจากเซลลแสงอาทิตย จึงทํา ใหแสงสะทอนสุทธิมีความเขมนอยที่สุด ตัวอยางวัสดุที่นิยมผลิตเปนชั้น AR ไดแก Si3N4 และ SiO2

ตัวอยางที่ 7 จงพิสูจนเงื่อนไขสมการที่ (1.95) และ (1.96)

วิธีทํา

โดยทั่วไป สัมประสิทธิ์การสะทอนแสง R ที่มีฟลมบาง 2 ชั้นซอนทันกันมีคาเทากับ r1 + r2 + 2r1r2 cos 2θ 2

R =

2

(1.97)

1 + r1 r2 + 2r1r2 cos 2θ 2 2

โดยที่ r1 และ r2 มีคาดังนี้ r1 =

และมุม

θ

=

n0 − n1 n0 + n1

,

r2

=

2πn1d1

n1 − n2 n1 + n2

(1.98)

(1.99)

λ

ถาชั้น AR มีคุณสมบัติตามเงื่อนไขขอ 1. และ 2. สัมประสิทธิ์การสะทอนแสง R จะมีคาเทากับ

Rmin

⎛ n 2 − n n ⎞2 0 2 ⎟⎟ = ⎜⎜ 12 ⎝ n1 + n0 n2 ⎠

1-44

(1.100)

ดังนั้นถาแทนคาสมการที่ (1.96) ลงในสมการที่ (1.100) จะไดวา ⎛ n n − n0 n2 ⎞ Rmin = ⎜ 0 2 ⎟ 2n0 n2 ⎠ ⎝

2

= 0

ตัวอยางที่ 8 ผลึก Si มีคาดัชนีหักเหแสงเทากับ 3.8 จงออกแบบวาควรใชชั้น AR ที่มีดัชนีหักเหแสงเทาไร และหนาเทาไร โดยเนนที่แสงความยาวคลื่น 0.6 μm วิธีทํา

จากสมการที่ (1.96) จากสมการที่ (1.95)

n1 =

1 × 3.8 = 19 .

0.6μm d1 = = 0.0789 μm ≈ 78.9 nm 4 × 19 .

รูปที่ 1.35 แสดงตัวอยางผลการวัดสเปกตรัมสัมประสิทธิ์การสะทอนแสงของเซลลแสงอาทิตยที่มี โครงสรางตางๆ [26] เสนประในรูปแสดงกรณีมีชั้น AR และเสนทึบแสดงกรณีที่ดานบนชั้น AR มีกระจกใส (มีคาดัชนีหักเหแสงประมาณ 1.5) วางทับอีกครั้งหนึ่ง เปนที่นาสนใจวาเนื่องจากการประกอบแผงเซลลแสงอาทิตยนั้นจะมีแผนกระจกใสวางทับเซลลแสงอาทิตยเสมอ ดังนั้นขอมูลจากรูปนี้จึงทําใหเราทราบวา เมื่อมี แผนกระจกใสดานบนของชั้น AR ก็จะทําใหเราสามารถผลิตชั้น AR ที่มีคาดัชนีหักเหแสงสูงๆ ไดซึ่งจะทําให ลดตนทุนการผลิตลงได ตารางที่ 1.3 แสดงตัวอยางรายชื่อและคาดัชนีหักเหแสงของวัสดุที่สามารถนํามาผลิต เปนชั้น AR สําหรับเซลลแสงอาทิตยได อนึ่ง ชั้นปองกันการสะทอนแสงหรือ ชั้น AR นี้อาจทําจากวัสดุตางชนิดกันหลายๆ ชั้นเคลือบซอนทับ กันก็ไดซึ่งเรียกวา “ชั้นมัลติเลเยอร” (multi-layer) ขอดีของชั้นมัลติเลเยอรคือชวยลดการสะทอนแสงในชวง สเปกตรัมที่กวางๆ ไดดีกวากรณีการใชชั้น AR เพียงชั้นเดียว [27]

รูปที่ 1.35 ตัวอยางผลการวัดสเปกตรัมสัมประสิทธิ์การสะทอนแสงของเซลลแสงอาทิตย ที่มีโครงสรางตางๆ [26]

1-45

ตารางที่ 1.3 คาดัชนีหักเหแสงของวัสดุที่เคลือบเปนชั้นปองกันการสะทอนแสงสําหรับเซลลแสงอาทิตย วัสดุ MgF2 SiO2 Al2O3 SiO

ดัชนีหักเหแสง 1.3-1.4 1.4-1.5 1.8-1.9 1.8-1.9

วัสดุ Si3N4 TiO2 Ta2O5 ZnS

ดัชนีหักเหแสง ∼1.9 ∼2.3 2.1-2.3 2.3-2.4

นอกจากนี้ การผลิตใหผิวของเซลลแสงอาทิตยขรุขระแบบพีระมิด (textured surface) ก็สามารถลด การสะทอนแสงไดดวย รายละเอียดเกี่ยวกับผิวขรุขระแบบพีระมิดจะกลาวถึงในหัวขอที่ 1.5

1.5 เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน เซลลแสงอาทิตยชนิดที่ผลิตจากผลึกเดี่ยวซิลิคอน (Si) ปจจุบันมีการผลิตและใชงานกันมากที่สุด เนื่องจากมีจุดเดนดังตอไปนี้ 1) วัสดุดิบซึ่งไดแก ซิลิคอน มีปริมาณมากบนพื้นโลก และวัสดุซิลิคอนไมทําลายสภาพแวดลอม 2) เทคโนโลยีการผลิตผลึกเดี่ยวซิลิคอน และเทคโนโลยีการแพรซึมสารเจือปนไดรับการพัฒนาไป กาวหนามาก ซึ่งเจริญควบคูไปกับเทคโนโลยี VLSI 3) ความหนาแนนของซิลิคอน มีคานอย ทําใหมีน้ําหนักเบา และเปนวัสดุที่แข็งแรงตอแรงเคน แมจะ มีความหนาเพียง 50 μm ก็ยังคงสภาพเปนแผนไดดี 4) มีประสิทธิภาพดีกวาเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนและชนิดอะมอรฟสซิลิคอน 5) ลักษณะสมบัติการผลิตพลังงานไฟฟาเปลี่ยนแปลงตามอายุการใชงานนอยมาก สามารถใชงานใน สถานที่โดดเดี่ยว เชน ประภาคารและดาวเทียม ไดอยางมีความมั่นใจ อายุยืนนานกวา 20 ป 6) เนื่องจากผลึกซิลิคอนมีชองวางพลังงานชนิดไมตรง ดังนั้นสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงอาทิตยจึง มีคานอย การผลิตจึงใหหนาพอสมควร เชน หนากวา 100 μm

1.5.1 โครงสรางตางๆ ของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน โครงสรางพื้นฐาน รูปที่ 1.36 แสดงโครงสรางพื้นฐานของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนซึ่งเปนรอยตอ p-n อาจใชแผนฐานชนิด p ก็ได หรือใชแผนฐานชนิด n ก็ได แตเนื่องจากระยะทางการแพรซึมของอิเล็กตรอน ซึ่งเปนพาหะขางนอยในซิลิคอนชนิด p มีคามากกวาระยะทางการแพรซึมของโฮลซึ่งเปนพาหะขางนอยใน ซิลิคอนชนิด n ดังนั้นจึงนิยมใชแผนฐานชนิด p มากกวา นอกจากนี้ จากขอมูลการใชงานในดาวเทียมพบวา แผนฐานชนิด p มีความคงทนตอรังสีตางๆ ในอวกาศไดดีกวาดวย ที่ผิวดานบนมีการแพรซึมสารเจือปนใหเกิด ชั้นชนิด n+ ความลึกของรอยตอประมาณ 0.5 μm ที่ผิวดานบนสุดมีขั้วไฟฟาโอหมิกเปนเสนผอมๆ

1-46

รูปที่ 1.36 โครงสรางพื้นฐานของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนรอยตอ p-n

รูปที่ 1.37 ตัวอยางลวดลายของขั้วไฟฟาดานหนาแบบตางๆ เคลือบซึ่งเรียกวาเสนฟงเกอรหรือเสนนิ้วมือ (finger line) และมีขั้วโลหะพาดเชื่อมระหวางเสนฟงเกอรอีกครั้ง ซึ่งเรียกวาเสนบัสบาร (bus bar) เพื่อลดความตานทานของขั้วไฟฟา สําหรับที่ดานหลังของแผนฐานจะเคลือบ ขั้วไฟฟาโอหมมิกใหเต็มแผนฐาน รูปที่ 1.37 แสดงตัวอยางลวดลายของขั้วไฟฟาดานหนาแบบตางๆ

โครงสราง Violet Cell ในกรณีที่ตองการใหเซลลแสงอาทิตยมีผลตอบสนองตอแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นๆ สามารถทําไดโดย การออกแบบใหรอยตอมีความลึกนอยๆ เชน ประมาณ 0.1-0.2 μm นับจากผิวบน วิธีนี้อาศัยหลักการที่วา แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นจะถูกดูดกลืนที่ผิวมากที่สุด ดังนั้นเมื่อรอยตอตื้นมากๆ ก็จะทําใหพาหะเดินทางถึงผิว ดานบนไดดีขึ้น เซลลแสงอาทิตยนี้มีชื่อเรียกวา violet cell

โครงสราง BSF รูปที่ 1.38 แสดงตัวอยางผลการคํานวณความสัมพันธระหวางความหนาของแผนฐานชนิด p และ ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยว Si ซึ่งมีรอยตอชนิด n+-p และชนิด n+-p-p+ จากรูปนี้พบวา ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยจะเพิ่มขึ้นตามความหนาของแผนฐาน และจะไมเพิ่มอีกแมวาความหนาของ

1-47

รูปที่ 1.38 ผลการคํานวณความสัมพันธระหวางความหนาของแผนฐานชนิด p และประสิทธิภาพของ เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยว Si รอยตอ n+-p และ n+-p-p+

รูปที่ 1.39 แถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอ n+pp+ ซึ่งเรียกวา โครงสราง BSF แผนฐานจะมากกวา 100 μm แลวก็ตาม ดังนั้นจากรูปนี้ทําใหเราทราบวาแผนฐานสําหรับใชในเซลลแสงอาทิตยนั้นมีความหนาเพียงประมาณ 100 μm ก็เพียงพอแลว อยางไรก็ตาม ถาความหนาของแผนฐานนอยกวาคาๆ หนึ่ง จะทําใหอิเล็กตรอนที่เกิดจากแสงบางตัว แพรซึมไปรวมตัวกับโฮลที่ดานหลังของแผนฐานได เพื่อปองกันขอบกพรองนี้ จึงไดมีการออกแบบใหมีการ เติมสารเจือปนดานหลังของแผนฐานใหเปนชนิด p+ ดังนั้นเซลลแสงอาทิตยจึงมีรอยตอเปน n+pp+ และเรียก โครงสรางเชนนี้วา โครงสราง BSF (back surface field) เซลลแสงอาทิตยโครงสราง BSF มีคุณสมบัติเดน ดังนี้ - มีการดูดกลืนแสงที่มีความยาวคลื่นยาวไดดีขึ้น เพราะอิเล็กตรอนที่แพรซึมไปดานหลัง จะถูก กําแพงศักยของชั้น p+ สะทอนใหไหลกลับไปดานหนาดังแสดงในรูปที่ 1.39 - ชั้น pp+ ทําใหแรงดันไฟฟาวงจรเปดเพิ่มขึ้น - ชั้น p+ ชวยลดความตานทานอนุกรมของโฮลลง จึงทําใหฟลลแฟกเตอรของเซลลแสงอาทิตยดีขึ้น - ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้จะเพิ่มขึ้น แมวาแผนฐานจะบางลง ดังแสดงดวยเสนทึบ ในรูปที่ 1.38

โครงสรางสําหรับกักแสง 1) การใชฟลมปองกันการสะทอนแสง

1-48

ในชวงความยาวคลื่นแสง 400-1,100 nm ดัชนีหักเหแสงของวัสดุซิลิคอนมีคาคอนขางมากประมาณ 6.00-3.50 ดังนั้นจึงทําใหมีการสูญเสียอันเนื่องจาการสะทอนแสงที่ผิวดานรับแสงมีคามากถึง 54% ในยาน ความยาวคลื่นสั้น และมีการสูญเสียถึง 34% ในยานความยาวคลื่นยาว วิธีการลดการสูญเสียในกรณีนี้ทําได โดยการเคลือบฟลมบางๆ ที่โปรงใสและมีดัชนีหักเหแสงนอยที่บนผิวดานบนเพื่อใหทําหนาเปน “ชั้นปองกัน การสะทอนแสง” (anti-reflection layer) รายละเอียดเกี่ยวกับชั้น AR นี้ไดกลาวถึงแลวในหัวขอที่ 1.4.7 รูปที่ 1.40 แสดงตัวอยางสเปกตรัมการสะทอนแสงจากผิวของเซลลแสงอาทิตย โดยที่เสนหมายเลข (1) เปนกรณีผิวกระจกที่ยังไมมีชั้น AR เสนหมายเลข (2) เปนกรณีเคลือบชั้น AR (ดัชนีหักเหแสง 2.25) ลงบนผิวกระจก เสนหมายเลข (3) เปนกรณีผิวขรุขระ และเสนหมายเลข (4) เปนกรณีเคลือบชั้น AR ลงบน ผิวขรุขระ ตัวอยางวัสดุชั้น AR ที่นิยมใชกันไดแก Si3N4 , SiO2 , SnO2 เปนตน 2) การใชโครงสรางผิวขรุขระ เนื่องจากผิวดานรับแสงของเซลลแสงอาทิตยโดยทั่วไปเปนผิวเรียบมันแบบกระจกเงา ดังนั้นแมวาจะ เคลือบผิวดวยฟลมปองกันการสะทอนแสง แตก็ยังคงทําใหมีการสะทอนแสง วิธีการลดการสะทอนแสงที่ ไดผลมากอีกวิธีหนึ่งไดแก การทําใหผิวของซิลิคอนขรุขระแบบพีระมิดซึ่งเรียกวา “โครงสรางผิวเทกซเจอร” (textured surface) ดังแสดงในรูปที่ 1.41 ผิวขรุขระทําไดโดยการกัดผิวของแวนผลึกซิลิคอนดวยน้ํายาเคมีที่ เลือกเฉพาะ จะสามารถกัดใหผิวขรุขระแบบพีระมิด ในโครงสรางเชนนี้ แสงที่เดินทางเขามาจะสะทอนที่ผิว

รูปที่ 1.40 สเปกตรัมการสะทอนแสงจากผิวของเซลลแสงอาทิตย โดยที่เสนหมายเลข (1) เปนกรณีผิวกระจกที่ยังไมมีชั้น AR (2) เปนกรณีเคลือบชั้น AR (ดัชนีหักเหแสง 2.25) ลงบนผิวกระจก (3) เปนกรณีผิวขรุขระ และ (4) เปนกรณีเคลือบชั้น AR ลงบนผิวขรุขระ

รูปที่ 1.41 ภาพตัดขวางเซลลแสงอาทิตยที่มีผิวขรุขระแบบพีระมิดซึ่งเรียกวา “โครงสรางผิวเทกซเจอร”

1-49

ของพีระมิดและจะเบี่ยงเบนเขาสูเนื้อผลึกและเกิดการสะทอนแสงในผลึกหลายๆ ครั้ง และเนื่องจากแสงที่เดิน ทางเขาสูเนื้อผลึกมีทิศทางเฉียง ดังนั้นระยะทางการเดินของแสงในผลึกจะเพิ่มขึ้นและสงผลใหเกิดการดูดกลืน แสงในผลึกมากขึ้น เสนประหมายเลข (3) และ (4) ในรูปที่ 1.40 แสดงสเปกตรัมการสะทอนแสงกรณีผิว ขรุขระซึ่งจะเห็นไดวาการสะทอนแสงแทบไมมีเลย นิยมเรียกเซลลแสงอาทิตยที่มีทั้งชั้นปองกันการสะทองแสง และผิวขรุขระเชนนี้วา “เซลลดํา” (black cell) เพราะวาเมื่อเรามองผิวของเซลลแสงอาทิตย จะพบวาสีของ เซลลแสงอาทิตยเปนสีดํา วิธีการกัดผิวซิลิคอนระนาบ (100) ใหเปนพีระมิดซึ่งดานขางของพีระมิดจะเปนระนาบ (111) ทําได โดยการแชแวนผลึกลงในสารละลายไฮโดราซิน 60% ที่อุณหภูมิ 110 °C เปนเวลาประมาณ 10 นาที หรือแช ลงในสารละลายของโซดาไฟ (NaOH) 1% ที่กําลังเดือดเปนเวลาประมาณ 5 นาที

1.5.2 ประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน ในทางทฤษฎี ชอกลียไดคํานวณหาคาประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน [13] โดย สมมติวาโฟตอนที่มีคามากกวาชองวางพลังงานถูกสารกึ่งตัวนําดูดกลืนและโฟตอนทุกตัวสามารถผลิต อิเล็กตรอนได และใหสเปกตรัมของแสงอาทิตยมีรูปแบบสเปกตรัมของวัตถุดําที่อุณหภูมิ 6,000 K ผลการ คํานวณไดผลวา ประสิทธิภาพสูงสุดไดจากผลึกที่มีชองวางพลังงาน 1.1 eV และมีประสิทธิภาพ 44% แตผล การคํานวณนี้ไมสามารถนํามาใชไดในทางปฏิบัติ เพราะวาในเซลลแสงอาทิตยท่เี ปนจริงจะมีการสูญเสียตางๆ เกิดขึ้น ตอไปจะแสดงวิธีการประเมินหาคาประสิทธิภาพของเซลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนที่ใกลเคียง กับสภาพความเปนจริง ถาสมมุติใหวาโฟตอนแตละตัวที่มีพลังงานมากกวาชองวางพลังงาน 1.1 eV ของซิลิคอนสามารถผลิต อิเล็กตรอนได 1 ตัว ดังนั้นจากการคํานวณจํานวนโฟตอนทั้งหมดตลอดสเปกตรัมของแสงอาทิตย จะไดคา กระแสไฟฟาลัดวงจรเทากับ 37.7 mA/cm2 ที่แสงความเขม AM 1.5 (83.2 mW/cm2) หรือเทากับ 54.2 mA/cm2 ที่แสงความเขม AM 0 (135.3 mW/cm2) สําหรับคาในอุดมคติของแรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc คือ V oc =

kT q

ln(

I sc I0

+ 1)

(1.101)

โดยที่ I0 คือกระแสไฟฟายอนอิ่มตัวในขณะไมมีแสง สมการนี้บอกใหเราทราบวา ถาตองการ Voc คามาก ตองลดคา I0 ลง ในกรณีเซลลแสงอาทิตยชนิด ผลึกเดี่ยวซิลิคอน คา Voc สูงสุดที่เปนไปไดประมาณ 700 mV สําหรับฟลลแฟกเตอร FF นั้น จากประสบการณพบวามีความสัมพันธดังนี้ [28] FF =

v oc − ln( v oc + 0.72) v oc + 1

โดยที่ voc = Voc/(kT/q)

1-50

(1.102)

จากสมการนี้ ผลการคํานวณคาฟลลแฟกเตอร FF มีคา 0.846 ดังนั้นภายใตแสงอาทิตยความเขม AM 1.5 (83.2 mW/cm2) คาคาดคะเนสูงสุดที่นาจะเปนไปได ของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนคือ 26.5 % โดยคํานวณดังนี้ η max =

37.2 × 700 × 0.846 = 26.5% 83.2

(1.103)

1.5.3 โครงสรางตางๆ ของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน ที่มีประสิทธิภาพสูงมาก ประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนที่ผลิตไดในปจจุบันมีคาถึงระดับ 23% แลว ในหัวขอนี้จะขอยกตัวอยางโครงสรางแบบตางๆ ของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนที่ให ประสิทธิภาพสูง

เซลลแสงอาทิตยขนาดเล็ก 1) โครงสราง PESC รูปที่ 1.42 แสดงโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด PESC (passivated emitter solar cell) [29] มี ลักษณะเปนรอยตอ n-p ที่ดานรับแสงมีฟลมฉนวนออกไซดบางมาก (ประมาณ 2-3 nm) เคลือบไว ฟลม ฉนวนนี้ชวยลดการรวมตัวของอิเล็กตรอนและโฮลและเพิ่มแรงดันไฟฟาวงจรเปด ขั้วไฟฟาดานบนสัมผัส

รูปที่ 1.42 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด PESC (passivated emitter solar cell) [29] ทั้งฟลมฉนวนและชั้น n แผนฐานใชผลึก FZ-Si (Floating zone Si) ที่มีสภาพตานทานไฟฟาต่ํา (0.2 2 Ω.cm) ผลการวัดภายใตแสง AM1.5 (100mW/cm ) ไดประสิทธิภาพ 19.8 % [30-31 ] 2) โครงสรางไมโครกรูฟ รูปที่ 1.43 แสดงโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดไมโครกรูฟ (micro grooved passivated emitter solar cell) [31-32] โครงสรางพื้นฐานคลายกับโครงสราง PESC โดยที่ผิวดานรับแสงนั้นผลิตใหมีลักษณะ เปนรองซึ่งเรียกวา “ไมโครกรูฟ” มีลักษณะคลายหลังคาบาน ความลึกของไมโครกรูฟประมาณ 5 μm ระยะพิตช (pitch) ประมาณ 10 μm สรางดวยวิธีโฟโตลีโทกราฟและกัดดวยสารละลายของ NaOH ลักษณะ เดนของโครงสรางนี้คือ - ผิวไมโครกรูฟชวยใหสัมประสิทธิ์ของการสะทอนแสงลดลงจาก 3-4 % เปนนอยกวา 1% - แสงจะตกกระทบผิวในลักษณะมุมเฉียง ซึ่งจะสะทอนจากผิวไมโครกรูฟหนึ่งไปยังผิวไมโครกรูฟ ขางเคียงและเดินทางเขาสูเนื้อผลึกไดดีขึ้น ทําใหมีการดูดกลืนแสงเพิ่มขึ้น

1-51

- เนื่องจากผิวไมโครกรูฟเรียงตัวกันอยางเปนระเบียบ ทําใหสามารถสรางขั้วไฟฟาดานบนไดอยาง เปนระเบียบ เปนผลใหลดความตานทานอนุกรมได - สามารถผลิตใหเหมือนเดิมไดงาย (reproducibility) ตัวอยางผลการผลิตและวัดภายใตแสง AM1 (100mW/cm2) ไดลักษณะสมบัติเอาตพุตดังนี้ 2 Jsc = 38.3 mA/cm , Voc = 662 mV, FF = 0.824 และ ประสิทธิภาพ η = 20.9% [33]

รูปที่ 1.43 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดไมโครกรูฟ [31-32] 3) โครงสราง PERC เซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสราง PERC (passivated emitter and rear cell) แสดงในรูปที่ 1.44 ที่ ดานหลังมีการเคลือบวัสดุฉนวน SiO2 บางๆ และเปดชั้นฉนวนออก 2 mm จากนั้นเคลือบขั้วไฟฟา Al ใหเต็ม พื้นที่ดานหลังและอบที่อุณหภูมิ 400 °C เปนเวลา 15 นาที การออกแบบดานหลังเชนนี้ชวยใหแรงดันไฟฟา วงจรเปดดีขึ้นและลดการรวมตัวของพาหะที่ดานหลังและลดกระแสไฟฟายอนอิ่มตัว [12] ที่ดานหนา ออกแบบใหผิวรับแสงมีลักษณะขรุขระแบบ “พีระมิดคว่ํา” (inverted pyramid) ซึ่งเปนการชวยทําให สัมประสิทธิ์การสะทอนแสงที่ผิวมีคานอยที่สุด แผนฐานชนิด p มีสภาพตานทานไฟฟา 0.2 Ωcm ตัวอยางผล การผลิตและวัดภายใตแสง AM 1.5 ไดลักษณะสมบัติเอาตพุตดังนี้ Jsc = 40.3 mA/cm2, Voc = 696 mV, FF = 0.814 และประสิทธิภาพ η = 22.8% [12] 4) โครงสราง PERL โครงสราง PERC ที่กลาวมาแลวขางตนชวยทําใหความเร็วในการรวมตัวของพาหะที่ผิวดานหนา ดานหลังและภายในผลึกลดลง เปนผลทําให Voc และ Jsc เพิ่มขึ้น เซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสราง PERL (passivated emitter rear locally diffused) แสดงในรูปที่ 1.45 [34] ที่ดานหลัง มีการแพรซึมสารเจือปน

รูปที่ 1.44 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด PERC (passivated emitter and rear cell) [12]

1-52

รูปที่ 1.45 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด PERL (passivated emitter rear locally diffused) ชนิดโบรอนบริเวณที่อยูใกลรอยเปดของชั้นฉนวนใหมากเปนพิเศษโดยการใช BBr3 และแพรซึมที่อุณหภูมิ 900 °C เปนเวลา 15 นาที และอบที่อุณหภูมิ 1070 °C เปนเวลา 2 ชั่วโมง ตัวอยางผลการทดลองวัดภายใตแสง AM-1.5 ได Jsc =42.9 mA/cm2, Voc=696 mV, FF=0.81 และ ประสิทธิภาพ η = 24.2 % นับเปนประสิทธิภาพระดับสูงที่สุดของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก เดี่ยว Si ที่มีการรายงานในปจจุบัน 5) โครงสรางฝงขั้วไฟฟา แมวาเซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสรางตางๆ ที่กลาวมาแลวขางตนจะใหประสิทธิภาพสูงมากก็ตาม แต มีขอเสียที่ตองใชกระบวนการผลิตที่ยุงยากและหลายขั้นตอน จึงไดมีการเสนอโครงสรางใหมที่เหมาะสมตอการ ผลิตจํานวนมากๆ เชน การใชโครงสรางฝงขั้วไฟฟา (buried contact) ดังแสดงในรูปที่ 1.46 [35] ผิวดานรับ แสงมีลักษณะขรุขระแบบเทกซเจอร และมีการใชแสงเลเซอรเจาะผิวดานบนใหเปนรองที่ลึกประมาณ 40 μm และกวางประมาณ 20 μm ตอจากนั้นจึงแพรซึมสารเจือปนชนิด n เขาสูภายในรองนี้ ตัวอยางผลการผลิตเซลลแสงอาทิตยพื้นที่ 4 cm2 และวัดภายใตแสง AM1.5 ไดลักษณะสมบัติ เอาตพุตดังนี้ Jsc = 38.0 mA/cm2, Voc = 609 mV, FF = 0.802 และ ประสิทธิภาพ η = 18.6 %

เซลลแสงอาทิตยขนาดใหญ เซลลแสงอาทิตยที่มีการผลิตจํานวนมากในภาคอุตสาหกรรมมีพื้นที่ของเซลลตามขนาดของแผนเว เฟอร (wafer) เชนในกรณีรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสมีพื้นที่ประมาณ 10 cm × 10 cm หรือในกรณีรูปวงกลมมีเสน ผานศูนยกลาง 5 นิ้ว โดยทั่วไป เมื่อเซลลแสงอาทิตยมีพื้นที่ใหญขึ้น ประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานจะ ลดลง ทั้งนี้มีหลายสาเหตุ เชน 1) มีการสูญเสียอันเนื่องจากความตานทานอนุกรมของขั้วไฟฟามากขึ้น และ 2) พื้นที่ที่มีจุดบกพรองของผลึกมีขนาดมากขึ้น ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยที่มีพื้นที่ระหวาง 50-100 cm2 มีคาประมาณ 15-17%

รูปที่ 1.46 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดฝงขั้วไฟฟา (buried contact) [35]

1-53

1.6 เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอน หัวขอการพัฒนาและวิจัยเซลลแสงอาทิตยที่สําคัญในขณะนี้ไดแก การประดิษฐเซลลแสงอาทิตยที่มี ประสิทธิภาพสูงและการหาวิธีลดตนทุนการผลิต เนื่องจากตนทุนการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนมีแนวโนมวาถูกกวา ผลึกเดียวซิลิคอน ดังนั้นเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนจึงกําลังไดรับความสนใจในฐานะที่จะเปนเซลล แสงอาทิตยที่มีราคาถูกชนิดหนึ่งและปจจุบันมีการผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้ออกจําหนายแลวปหนึ่งหลายสิบ เมกะวัตต ผลึกโพลี Si ไดแก ผลึกที่มีระนาบของผลึกหลายชนิดปนอยูในระนาบเดียวกัน เชน (111) (211) (330) เปนตน เมื่อมองดูดวยตาเปลาก็จะเห็นความแตกตางของสีของแตระนาบอยางชัดเจน อาณาเขตของ ผลึกแตละระนาบเรียกวา “เกรน” (grain) เกรนแตละเกรนอาจมีรูปรางเกือบเปนทรงกลมหรือหลายเหลี่ยม หรือมีรูปรางที่ไมแนนอน เทคโนโลยีในปจจุบันสามารถผลิตผลึกโพลี Si ใหมีเกรนที่มีเสนผานศูนยกลางตั้งแต หลายสิบ μm ไปจนถึงหลายพัน μm ได ถาเกรนมีขนาดใหญกวาความหนาของเซลลแสงอาทิตย พาหะ โฟโต ที่เกิดจากแสงจะสามารถเดินทางผานรอยตอ p-n ออกสูวงจรภายนอกของเซลลแสงอาทิตยไดอยางมี ประสิทธิภาพ รูปที่ 1.47 แสดงผลการคํานวณความสัมพันธระหวางเสนผานศูนยกลางของเกรนและ ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย [36] จากรูปนี้จะพบวาประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยจะเพิ่มขึ้นเมื่อ เกรนมีขนาดใหญขึ้น ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลี Si ที่ผลิตในภาคอุตสาหกรรมสูงถึงระดับ 15% แลว

1.6.1 การผลิตผลึกโพลีซิลิคอน ผลึกโพลีซิลิคอนสามารถผลิตไดจากซิลิคอนทั้งวิธีการใชซิลิคอนที่มีสถานะเปนของเหลวและวิธีการใช กาซ รูปที่ 1.48 แสดงรายชื่อวิธีการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนจากสถานะของเหลว วิธีแคสติง (casting) ไดแก การหลอซิลิคอนเหลวลงในเบา รูปปริมาตรสี่เหลี่ยม เมื่อเย็นลง ผลึก ซิลิคอนจะมีลักษณะเปนแทงแข็ง (ingot) ตอจากนั้นจึงตัดใหเปนแผนบางๆ (slicing) บริษัทที่เปนผูนํา

รูปที่ 1.47

ผลการคํานวณความสัมพันธระหวางเสนผาศูนยกลางของเกรนและประสิทธิภาพของ เซลลแสงอาทิตย [36]

1-54

รูปที่ 1.48 รายชื่อวิธีการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนจากสถานะของเหลว เทคโนโลยีวิธีนี้ไดแก บริษัท Wacker และเรียกเทคโนโลยีการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนเชนนี้วา “วิธี Silso” รูปที่ 1.49 แสดงวิธีการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนดวยวิธี Silso สามารถผลิตผลึกโพลีซิลิคอนที่มีขนาดของเกรนใหญ ระดับหลายมิลลิเมตรได บริษัท Crystal System ก็มีการพัฒนาเทคโนโลยี “HEM: heat exchange method” เทคโนโลยีการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนอีกวิธีหนึ่งคือ วิธีชีติง (sheeting method) ไดแก การหลอซิลิคอน เหลวใหเปนแผนบางๆ ซึ่งมีหลายเทคโนโลยีเชน EFG (edge-defined film-fed growth), S-web

รูปที่ 1.49 วิธีการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนดวยวิธี Silso

1-55

รูปที่ 1.50 เทคโนโลยีการผลิตผลึกโพลี Si แบบแคสตริบบอน (cast-ribbon) (supported web), SCIM(silicon coating by inverted meniscus) รูปที่ 1.50 แสดงตัวอยางเทคโนโลยีแคสต ริบบอน (cast-ribbon) สามารถดึงแผนผลึกโพลีซิลิคอนที่มีความกวาง 200 mm หนา 0.3 mm ไดดวย ความเร็ว 400 cm2/min เซลลแสงอาทตยที่ผลิตจากผลึกวิธีแคสตริบบอนนี้มีประสิทธิภาพสูงกวา 13% [37]

1.6.2 อิทธิพลของเกรนที่มีตอคุณสมบัติทางไฟฟาและแสง ปญหาหลักที่เกิดขึ้นในผลึกโพลีซิลิคอนไดแก อิทธิพลของเกรนที่มีตอคุณสมบัติทางไฟฟาและแสง อะตอมซิลิคอนที่อยูบริเวณผิวรอบๆ เกรนนั้นปกติจะมีพันธะที่ไมสมบูรณ กลาวคือ จะมีแขนขาด (dangling bonds) ซึ่งไมมีอะตอมซิลิคอนตัวอื่นมาสรางพันธะดวย อิเล็กตรอนซึ่งเปนแขนขาดนั้นมีคุณสมบัติที่ไวตอการ จับอิเล็กตรอนจากธาตุอื่นๆ มาก ดังนั้นในขณะที่กําลังปลูกผลึกโพลีซิลิคอน อิเล็กตรอนที่เปนแขนขาดจึงมี โอกาสที่จะสรางพันธะกับสารเจือปนหรือสารแปลกปลอมไดงาย และในทางอิเล็กทรอนิกสจะทําใหเกิดสถานะ ที่ไมพึงปรารถนาอยูภายในชองวางพลังงานของซิลิคอนซึ่งเรียกวา “สถานะของจุดบกพรอง” (defect states) สถานะของจุดบกพรองเหลานี้จะทําหนาที่คอยดักจับพาหะขางนอยที่เกิดจากแสงไมใหเดินทางออกไปสูวงจร ภายนอกและสงผลใหเวลาอายุ (life time) ของพาหะขางนอยลดลง นอกจากนี้ การจับพาหะดังกลาวยังทําใหเกิดสภาพไอออนขึ้นที่พรมแดนของเกรน และทําให แถบพลังงานที่พรมแดนเกิดเสนโคงดังแสดงในรูปที่ 1.51 ในรูปนี้แสดงกรณีสารกึ่งตัวนําชนิด n แตสามารถ ใชไดกับกรณีชนิด p ดวย กรณี (ก) ไดแกกรณีที่พรมแดนของเกรนมีสภาพเปนไอออนลบและสถานะของจุดบกพรองจะ กระจายอยูเหนือกึ่งกลางของชองวางพลังงาน ทําใหแถบพลังงานที่พรมแดนโคงงอสูงขึ้น ที่พรมแดนดังกลาว จะเกิดเปนชั้นปลอดพาหะ (depletion layer) ในสภาพเชนนี้ พาหะขางมากจะตองกระโดดขามกําแพงศักย จึง จะเดินทางผานสวนแหลมนี้ไปได ผลทําใหคาสภาพความคลองตัวลดลงอยางมากและความตานทานอนุกรม ของผลึกจะมีคาสูงขึ้น [38] ขณะเดียวกันพาหะขางนอยจะถูกสนามไฟฟาที่พรมแดนนี้ดึงดูดใหไปรวม

1-56

รูปที่ 1.51

แถบพลังงานและการเกิดสถานะของจุดบกพรองบริเวณพรมแดนของเกรนใน ผลึกโพลีซิลิคอน

ตัวที่พรมแดน และในที่สุดพาหะขางนอยก็จะถูกจับไวที่สถานะของจุดบกพรอง เปนผลใหเวลาอายุของพาหะ ขางนอยลดลงอยางมาก กรณี (ข) ไดแกกรณีที่สถานะของจุดบกพรองอยูที่ใตกึ่งกลางของชองวางพลังงาน ทําให แถบพลังงานถูกดัดใหแหลมและสูงขึ้น และที่บริเวณพรมแดนนั้นจะมีชั้นอินเวอรชัน (inversion layer) เกิดขึ้น กรณี (ค) ไดแกกรณีที่สถานะของจุดบกพรองอยูชิดขอบของแถบคอนดักชัน และระดับเฟรมีที่ บริเวณพรมแดนของเกรนจะอยูชิดแถบคอนดักชันมากกวาระดับเฟรมีที่อยูภายในเกรน พรมแดนเชนนี้จะทํา หนาเปนชั้นสะสมพาหะ (accumulation layer) อยางไรก็ตามในกรณีนี้ ทั้งพาหะขางมากและพาหะขางนอยจะ ไมไดรับอิทธิพล ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยจึงไมไดรับอิทธิพล เราสามารถสรางใหเกิด สภาพเชนนี้ไดโดยการแพรซึมสารเจือปนชนิด n (โดเนอร) ใหไปเกาะติดที่พรมแดนใหมากที่สุด เทคโนโลยีที่สามารถลดจํานวนแขนขาดที่พรมแดนของเกรนที่ไดผลไดแก การใชไฮโดรเจนพลาสมา โดยการวางแผนผลึกโพลีซิลิคอนในเครื่อง plasma CVD ซึ่งมีสนามไฟฟากระตุนใหกาซไฮโดรเจนแตกตัวเปน พลาสมา อะตอมของไฮโดรเจนจะไปเกาะกับแขนขาดของซิลิคอน ทําใหจํานวนแขนขาดลดลงได [39-40] อีก วิธีหนึ่งไดแก การใชไอออนของไฮโดรเจนฝงเขาสูผิวของผลึก (ion implantation) [41] ตัวอยางเงื่อนไขที่ใชยิง ไอออนที่ไดผลคือ พลังงานไอออน 0.5-2 keV ความหนาแนนของกระแสไอออน 0.2-0.6 mA/cm2 ความ หนาแนนของการฝงไอออน 5×1017 cm-2

1.6.3 การทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอน เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนมีโครงสรางพื้นฐานเปนรอยตอ p-n และมีหลักการทํางาน เหมือนกับเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน ประเด็นที่เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนมีความ แตกตางออกไปไดแก (1) มีเกรนอยูในผลึก พาหะขางนอยที่เกิดจากแสงจะถูกกักใหรวมตัวที่พรมแดนของเกรน (2) การเดินทางของพาหะขางมาก จะตองกระโดดขามกําแพงศักยที่โคงงอขึ้นที่พรมแดนของเกรน ทําใหความตานทานอนุกรมของเซลลมีคาสูงขึ้น (3) ความสูงของกําแพงศักยที่บริเวณพรมแดนของเกรน เปลี่ยนแปลงตามความเขมของแสงที่ตก กระทบ (4) เนื่องจากในกระบวนการผลิตลึกโพลี ใชเงื่อนไขใหความเร็วของการเติบโตของผลึกมีคาสูง ดังนั้นจึงทําใหจุดบกพรองภายในผลึกมีจํานวนมากดวย

1-57

นอกจากนี้ กรณี (1) ยังทําสงผลทําใหแรงดันไฟฟาวงจรเปดของเซลลแสงอาทิตยลดลงดวย และถา สภาพนําไฟฟาตามแนวพรมแดนมีคาสูง ก็จะทําใหความตานทานชันต (shunt resistance) ลดลง ซึ่งจะทําให ฟลลแฟกเตอรของเซลลแสงอาทิตยลดลงได ผลึกโพลีซิลิคอนที่ดีไมควรมีเกรนรูปรางสุม แตควรมีเกรนที่มีลักษณะเปนทอนยาว (column structure) ในทิศทางตามความหนาของแผนผลึก และเกรนทอนยาวนั้นตองไมมีการขาดตลอดความหนาของ แผนผลึก เกรนที่มีลักษณะเชนนี้จะทําใหความเร็วในการรวมตัวของพาหะที่พรมแดนมีคานอยกวากรณีเกรน รูปรางอื่นๆ โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนที่กําลังไดรับความสนใจในปจจุบันมีดังตอไปนี้ (1) โครงสรางรูปอักษร “V” แสดงในรูปที่ 1.52 ที่ผิวดานรับแสงถูกเครื่องมือกลไสใหเปนรอง รูปอักษร “V” ดวยเหตุผลเพื่อตองการลดการสูญเสียอันเนื่องจากการสะทอนแสง ขนาดของพิตช 70 μm ลึก 70 μm ตอจากนั้นใชน้ํายาเคมีชนิดกรดและดางกัดผิวอีกครั้งเพื่อลดจํานวนของแขนขาดที่ผิว ขั้วไฟฟาดานรับ แสงใชขั้วโลหะชนิด MgF2 และเคลือบดวย SiO2 เพื่อลดการเกิดปฏิกิริยาตางๆ ดานหลังของเซลลใช Al เปน ขั้วไฟฟา ขั้วไฟฟาดานหนามีความกวาง 50 μm และพิตช 2.2 mm ประสิทธิภาพที่ไดสูงถึง 17% [42]

รูปที่ 1.52 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนที่ผิวมีโครงสรางรูปอักษร “V” [42] (2) โครงสรางขั้วไฟฟา 3 ขั้วแสดงในรูปที่ 1.53 ที่ผิวดานรับแสงมีขั้วลบ 1 ขั้ว ที่ผิวดานหลังมี ขั้วบวก 1 ขั้ว และมีขั้วลบอีก 1 ขั้ว สามารถรับแสงไดทั้งดานบนและดานลาง [43] (3) โครงสราง BSNSC แสดงในรูปที่ 1.54 มีฟลมซิลิคอนไนไตรดเคลือบทับทั้งที่ผิวดานหนาและ ดานหลัง (passivation) ฟลมซิลิคอนไนไตรดไดจากการแยกสลายกาซ SiH4 และ NH3 ดวยวิธี plasma CVD เนื่องจากใชกาซ H2 ผสมดวยปริมาณมาก ดังนั้นจึงมีผลการทําใหไฮโดรเจนไปเกาะที่แขนขาดของผลึกโพลี ซิลิคอนดวย การทําใหผิวดานหนาขรุขระ (textured) นั้นทําดวยวิธีทางโฟโตลีโทกราฟ ลวดลายของขั้วดานหนา มีขนาดเล็กมากและชั้นที่ใตขั้วเหลานั้นมีการโดปใหเปนชั้น n+ ทําใหมีประสิทธิภาพสูงถึง 16.4% พื้นที่เซลล แสงอาทิตยเทากับ 15 cm2 [44]

1-58

รูปที่ 1.53 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนที่มีขั้วไฟฟา 3 ขั้ว [43]

รูปที่ 1.54 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนชนิด BSNSC [44]

1-59

1.7 เซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอน สิ่งประดิษฐออปโตอิเล็กทรอนิกสที่ผลิตจากสารกึ่งตัวนําชนิดอะมอรฟสซิลิคอน (a-Si:H) ที่มีการใช งานกันแพรหลายและรูจักกันมากที่สุดไดแก เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ปจจุบันเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มีการใชงานตั้งแตสําหรับผลิตกระแสไฟฟาใหเครื่องคิดเลขที่มีขนาดเล็กๆ ไปจนถึงการผลิต กระแสไฟฟาใหระบบสายสงกระแสไฟฟาปริมาณมากๆ เนื่องจากคุณสมบัติทางฟสิกสของ a-Si:H แตกตางไปจากกรณีของผลึกซิลิคอน (c-Si) ในหลายๆ ดาน เชน สัมประะสิทธิ์การดูดกลืนแสง ความคลองตัว แก็ปสเตต ฯลฯ ดังนั้นการออกแบบเซลลแสงอาทิตย ชนิด a-Si:H จึงตองแตกตางไปจากกรณีเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si ในหัวขอนี้จะกลาวถึงพื้นฐานของ เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ซึ่งไดแก หลักการทํางานพื้นฐาน การออกแบบ การประดิษฐ คุณสมบัติพื้นฐาน การปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ตลอดจนจะกลาวถึงความกาวหนาในการพัฒนา และการใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ที่มีโครงสรางพิเศษตางๆ

1.7.1 ประวัติการพัฒนาเซลลแสงอาทิตยชนิดฟลมบางของ อะมอรฟสซิลิคอน เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มีขอดีเดนกวาเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si หลายประการ เชน ผลิต จากวัสดุอะมอรฟสซิลิคอนซึ่งมีราคาถูกกวา ผลิตเปนฟลมบางไดจึงประหยัดวัสดุกวา ผลิตเปนพื้นที่ใหญๆ ได และมีน้ําหนักเบา เปนตน เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ไดรับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกโดย D. E. Carlson และ C. R. Wronski ที่บริษัท RCA ประเทศสหรัฐอเมริกา เมื่อ ค.ศ. 1976 [45-47] โดยเริ่มตนใชโครงสรางชอตตกีแบรเรียร และมีประสิทธิภาพประมาณ 2.4 % และตอมาพัฒนาเปนโครงสรางแบบ p-i-n หลังจากนั้นนักวิจัยจากหลาย แหงไดใหความสนใจปรับปรุงประสิทธิภาพใหดีขึ้นเรื่อยๆ ปจจุบันเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มี ประสิทธิภาพสูงกวา 12% แลว [48-49] ทางดานภาคอุตสาหกรรมนั้น ใน ค.ศ. 1979 บริษัท Sanyo จํากัด ประเทศญี่ปุนเปนบริษัทแรกที่ไดผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H พื้นที่ 1 cm × 4 cm เพื่อประยุกตใชงาน ผลิตกระแส ไฟฟาใหกับเครื่องคิดเลขอิเล็กทรอนิกส หลังจากนั้นไดมีบริษัทตางๆ มากมายเริ่มผลิตเซลล แสงอาทิตยชนิด a-Si:H ใหมีขนาดใหญขึ้นดังตัวอยางในรูปที่ 1.55 และขณะนี้ไดมีการใชงานกวางขวางขึ้นทั้ง ในการผลิตไฟฟาใหผลิตภัณฑไฟฟาตางๆ และระบบไฟฟากําลัง สําหรับในประเทศไทย ปจจุบัน หนวยงานที่สามารถ

รูปที่ 1.55 ตัวอยางแผงเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ขนาดใหญ (ภาพเอื้อเฟอจากบริษัท Fujielectric จํากัด)

1-60

ประดิษฐเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้ไดแลวไดแก หองปฏิบัติการวิจัยสิ่งประดิษฐสารกึ่งตัวนํา จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย [50-54]

1.7.2 คุณสมบัติดีเดนของเซลลแสงอาทิตยชนิดฟลมบางของอะมอรฟสซิลิคอน อะมอรฟสซิลิคอน (a-Si:H) มีคุณสมบัติดีเดนหลายขอที่ทําใหไดรับความสนใจในการนํามาผลิตเปน เซลลแสงอาทิตย คือ 1. a-Si:H มีคาสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงที่สูงมากในยานยอดของสเปกตรัมของแสงอาทิตย (สูง 5 กวา 10 cm-1) ดวยเหตุนี้จึงทําใหเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ไมตองใชความหนามาก ความหนาโดยทั่วไป ของเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้เพียง 0.5 μm ดังนั้นจึงชวยลดตนทุนการผลิตได 2. a-Si:H ผลิตดวยกรรมวิธีที่ใชอุณหภูมิต่ํา (200-250 °C) ทําใหประหยัดพลังงานในการผลิต และสามารถเคลือบเปนพื้นที่กวางใหญไดงาย 3. ชองวางพลังงานของ a-Si:H มีคาประมาณ 1.7-1.8 eV ซึ่งเปนคาที่ใกลกับคาพลังงานโฟตอน ของยอดของสเปกตรัมของแสงอาทิตย จึงเหมาะตอการใชงานเปนเซลลแสงอาทิตย 4. สามารถผลิตใหเปนเซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสรางในลักษณะวงจรรวม (integrated-type) หรือ ซอนทับหลายชั้น (multi-layers) เพื่อใหไดแรงดันไฟฟาและประสิทธิภาพสูง โดยใชกรรมวิธีของการผลิต ฟลมบาง ทําใหชวยลดตนทุนการผลิตได 5. วัสดุเริ่มตนคือ ซิลิคอนและไฮโดรเจน เปนวัตถุดิบที่มีปริมาณมากบนพื้นโลกและราคาถูก

รูปที่ 1.56 ความสัมพันธระหวางตนทุนการผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ และ ปริมาณการผลิตตอปของโรงงาน 1 แหง 6. สามารถโดป a-Si:H ใหเปนชนิด n และชนิด p ไดงาย โดยใชฟอสฟอรัสและโบรอนตามลําดับ 7. a-Si:H มีคาสภาพนําไฟฟาดวยแสงดี 8. สามารถใชวัสดุชนิดตางๆ เปนแผนฐานได เชน กระจก โลหะ เซรามิก พอลิเมอร ฯลฯ ทําให สามารถผลิตเซลลแสงอาทิตยที่มีรูปรางแปลกๆ ได หรือดัดใหโคงงอได

1-61

รูปที่ 1.56 แสดงความสัมพันธระหวางตนทุนการผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ และปริมาณการ ผลิตตอปของโรงงาน 1 แหง จากรูปนี้จะเห็นวาเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มีตนทุนการผลิตที่ต่ํากวาเซลล แสงอาทิตยชนิดอื่นๆ ถาโรงงานหนึ่งสามารถผลิตไดในปริมาณ 10 เมกะวัตตขึ้นไปตอป ก็จะทําใหตนทุน ลดลงต่ํากวา 1 ดอลลาร/วัตต ได [55-56] ในระยะชวงตนๆ ของการพัฒนาเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มีปญหาเกี่ยวกับการเสื่อมลงของ ประสิทธิภาพ แตในชวง ค.ศ. 1995 เปนตนมาไดมีการปรับปรุงขอบกพรองนี้ใหดีขึ้นดวยการเสนอการผลิต เซลลแสงอาทิตยใหมีโครงสรางซอนทับหลายๆ ชั้น

1.7.3 พื้นฐาน เมื่อเราสองแสงที่มีพลังงานโฟตอนมากกวาชองวางพลังงาน (Eg) เขาสูสารกึ่งตัวนํา แสงนั้นจะถูก สารกึ่งตัวนําดูดกลืน และแสงจะกระตุนใหเกิดอิเล็กตรอนอิสระขึ้นในแถบคอนดักชันและเกิดโฮลอิสระขึ้นใน แถบเวเลนซ ปรากฏการณเชนนี้สังเกตไดจากการเพิ่มขึ้นของสภาพนําไฟฟาดวยแสง (photoconductivity) หรือกระแสไฟฟาโฟโต (photocurrent) ถาสารกึ่งตัวนํานั้นประกอบดวยรอยตอ p-n ซึ่งที่รอยตอนั้นจะมีความ ลาดของพลังงานศักยกลาวคือ ถามีแรงดันไฟฟาภายใน (built-in potential) อิเล็กตรอนอิสระและโฮลอิสระที่ ถูกผลิตดวยแสง ก็จะถูกแรงดันไฟฟาภายในนั้นพัดพาใหไหลไปในทิศทางตรงขามกัน (อิเล็กตรอนไหลสวน ทางกับทิศทางของสนามไฟฟา สวนโฮลไหลตามทิศทางของสนามไฟฟา) ทําใหประจุอิเล็กตรอนและโฮ ลแยกตัวออกจากกันและเปนผลใหเกิดแรงดันไฟฟาเอาตพุตขึ้นที่ปลายทั้งสองของรอยตอ p-n นี้ เราเรียก ปรากฏการณนี้วา ปรากฏการณโฟโตโวลทาอิก (photovoltaic effect) และเปนหลักการทํางานพื้นฐานของ เซลลแสงอาทิตย ประสิทธิภาพการทํางานของเซลลแสงอาทิตยถูกกําหนดโดยความเหมาะสมของลักษณะของสเปกตรัม ของแสงอาทิตยและขนาดของชองวางพลังงาน และสเปกตรัมของสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงของสารกึ่งตัวนํา นอกจากนี้ เนื่องจากปรากฏการณโฟโตโวลทาอิกเปนปรากฏการณทางควอนตัมชนิดหนึ่ง ดังนั้นสเปกตรัมของ แสงอาทิตยที่กําลังกลาวถึงจึงไมไดหมายถึง radiative power spectrum แตหมายถึง photon flux spectrum สเปกตรัมของแสงอาทิตยที่วัดไดบนโลกเปลี่ยนแปลงไดตามเงื่อนไขตางๆ เชน ตําแหนงเสนรุง เสนแวง เวลา สภาพภูมิอากาศ และสภาพแวดลอมอื่นๆ และเนื่องจากรอบโลกมีชั้นบรรยากาศหอหุมอยู ดังนั้นแสงอาทิตย บางสวนจะถูกชั้นบรรยากาศดูดกลืนไวกอนที่จะเดินทางถึงพื้นผิวโลก หนวยมาตรฐานที่แสดงลักษณะ สเปกตรัมของแสงอาทิตยที่ใชกันในปจจุบัน มีชื่อเรียกวา Air Mass (ยอวา AM) การวัดสเปกตรัมเมื่อ แสงอาทิตยตกลงมาในแนวดิ่งเรียกวา AM1 ถาวัดในอวกาศมีคา AMO สเปกตรัมของแสงอาทิตยที่วัด บนโลกโดยมาตรฐานมีคา AM 1.5 รูปที่ 1.57 แสดงลักษณะสเปกตรัม AMO และ AM 1.5 พลังงานของ แสงอาทิตยที่มีอยูในสเปกตรัม AM1-1.5 มีคาประมาณ 100 mW/cm2 ดังนั้นถาเซลลแสงอาทิตยมีพื้นที่ 100 cm2 และมีประสิทธิภาพ 10% เราก็จะไดพลังงานไฟฟาจากเซลลแสงอาทิตยประมาณ 1 W

1-62

รูปที่ 1.57 สเปกตรัมการแผรังสีของแสงอาทิตยที่ AM0 และ AM1.5 ในกรณีที่เซลลแสงอาทิตยผลิตจากวัสดุ a-Si:H ซึ่งมีชองวางพลังงาน Eg ประมาณ 1.7 eV เรา สามารถคํานวณหาคาจํานวนสูงสุดของคูของอิเล็กตรอนและโฮลที่จะผลิตไดในเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้ตอหนึ่ง หนวยพื้นที่และใน 1 วินาที ไดโดยการหาคาปริพันธของสเปกตรัมของแสงอาทิตยในบริเวณที่พลังงานโฟตอนมี คามากกวา 1.7 eV ขึ้นไป ซึ่งจะไดคาประมาณ 3×1019 cm-2S-1 ถาสมมติใหวาอิเล็กตรอนและโฮลทั้งหมด นี้สามารถกลายเปนกระแสไฟฟาโฟโต เราจะไดกระแสไฟฟาเอาตพุตประมาณ 22 mA/cm2 อยางไรก็ตาม พลังงานของคูอิเล็กตรอนและโฮลที่ถูกผลิตดวยโฟตอนที่มีพลังงาน hν จะมีคาไดสูงสุดก็เพียง Eg เทานั้น ดังนั้นพลังงานสวนเกินคือ hν-Eg ก็จะสูญเสียไปในรูปของความรอนซึ่งไมไดนํามาใชใหเปนประโยชน การ สูญเสียในลักษณะเชนนี้เรียกวา “voltage loss factor” ดังนั้นถาเราหารพลังงานของคูอิเล็กตรอนและโฮลคือ Eg ดวยประจุ q ก็จะไดแรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุดที่จะไดจากเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H กลาวคือ ประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ในอุดมคติจะมีคาประมาณ 22 (mA/cm2)×1.7 (V)/100 (mW/cm2) ซึ่งคือ 37% แตในทางปฏิบัติจริงๆ แรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยจะมีคาไมถึง Eg แตจะถูก กําหนดดวยคาแรงดันไฟฟาภายใน (built-in potential) ของรอยตอ p-n ยิ่งไปกวานี้ กระแสไฟฟา (J) ที่ ไหลในเซลลแสงอาทิตย นอกจากจะประกอบดวยกระแสไฟฟาโฟโต (Jph) ที่เกิดจากแสงแลวยังมี กระแสไฟฟาของรอยตอ (Jdi) ที่เกิดจากการมีการไบแอสดวยตนเอง (self-bias) และพาหะที่เกิดจากการ กระตุนดวยความรอนไหลในทิศทางตรงขามกับ Jph ดังนั้นคาสูงสุดของแรงดันไฟฟาและกระแสไฟฟา เอาตพุตที่กลาวขางตนจึงหมายความถึงคาสูงสุดของแรงดันไฟฟาวงจรเปด (Voc) และกระแสไฟฟาลัดวงจร (Jsc) ในการใชงานจริง พลังงานไฟฟาเอาตพุตสูงสุดในสภาพโหลดที่เหมาะสมที่สุดจะเปนผลคูณของ Voc และ Jsc และ FF (ฟลลแฟกเตอร: Fill Factor) ซึ่งเปนพารามิเตอรที่ถูกกําหนดดวยแหลงที่มาและคุณสมบัติ พิเศษของกระแสไฟฟาที่ไหลในเซลลแสงอาทิตย กระแสไฟฟาที่ไหลในเซลลแสงอาทิตยมีรูปแบบที่งายที่สุด ดังนี้ J (V ) = J ph − J 0 [exp(

qV nkT

) − 1]

(1.104)

โดยที่พจนแรกทางขวามือคือ กระแสไฟฟาโฟโต (photocurrent) และพจนที่สองทางขวามือคือ กระแสไฟฟา ของรอยตอ (junction current)

1-63

ถากระแสไฟฟาที่ไหลผานรอยตอทั้งหมดขึ้นกับกระบวนการแพรซึมและใชการคํานวณดวยทฤษฎีของ ผลึกรอยตอ p-n เราจะไดคาประสิทธิภาพในอุดมคติของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ซึ่งมีชองวางพลังงาน 1.7 eV ไดประมาณ 20-25%

1.7.4 หลักการทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n จะไดกลาวถึงในภายหลังวา การทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ที่เปนจริงไมไดแสดงดวย สมการที่ (1.104) หรือถาแมวาจะยอมใหใชสมการที่ (1.104) แตในรายละเอียดจะตองคํานึงดวยวา Jph เปนฟงกชันของแรงดันไฟฟา และ J0 และ n ก็เปนฟงกชันของทั้งแรงดันไฟฟาและลักษณะสเปกตรัมและ ความเขมของแสงอาทิตย คุณสมบัติเชนนี้สามารถตรวจสอบไดจากการวัด “ประสิทธิภาพของการกวาดเก็บ พาหะ” (carrier collection efficiency) ซึ่งแสดงประสิทธิภาพของการเกิดกระแสไฟฟาโฟโตเมื่อ a-Si:H ถูก กระตุนดวยโฟตอน 1 ตัว วามีคุณสมบัติขึ้นกับการไบแอสดวยแรงดันไฟฟาจากภายนอกอยางไร ดังนั้นคา FF ของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H จึงมิไดขึ้นกับลักษณะสมบัติของกระแสไฟฟาของรอยตอในพจนที่ สองของสมการที่ (1.104) แตเพียงอยางเดียว แต FF นั้นจะขึ้นกับลักษณะสมบัติ (ของการขึ้นกับ แรงดันไฟฟา) ของ Jph ดวย ลักษณะสมบัติตางๆ เหลานี้ กลาวไดวาเปนหลักการพื้นฐานของการทํางานของ เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ตอไป จะกลาวถึงลักษณะสมบัติพิเศษของการทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H โดยพิจารณา สิ่งที่กลาวมาแลวขางตน เริ่มแรกจะกลาวถึงโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H และหนาที่การทํางานของแตละสวน หรือแตละชั้น วัสดุ a-Si:H สามารถโดปดวยสารเจือปนใหมีคุณสมบัติทางไฟฟาเปนชนิด n และ p ได แตการ โดป a-Si:H จะทําใหจํานวนหรือความหนาแนนของจุดบกพรอง (ซึ่งเปนศูนยกลางของการรวมตัว) เพิ่มขึ้น ดังนั้นแมจะนํา a-Si:H ชนิด p และ n มาสรางเปนรอยตอ ก็จะไมไดลักษณะสมบัติ p-n ของไดโอดที่ดีไดเลย ดวยเหตุนี้จึงตองหาวิธีแกไขโดยการใสชั้นวัสดุ a-Si:H ชนิดบริสุทธิ์ (undoped) เขาตรงกลางระหวางชั้น p และ n จึงทําใหเซลลแสงอาทิตยมีโครงสรางพื้นฐานเปนรอยตอ p-i-n ดังแสดงในรูปที่ 1.58 [57] ใน โครงสรางเชนนี้ ชั้น i ทําหนาที่เปนชั้นแอกทิฟ (active layer) ที่ผลิตกระแสไฟฟาโฟโต สวนชั้น p และ n ทํา หนาที่สรางแรงดันไฟฟาของรอยตอ กระแสไฟฟาโฟโตที่ไดจากรอยตอ p-i-n จะมีคามากนอยเพียงไรขึ้น

รูปที่ 1.58 โครงสรางพื้นฐานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H กับความสามารถในการดูดกลืนแสงอยางมีประสิทธิภาพของชั้น i จากแนวความคิดที่จะพยายามใหแสงผาน เขาสูชั้น i มากที่สุดไดมีการพัฒนาวัสดุใหมสําหรับ ชั้น p และ n ที่มีชองวางพลังงานกวางกวาชองวางพลังงาน ของชั้น i เชน อะมอรฟสซิลิคอนคารไบด (a-SiC:H) และ ไมโครคริสตัลไลนซิลิคอน (μc-Si:H) นอกจากนี้เนื่องจากสภาพนําไฟฟาของชั้น p และ n ยังไมดีพอ ดังนั้นเพื่อลดการสูญเสียกระแสไฟฟาอัน

1-64

เนื่องจากความตานทานจึงไดมีการใชชั้นขั้วโปรงใสชนิด SnO2 และ ITO ฉาบไวดานหนาและใชโลหะ เชน Al, Ag ฉาบไวดานหลังของชั้น p-i-n แรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc ของเซลลแสงอาทิตยมีรูปทั่วไปดังนี้ Voc = ∫

σ ph ( x ) σ D ( x ) + σ ph ( x )

E ( x ) dx

(1.105)

โดยที่ σph(x) คือสภาพนําไฟฟาดวยแสงที่ตําแหนง x σD(x) คือสภาพนําไฟฟามืดที่ตําแหนง x และ E(x) คือสนามไฟฟาภายในรอยตอ (internal electric field) ที่ตําแหนง x ถาหากวาในชั้น p และ n ให σph(x) << σD(x) และในชั้น i ให σph(x) >> σD(x) คาสูงสุดของ Voc จะหาไดโดยการหาคาปริพันธของ E(x) ดวย x ในชั้น i ทั้งหมด ซึ่งผลที่ไดก็จะเทากับผลตางของศักยที่ปลาย ทั้งสองขางของชั้น i นั่นเอง ศักยนี้เรียกวา แรงดันไฟฟาภายในประสิทธิผล (effective built-in potential) ถาใหชื่อยอวา Vb จากรูปที่ 1.59 เราจะไดสมการใกลเคียงของ Vb ดังนี้ q ⋅ Vb = ε g ( i ) − Δε n − Δε p + δ n + δ p − ΔΦ n − ΔΦ p

โดยที่

ε g (i )

Δε p , Δε n

δn δp ΔΦn , ΔΦ p

(1.106)

คือ ชองวางพลังงานของชั้น i คือ พลังงานแอกทิเวชัน (activation energy) ของสภาพนําไฟฟาของชั้น p และ n ตามลําดับ คือ ความสูงของกําแพงศักยของแถบคอนดักชันที่รอยตอของ n/i คือ ความสูงของกําแพงศักยของแถบเวเลนซที่รอยตอของ p/i คือ พารามิเตอรที่มีคาเปนบวกและขึ้นกับการคุณสมบัติโอหมิกระหวางชั้น n กับขั้วโลหะ และ ชั้น p กับขั้วโปรงใสตามลําดับและจะมีคาเขาหาศูนยเมื่อชั้น n และ p หนาขึ้น

สมการที่ (1.106) ชี้แนะใหเราทราบวา เราสามารถเพิ่ม Vb หรือ Voc ใหมากขึ้นไดโดยการลดคา Δε p , Δε n และเพิ่มความหนาของชั้น p และ n สําหรับทางดานผลของการมีกําแพงศักยที่รอยตอของ p/i หรือ i/n ในรอยตอชนิดเฮเทโรนั้นจากสมการที่ (1.106) ก็ชี้ใหเราทราบวาการเกิดกําแพงศักยในลักษณะที่กีด ขวางการไหลของพาหะที่ถูกผลิตดวยแสง จะทําให Vb มีคามากขึ้น สวนการเพิ่มความหนาของชั้น p และจะ เปนสาเหตุของการเพิ่มการสูญเสีย (optical absorption loss) ของการดูดกลืนแสงในชั้น p และ n ดังนั้นใน

รูปที่ 1.59 แถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n

1-65

การออกแบบคาพารามิเตอรของชั้น p และ n (เชน ชองวางพลังงานและความหนา) นั้นจึงตองดูความ เหมาะสมทั้งดานคาของ Vb และ Jsc การทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H นั้นกลาวโดยสรุปแลว คือ ภายใตแรงดันไฟฟาภายใน พาหะที่ถูกสรางดวยแสงในชั้น i นั้นจะตองถูกกวาดใหไหลไปยังขั้วทั้งสองของเซลลแสงอาทิตย ปจจุบันเปนที่ ทราบกันดีวาความหนาที่เหมาะสมที่สุดของชั้น i ในรอยตอ p-i-n คือประมาณ 0.5-1 μm ดังนั้นเราอาจ สมมติใหไดวา สนามไฟฟาในชั้น i นั้นมีความสม่ําเสมอตลอด เพราะฉะนั้นการขนสงและการกวาดรวบรวม พาหะที่ถูกผลิตดวยแสงจึงขึ้นกับอิทธิพลของการพัดพาดวยแรงดันไฟฟาภายในมาก กลาวคือ ขนาดและ ลักษณะการแจกแจงของแรงดันไฟฟาภายในนี้มีความสําคัญตอการทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มาก และนี้คือ เหตุผลที่ทําใหกระแสไฟฟาโฟโต Jph ในสมการที่ (1.104) เปนฟงกชันของแรงดัน V รูปที่ 1.60 แสดงการเปรียบเทียบอิทธิพลของแรงดันไฟฟาที่มีตอกระแสไฟฟาโฟโตของ (ก) เซลล แสงอาทิตยชนิดผลึก Si และ (ข) เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H โดยในกรณีเซลลชนิด a-Si:H นี้ไดสมมติ ใหวาแรงดันไฟฟาภายใน (built-in potential) มีคาสม่ําเสมอตลอดชั้น i และการรวมตัวของพาหะเกิดขึ้น เฉพาะในชั้น i ดวยอัตราที่แปรผันตรงกับความหนาแนนของพาหะ ลักษณะการขึ้นกับแรงดันไฟฟาของกระแสไฟฟาโฟโตภายใตสภาพการดูดกลืนแสงที่สม่ําเสมอตลอด ชั้น i ในเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แสดงไดดังนี้

รูปที่ 1.60 ความแตกตางของลักษณะสมบัติกระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยชนิด ผลึก Si และชนิด a-Si:H J ph ∝ V [1 − e

โดยที่

V di

μ

−1 / v

]

(1.107)

: normalized voltage ซึ่งใหนิยามวา V = μτ (Vb − v ) / d 2 : ความหนาของชั้น i v : แรงดันไฟฟาที่ไบแอสใหกับเซลลแสงอาทิตย : ความคลองตัวของพาหะ τ : เวลาอายุของพาหะ

คุณสมบัติพิเศษของสารกึ่งตัวนําอะมอรฟสคือ การมีระดับโลคอไลซสเตต (localized states) แพรกระจายอยูจํานวนมากภายในชองวางพลังงาน ระดับโลคอไลซสเตตเหลานี้มีคุณสมบัติเปนศูนยกลางของ การรวมตัวของพาหะ และคุณสมบัติที่ยุงยากไปกวานี้คือ เมื่อเราสองแสงเขาสู a-Si:H จะทําใหคุณสมบัติ ตางๆ เชน ความหนาแนนของอิเล็กตรอนและโฮล การแจกแจงจํานวนของของโลคอไลซสเตต และพื้นที่ของ การจับพาหะ (carrier capture cross section) เกิดการเปลี่ยนแปลงดวย

1-66

ผลคูณของ μτ มีความหมายทางฟสิกสที่แตกตางไปจาก μτ ที่ไดจากการวัดสภาพนําไฟฟาดวยแสง (photoconductivity) กลาวคือ μτ ที่ไดจากการวัดสภาพนําไฟฟาดวยแสงนั้นไดจากเงื่อนไขที่วา จํานวนของ อิเล็กตรอนและโฮลนั้น มีคาสม่ําเสมอตลอดเนื้อวัสดุและเปนคาที่แสดงพฤติกรรมการขนสงและการรวมตัวของ พาหะขางมากภายใตการถูกสองดวยแสง สวนในเซลลแสงอาทิตยนั้นมีขอแตกตางกันมาก เชน ภายใตการถูก สองดวยแสง จํานวนหรือความหนาแนนของอิเล็กตรอนและโฮลในเซลลแสงอาทิตยมีการแจกแจงแบบไม สม่ําเสมอ อีกทั้งอัตราการรวมตัวก็ไมสม่ําเสมอดวย สมการที่ (1.107) นี้กลาวไดวาเปนเพียงคาใกลเคียง (semi-quantity) เทานั้น และคา μτ ที่ปรากฏจึงเปรียบเสมือนเปนพารามิเตอรใกลเคียง (quasi-parameter) ที่แสดงปรากฏการณโฟโตโวลทาอิกในรอยตอของ a-Si:H เทานั้น แตอยางไรก็ตามแมวาสมการที่ (1.107) หรือแบบจําลองของกระแสไฟฟาของรอยตอที่ไดจากสมการที่ (1.107) จะมีรูปแบบที่งายๆ ก็ตาม แตก็เปน สมการที่มีความหมายมากสําหรับการวิเคราะหและหาคาพารามิเตอรที่เหมาะสมในการออกแบบเซลล แสงอาทิตยชนิด a-Si:H ในทางปฏิบัติ ถาเราจะสรุปกระบวนการสําคัญๆ ที่มีอิทธิพลตอการทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n จะไดดังนี้ ประการแรก ในสภาวะสมดุลเชิงความรอน ลักษณะของสนามไฟฟาในรอยตอ p-i-n ถูกกําหนด ดวยคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกและการแจกแจงระดับโลคอไลซสเตตในชั้น p, i และ n และคุณสมบัติของขั้ว โปรงใสและขั้วโลหะ และคุณสมบัติรอยตอ (interface) ของชั้นตางๆ เหลานี้ เมื่อเซลลแสงอาทิตยถูกสอง ดวยแสงอาทิตย พาหะสวนเกินของอิเล็กตรอนและโฮลจะถูกผลิตขึ้น และพาหะเหลานี้จะเคลื่อนที่ดวยการ แพรซึม (diffusion) หรือพัดพา (drift) ดวยสนามไฟฟา ซึ่งเปนเหตุใหเกิดการกระจายของอิเล็กตรอนและ โฮลในสภาวะไมสมดุลเชิงความรอน ประการที่สอง ในจํานวนพาหะที่ถูกผลิตดวยแสงนั้น พาหะบางตัวจะถูกกักหรือรวมตัวกันที่ระดับ พลังงานของโลคอไลซสเตตในชั้น p, i และ n หรือในรอยตอระหวางชั้นอะมอรฟสดวยกันหรือที่ระหวางชั้น อะมอรฟสกับขั้วไฟฟา ทําใหอัตราการครอบครอง (capture rate) ของโลคอไลซสเตตเปลี่ยนแปลงไปและจะทํา ใหการแจกแจงประจุปริภูมิ (space charge) เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งสงผลทําใหลักษณะของสนามไฟฟาในชั้น i เปลี่ยนแปลง และการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟานี้จะมีอิทธิพลตอไปถึงกระบวนการขนสงของอิเล็กตรอน และโฮล การที่จะรักษาไวซึ่งเงื่อนไขความสมดุลของพาหะ จึงตองมีการเปลี่ยนแปลงการแจกแจงพาหะ สวนเกินที่เกิดขึ้นทั้งจากการกระตุนดวยแสงและดวยความรอน จากผลของการหมุนเวียนของกระบวนเหลานี้ ทําใหเกิดการแจกแจงอิเล็กตรอนและโฮลในสภาวะคงที่และมีกระแสไฟฟาเอาตพุตไหลในลักษณะที่เปน ฟงกชันของความยาวคลื่นและความเขมของแสงและเปนฟงกชันของสภาพของโหลดที่ตอภายนอกดวย ดังนั้น กระแสไฟฟาโฟโตในสมการที่ (1.104) จึงมีสวนเกี่ยวของกับกระแสไฟฟาของรอยตอมาก จากที่กลาวมาทั้งหมด จะเห็นไดวากลไกการทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H นั้นมีความ ยุงยากสลับซับซอนมาก การที่จะคาดคะเนหรือคํานวณเกี่ยวกับประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยหรือทํา อยางไรจึงจะไดเซลลแสงอาทิตยที่มีประสิทธิภาพสูง เราจําเปนที่จะตองทราบขอมูลอยางละเอียดเกี่ยวกับ คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกของวัสดุฟลมตระกูล a-Si:H

1-67

1.7.5 ปรากฏการณโฟโตโวลทาอิกชนิดพัดพาในเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n ในหัวขอนี้จะกลาวถึงขอแตกตางในการออกแบบเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอ p-n ของผลึกเดี่ยว Si และชนิดรอยตอ p-i-n ของ a-Si:H และจะพิจารณากลไกของการกําเนิดพาหะดวยแสง (photocarrier generation) และกระบวนการรวมตัวของพาหะ (recombination process) ในเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n หลังจากนั้นจะอธิบายขีดจํากัดของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยดวยการคํานวณถึง ลักษณะของการแจกแจงประจุปริภูมิในรอยตอ p-i-n โดยทั่วไปการทํางานของเซลลแสงอาทิตย ประกอบดวยกระบวนการหลัก 2 อยางคือ 1) การผลิตคูพาหะดวยการดูดกลืนแสงระหวางแถบพลังงานในสารกึ่งตัวนํา 2) การแยกหรือกวาดพาหะดวยสนามไฟฟาที่เกิดขึ้นภายในเซลลแสงอาทิตย สนามไฟฟาภายใน (internal field) ของเซลลแสงอาทิตย สามารถสรางขึ้นไดโดยการประดิษฐเซลล แสงอาทิตยใหมีรอยตอชนิดตางๆ เชน p-n หรือ p-i-n หรือ เฮเทโร หรือ ชอตตกีแบรเรียร เปนตน นอกจากนี้จะมีขั้วโอหมิกตอกับวงจรภายนอกเพื่อสงพลังงานไฟฟาที่ผลิตไดออกสูวงจรภายนอก และทาง ดานรับแสงมักจะมีวัสดุปองกันการสะทอนแสงเคลือบไวดวย รูปที่ 1.61 แสดงกระบวนการตางๆ ในเซลล แสงอาทิตยและตัวอยางโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ ในเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอ p-n ความ หนา แนนของกระแสไฟฟาเอาตพุตลัดวงจรขณะมีแสง (Jsc) สามารถคํานวณไดจากความหนาแนนของโฟ ตอนฟลักซ Φ(λ) (photon flux density) และสัมประสิทธิ์การสะทอนแสงที่ผิวหนา (R) ของสารกึ่งตัวนํา คือ [58]

รูปที่ 1.61 กลไกการทํางานตางๆ ในเซลลแสงอาทิตยและตัวอยางโครงสรางตางๆ ของเซลลแสงอาทิตย

1-68

J sc =

hc / ε g

∫0

q(1 − R )Φ( λ ) ⋅ J tot dλ

(1.108)

โดยที่ Jtot คือ ความหนาแนนรวมของกระแสไฟฟาซึ่งมีคาเทากับอัตราสวนของความหนาแนนของพาหะที่เกิด จากแสงตอโฟตอนฟลักซ Jtot ประกอบดวย 3 สวนดังนี้ p

n

J tot = J df + J df + J dr

โดยที่

p

J df n J df

Jdr

: ความหนาแนนของกระแสไฟฟาที่เกิดจากโฮลที่ถูกผลิตดวยแสงในบริเวณชั้นหนาตางชนิด p : ความหนาแนนของกระแสไฟฟาที่เกิดจากอิเล็กตรอนที่แพรกระจายเขาไปในชั้น p และ : กระแสไฟฟาชนิดพัดพา (drift current) ที่ไหลในชั้น i

กระแสไฟฟาชนิดแพรซึมสามารถคํานวณไดจากกฎของ Lampart ตัวนําดังนี้ p

J df = =

และ

(1.109)

n

J df =

เมื่อมีการดูดกลืนแสงในสารกึ่ง

∫0 αγ exp(−αx ) exp( dL−p x )dx d

(1.110)

⎪⎧ ⎪⎫ d ⎨ exp( − ) − exp( −αd ) ⎬ Lp α − 1 / L p ⎪⎩ ⎪⎭

αγ

αγ exp( −αd ) α + 1 / Lp

(1.111)

รูปที่ 1.62 แสดงการเปรียบเทียบลักษณะของแถบพลังงานและการเปรียบเทียบกลไกการกวาดเก็บ พาหะใน (ก) เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยว Si รอยตอ p-n และใน (ข) เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n เนื่องจากวัสดุ a-Si:H มีระยะทางการแพรซึม (diffusion length) ที่สั้นมากและมีสัมประสิทธิ์การ ดูดกลืนแสงที่สูงมาก ดังนั้นกลไกการทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si และชนิด a-Si:H จึงมีขอ แตกตางกันที่เห็นไดชัดคือ n + J p >> J กรณีของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si รอยตอ p-n: J df dr df กรณีของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n:

p

n + J J df df << J dr

จากรูปที่ 1.62 (ก) และ (ข) ความแตกตางที่เห็นไดชัดระหวางเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si รอยตอ p-n และเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n คือ ใน a-Si:H รอยตอ p-i-n นั้นมีสนาม

1-69

รูปที่ 1.62 เปรียบเทียบลักษณะของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si และชนิด a-Si:H ไฟฟาที่มีคาสูงในชั้นแอกทิฟ (ชั้น i) สวนใน Si รอยตอผลึก p-n นั้น ชั้นแอกทิฟนั้นมีความหนาเทากับ ผลรวมของระยะทางการแพรซึมของ Lp+ Ln และในชั้นแอกทิฟนั้นจะไมมีสนามไฟฟา

1.7.6 กระบวนการผลิตพาหะดวยแสงในเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n กระบวนการผลิตพาหะดวยแสง (photo-carrier generation process) ที่สําคัญในเซลลแสงอาทิตย ชนิด a-Si:H มี 3 ขั้นตอนดังแสดงในรูปที่ 1.63 ดังนี้ (a) การดูดกลืนแสงดวยการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนจากแถบเวเลนซไปสูแถบคอนดักชัน (optical absorption) (b) การแยกคูอิเล็กตรอนและโฮลออกจากกันใหเปนพาหะอิสระ (free carrier generation) และ (c) กระบวนการขนสงพาหะอิสระดวยวิธีพัดพา (drift) และ/หรือวิธีแพรซึม (diffusion)

1-70

รูปที่ 1.63 กระบวนการผลิตพาหะดวยแสงในเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ถาให Φ( x , hω ) คือความหนาแนนของโฟตอนฟลักซของแสงที่มีพลังงาน hω ที่ตําแหนง x ในชั้น i การดูดกลืนแสงในชั้น i จะมีคา −∂Φ( x , hω ) / ∂x ตอไปจะกําหนดให PG ( x , hω ) คือความนาจะเปนของการผลิตพาหะอิสระ ฟงกชันนี้มีความหมาย ที่แสดงความสามารถของการแยกอิเล็กตรอนและโฮลที่กําลังถูกดึงดูดซึ่งกันและกันดวยแรงคูลอมบใหออกจาก กัน จากการคํานวณของ D. M. Pai และ R. C. Enck โดยอาศัยทฤษฎีของออนซาเจอร (Onsager) ไดผลวา PG มีรูปดังนี้ PG ( x , hω ) =

kBT qr0 ∞

×

∑

E ( x)

( r0 / rc )

−1

∞

m

⋅

m!

m= 0

⋅ exp( − rc / r0 ) ⋅ exp( − ∞

∑ ∑

(

qr0 E ( x ) kBT

n = 0 l = m+ n +1

)

qr0 kBT l

E ( x ))

1

(1.112)

l!

: สนามไฟฟาที่ตําแหนง x 2 rc : รัศมีของออนซาเจอร (Onsager radius) และมีคาเทากับ q / 4πx 0 xk B T r0 ( hω ) : ระยะทางผอนคลายเชิงความรอน (thermalization distance) ของคูอิเล็กตรอนและโฮลที่ เกิดจากแสงใน a-Si:H ถาให x = 12 จะไดวา rc = 46 ล D. M. Pai และ R. C. Enck เปนนักวิจัยกลุมแรกที่ไดคํานวณอิทธิพลของสนามไฟฟาที่มีตอ PG ใน วัสดุอะมอรฟสซีลีเนียม [59] และการคํานวณในกรณีของวัสดุ a-Si:H ก็ไดมีการดําเนินการโดยนักวิจัยหลาย กลุม เชน กลุมมหาวิทยาลัยโอซากา [60] และกลุมของบริษัท Xerox [61] ซึ่งผลการคํานวณก็ใหผลคลายกัน รูปที่ 1.64 แสดงผลการคํานวณโดย H. Okamoto และ Y. Hamakawa จากมหาวิทยาลัยโอซากา [60] ในการ คํานวณสมการที่ (1.112) ไดคํานวณถึง E ยกกําลัง 100 โดยไดใชอนุกรมดังนี้ โดยที่

E(x)

PG ( x , hω ) = exp( − rc / r0 ) ⋅ (1 + +(

q

3

kBT

+(

) ⋅

q kBT

)

1

2

4!

100

q

1

k BT 2!

rc ( r0 − r0 rc +

⋅(

1 101!

+(

rc ) E

1 6

2

rc ) E

rc (...........)) E

1-71

3

q kBT

2

) ⋅

1

1 2 rc ( rc − r0 ) E 3!

2

+................................................

100

(1.113)

กระบวนการที่ 3 ในการทํางานของเซลลแสงอาทิตย คือประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะที่เกิด จากแสง (photocarrier collection efficiency) พาหะที่กวาดเก็บไดนี้ จะกลายเปนกระแสไฟฟาเอาตพุตของ เซลลแสงอาทิตย เราจะทราบประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะไดก็ตอเมื่อเราทราบวา ในจํานวนของ พาหะโฟโตที่เกิดจากแสงทั้งหมดนั้น มีจํานวนเทาไรที่หลุดพนจากการรวมตัวกันชนิดเจมิเนต (geminate recombination) นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะก็ขึ้นกับสนามไฟฟาภายในเซลลแสงอาทิตย (E) และระยะทางการแพรซึม (L) ดวย

รูปที่ 1.64 ความสัมพันธระหวางความนาจะเปนของการผลิตพาหะอิสระและสนามไฟฟา พารามิเตอร

r0

คือระยะทางผอนคลายเชิงความรอน

ใน a-Si:H ชนิดบริสุทธิ์ เนื่องจากความคลองตัวและระยะทางการแพรซึมของโฮลมีคานอยของ อิเล็กตรอนมาก [62] ดังนั้นจึงอาจกลาวไดวา ปรากฏการณขนสงพาหะที่ถูกผลิตดวยแสงนั้นจะถูกจํากัดดวย การรวมตัวของโฮล รูปที่ 1.65 แสดงตัวอยางการขึ้นกับความหนาของชั้น i ของประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะใน เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n โดยไดเปรียบเทียบใหเห็นถึงความแตกตางในกรณีที่มีการสอง แสงเขาทางดานชั้น p และสองเขาทางดานชั้น n การสองแสงเขาทางดานชั้น n จะทําใหโฮลที่ถูกผลิตขึ้น บริเวณใกลรอยตอของ i/n ตองเดินทางไกลจึงจะไปถึงชั้น p ดังนั้นเมื่อชั้น i หนาขึ้น โฮลจึงถูกรวมตัวกับ อิเล็กตรอนและตายกอนที่โฮลจะเดินทางไปถึงชั้น p ดังนั้นประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะในเซลล แสงอาทิตยในกรณีที่สองแสงเขาทางดานชั้น n จึงมีนอยกวาการสองแสงเขาทางดานชั้น p ความนาจะเปนของการกวาดเก็บพาหะ Pc(x) มีคาดังนี้ [58]

โดยที่

Pc ( x ) = (1 +

g ( 0)

f ( x ) = exp(

1

Lp Lp

∫0

x

f ( u ) du)

−1

(1.114)

∫0g (u)du) x

2 1/ 2

g ( x ) = (1 + r ( x ) )

− r ( x ), r ( x ) =

1-72

qL p 2k B T

⋅ E ( x)

รูปที่ 1.65 การขึ้นกับความหนาของชั้น i ของประสิทธิภาพการกวาดเก็บพาหะในเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H โดยเปรียบเทียบใหเห็นความแตกตางในกรณีสองแสงเขาทางดานชั้น p และ n จากสมการตางๆ ขางตน ประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะ η c (hω ) แสดงไดดังนี้ d

∂

0

∂x

η c ( hω ) = ∫ i PG ( x , hω ) Pc ( x ) ⋅ [ −

1-73

Φ( x , hω )]dx

(1.115)

1.7.7 เทคนิคการผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n ใน ภาคปฏิบัติ โครงสรางพื้นฐานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n ที่เคลือบบนแผนกระจกไดแสดง ไวแลวในรูปที่ 1.66 เทคนิคในการออกแบบเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H นั้น จะตองคํานึงถึงความ เหมาะสมในการผลิตชั้นตางๆ ดังจะไดกลาวตอไปนี้ [52, 69]

รูปที่ 1.66 ผลการวัด Auger electron spectroscopy เพื่อหาคาปริมาณของอะตอมตางๆ ตาม ความลึก ในรูปบนพบวาถาชั้น SnO2 บาง จะมีอะตอมของ In ซึ่งหลุดจากชั้น ITO เขาไปสูชั้น a-SiC:H สวนรูปลางจะเห็นวาถาชั้น SnO2 หนาเพียงพอ จะไมมี อะตอมของ In เขา ไปสูชั้น a-SiC:H

ขั้วไฟฟาโปรงใส แผนฐานสําหรับเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H อาจเปนแผนกระจกก็ไดหรือแผนเหล็กกลาไรสนิมก็ ได และไมวาจะใชแผนฐานชนิดใด ยอมจะตองมีขั้วไฟฟาโปรงใสเสมอ ตัวอยางในกรณีที่ใชแผนกระจกเปน แผนฐาน นิยมใชฟลมบาง 2 ชั้นของ ITO/SnO2 เปนขั้วไฟฟาโปรงใสและมีรายละเอียดดังนี้ 1. ฟลมบางชนิด SnO2 มีราคาถูก แตมีสภาพความตานทานไฟฟาสูงกวา ITO 2. ฟลมบาง ITO เปนสารประกอบของ SnO2 และ In2O3 โดยมีอัตราสวนน้ําหนักของ Sn:In เทากับ 5:95 โดยประมาณ ITO มีสภาพตานทานไฟฟาต่ํากวา SnO2 แตราคาแพง 3. โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยคือ แผนกระจก/ITO/SnO2/p-i-n-a-Si:H/Al 4. การที่ตองใชขั้วไฟฟาโปรงใสถึงสองชั้นเชนนี้มีเหตุผลคือ ถา SnO2 มีความหนามากกวา 20 nm จะชวยกันไมใหอะตอมของ In จาก ITO หลุดออกแลวแพรซึมเขาไปในชั้น a-Si:H เพราะการแพรซึมของ In เขาสูชั้น a-Si:H จะทําใหประสิทธิภาพโดยเฉพาะอยางยิ่ง Voc ลดลง [70-71] 5. คุณสมบัติพื้นฐานของขั้วไฟฟาโปรงใสเหลานี้ที่จําเปนคือ ควรโปรงใสมากๆ และนําไฟฟาไดดี และในขณะเดียวกันก็ควรเปนชั้นปองกันการสะทอนแสงดวย (antireflection layer)

1-74

6. นอกจากนี้ ในการใชงานก็ควรเลือกความหนาที่เหมาะสม โดยพิจารณาจากสัมประสิทธิ์การ สะทอนแสง เนื่องจากความสามารถสูงสุดในการผลิตและกวาดเก็บพาหะอยูในชวง 500-550 nm ดังนั้น ความหนาของขั้วไฟฟาโปรงใสควรมีคาเปน 1/4 หรือ 3/4 ของความยาวคลื่นแสง เชน 70 nm หรือ 200 nm สิ่งที่ควรระวังคือถาฟลมบางเกินไปจะทําใหความตานทานแผนมีคาสูง ตัวอยางเชน ถา SnO2 หนา 20 nm และ ITO หนา 50 nm จะมีความตานทานแผน (sheet resistance) ประมาณ 40-50 Ω/ หรือถา SnO2 หนา 20 nm และ ITO หนา 180 nm จะมีความตานทานแผนนอยกวา 10 Ω/ 7. ในปจจุบัน เนื่องจาก นิยมผลิตชั้น p จากวัสดุไมโครคริสตัลไลนซิลิคอน (p-μc-Si:H) หรือ อะมอรฟสซิลิคอนคารไบด (a-SiC:H) ซึ่งดัชนีหักเหแสงมีคาอยูระหวางดัชนีหักเหแสงของขั้วไฟฟาโปรงใส และชั้น i พอดี ดังนั้นจึงชวยลดการสะทอนแสงที่ผิวของชั้น i ได 8. นอกจากนี้การทําใหผิวของแผนกระจกมีสภาพเปนผิวขรุขระ (textured) ดวยวิธีทางเคมี และทํา ใหผิวของ ITO/SnO2 ขรุขระ ก็จะชวยทําใหแสงเดินทางเขาสูชั้นอะมอรฟสไดมากขึ้น และแสงสามารถเดินทาง ในชั้นอะมอรฟสไดไกลขึ้นซึ่งจะทําใหกระแสไฟฟาเอาตพุตเพิ่มขึ้น

ชั้น p ทําหนาที่เปนขั้วสรางแรงดันไฟฟาภายใน เชนเดียวกับชั้น n แตเปนที่นาเสียดายที่มีคาสภาพนํา ไฟฟาดวยแสงต่ํามาก ดังนั้นชั้น p จึงไมไดมีสวนชวยในการผลิตพาหะดวยแสงเทาไรนัก เรานิยมเรียกชั้น p วา ชั้นตาย (dead layer) ถาผลิตชั้น p จากวัสดุ a-Si:H ซึ่งโดปดวยโบรอนและมีชองวางพลังงานแคบ ควร ออกแบบใหชั้น p-a-Si:H บางที่สุด แตอยางไรก็ตามถาชั้น p บางมากเกินไป ก็จะทําใหแรงดันไฟฟาวงจร เปดลดลงดวย ในปจจุบันนิยมใช p-a-SiC:H ที่มีชองวางพลังงานประมาณ 2 eV หรือ p-μc-Si:H เปนหนาตาง กวางรับแสง ซึ่งจะชวยเพิ่มทั้งกระแสไฟฟาลัดวงจร แรงดันไฟฟาวงจรเปดและฟลลแฟกเตอร ตามปกติ ความหนาของ p-a-SiC:H ที่เหมาะสมคือประมาณ 150 ล

ชั้น i คุณสมบัติพื้นฐานของ a-Si:H ชนิด i (undoped a-Si:H) นี้จะมีอิทธิพลและผลตอประสิทธิภาพของ เซลลแสงอาทิตยมาก จากประสบการณ เงื่อนไขการผลิต i-a-Si:H ที่มีแก็ปสเตตนอยคือ ควรใชกําลังไฟฟา ในการแยกสลายกาซใหต่ําๆ และใชกาซไซเลนดวยอัตราการไหลที่มากๆ เพื่อใหไดอัตราการเติบโตของฟลม ประมาณ 1 μm ตอชั่วโมง อุณหภูมิแผนฐานที่เหมาะสมคือประมาณ 200-250 °C แมวาในกระบวนการผลิตชั้น i-a-Si:H จะไมไดโดป i-a-Si:H แตผลที่ไดคือ จะไดฟลม i-a-Si:H ที่มีคุณสมบัติเปนชนิด n แบบออนเสมอ เพราะระดับพลังงานเฟรมีของ i-a-Si:H ไมไดอยูกึ่งกลางชองวาง พลังงาน แตจะอยูในตําแหนงที่คอนไปทางแถบคอนดักชัน การเติมโบรอนบางเล็กนอย (เชนประมาณ 1 ppm) จะทําใหระดับพลังงานเฟรมีเคลื่อนมาอยูตรงกลางชองวางพลังงานพอดี และจะทําใหสนามไฟฟาในชั้น i มีคาเพิ่มขึ้น และประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น [72]

ชั้น n ไมโครคริสตัลไลนซิลิคอนชนิด n (n-μc-Si:H) มีคุณสมบัติที่เหมาะสมในการใชงานเปนชั้น n สําหรับเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มาก ทั้งนี้เพราะวา n-μc-Si:H มีคุณสมบัติที่เดนดังนี้ 1. ระดับพลังงานเฟรมีของ μc-Si:H ชนิด n อยูใกลแถบคอนดักชันมาก และสภาพนําไฟฟาก็มีคา สูงมาก (1-10 S.cm-1) จึงทําใหแรงดันไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยมีคามากขึ้น

1-75

2. ชองวางพลังงานของ n-μc-Si:H มีคาประมาณ 1.9 - 2.0 eV ซึ่งกวางกวาของ n-a-Si:H จึงมี ความโปรงใสดีและชวยใหแสงที่สะทอนจากขั้วโลหะดานหลังกลับเขาสูชั้น i ไดดีขึ้น ทําใหไดกระแสไฟฟา เอาตพุตมากขึ้น 3. เนื่องจาก n-μc-Si:H มีคาสภาพนําไฟฟาสูง จึงสรางขั้วไฟฟาโอหมิกชนิด Al ไดงาย เงื่อนไขของการปลูกฟลมบางชนิด μc-Si:H ไดแก การใชกําลังไฟฟาสูงๆ ในการแยกสลายกาซ SiH4 และผสมดวยกาซ H2 ที่อัตราสวนสูงมากๆ [73-74]

1.7.8 การปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ดวย รอยตอเฮเทโรของ p-a-SiC:H/i- a-Si:H ไดกลาวไวในหัวขอที่ 1.7.1-1.7.7 แลววาเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มีหลักการทํางาน โดยเริ่ม จากการรับแสง การดูดกลืนแสงในชั้น i การผลิตพาหะในชั้น i และการดึงพาหะที่เกิดขึ้นนั้นใหไหลออกสู ภายนอก การประดิษฐเซลลแสงอาทิตยใหมีประสิทธิภาพสูง เปนปจจัยสําคัญอยางหนึ่งในการนําเซลล แสงอาทิตยไปใชงาน การเพิ่มประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยอาจทําไดหลายวิธี เชน การหาวิธีเพิ่มปริมาณ แสงใหเขาสูชั้น i ใหไดมากขึ้น การเพิ่มคุณภาพของฟลมชั้นตางๆ ตลอดจนการหาคาความหนาที่เหมาะสม ของชั้นตางๆ ในบทนี้จะกลาวถึง การปรับปรุงประสิทธิภาพโดยการใชโครงสรางรอยตอเฮเทโรซึ่งมีฟลมอะมอรฟส ซิลิคอนคารไบดชนิด p (p-a-SiC:H) เปนชั้นหนาตางกวางรับแสงแทน p-a-Si:H ซึ่งจะเปนผลใหแสงที่มี ความยาวคลื่นสั้นวิ่งเขาสูชั้น i ไดดีขึ้น นอกจากนี้ จะกลาวถึงการหาคาความหนาที่เหมาะสมของชั้น p, i และ n ดวย เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ซึ่งชั้น p ผลิตจากวัสดุ p-a-Si:H มีประสิทธิภาพต่ํา เนื่องจากชั้น pa-Si:H นั้นมีคุณสมบัติเปน “ชั้นตาย” (dead layer) กลาวคือ ชั้น p-a-Si:H มีสภาพนําไฟฟาดวยแสงที่ต่ํา มาก ดังนั้นชั้น p-a-Si:H จึงไมสามารถผลิตพาหะอิสระดวยแสงได ดังนั้นการดูดกลืนแสงในชั้น p จึงถือวา เปนการสูญเสียแสงนั่นเอง และถึงแมเราจะประดิษฐใหชั้น p บางถึง 100 ล ก็ตาม ก็ยังคงมีการดูดกลืนแสง อยู ถาชั้น p บางเกินไป จะมีผลเสียดังนี้คือ 1. ชั้น p จะกลายเปนชั้นปลอดพาหะและจะทําใหแรงดันไฟฟาภายใน มีคานอย 2. ฟลมชั้น p อาจจะไมเกาะติดในบางบริเวณ ทําใหมีจุดที่ชั้น i สัมผัสกับขั้วโปรงใสโดยตรง ทําให แรงดันไฟฟาภายในมีคานอยเชนกัน ดังนั้นวิธีการที่จะเพิ่มประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยเกี่ยวกับชั้น p คือการทําใหช้นั p มีความ โปรงใสมากขึ้น โดยการใชวัสดุที่มีชองวางพลังงานกวางขึ้น เพื่อใหแสงอาทิตยในชวงความยาวคลื่นที่เหมาะสม ผานเขาสูชั้น i ไดมากขึ้น การใชอะมอรฟสซิลิคอนคารไบด (a-SiC:H) ประยุกตเปนชั้นหนาตางกวางชนิด p จะไดเซลล แสงอาทิตยที่มีลักษณะโครงสรางดังแสดงในรูปที่ 1.67 และเรียกโครงสรางเชนนี้วาเปนรอยตอเฮเทโร รูปที่ 1.68 แสดงแผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโร รูปที่ 1.69 แสดงผลการวัด สเปกตรัมของประสิทธิภาพการกวาดเก็บพาหะ (collection efficiency) ของเซลลแสงอาทิตยอะมอรฟสชนิด รอยตอโฮโมและรอยตอเฮเทโร [75-77] จะเห็นวาการนํา p-a-SiC:H มาใชงานเปนชั้น p ในเซลล แสงอาทิตยชนิดรอยตอเฮเทโรนั้น จะทําใหผลตอบสนองทางแสงในชวงคลื่นสั้นมีคาสูงขึ้นเมื่อเทียบกับเซลล แสงอาทิตยชนิดรอยตอโฮโม การใช p-a-SiC:H เปนชั้น p จะทําใหแสงความยาวคลื่นสั้นเขาไปสูชั้น i ได มากขึ้น

1-76

รูปที่ 1.67 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอเฮเทโร [52-53]

รูปที่ 1.68 แผนภูมิแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอเฮเทโร [52-53]

1-77

รูปที่ 1.69 สเปกตรัมผลตอบสนองของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอเฮเทโร [52] ทําใหการผลิตพาหะเนื่องจากแสงดี จึงสงผลใหประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยสูงขึ้น โดยทั่วไปจะใช p-a-SiC:H ที่มีชองวางพลังงานประมาณ 2.0 eV (เพราะถา p-a-SiC:H มีชองวางพลังงานกวางกวานี้ ความตานทานของ p-a-SiC:H จะเพิ่มขึ้น เปนเหตุใหฟลลแฟกเตอรลดลง) นอกจากนี้ การใช p-a-SiC:H อยางเหมาะสมจะทําใหแรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc และฟลลแฟกเตอร FF มีคาเพิ่มขึ้นดวย การที่แรงดันไฟฟาวงจรเปดมีคาเพิ่มขึ้นก็เพราะแรงดันไฟฟาภายใน (built-in potential) เพิ่มขึ้น ถาดูรูปที่ 1.68 จะพบวาอิเล็กตรอนที่ไหลกลับไปที่ชั้น p จะนอยลง และสนามไฟฟาใน ชั้น i ก็จะเพิ่มขึ้น เหตุผลเมื่อใช p-a-SiC:H เปนชั้น p จะทําใหฟลลแฟกเตอรของเซลลแสงอาทิตยดีขึ้นมี 2 ประการ คือ 1. แมมีการไบแอสตาม แตกระแสไฟฟาโฟโตก็ลดลงเพียงเล็กนอย เพราะประสิทธิภาพของการ กวาดเก็บพาหะในชวงแสงคลื่นสั้นนั้นเพิ่มขึ้น เนื่องจากชองวางพลังงานที่กวางขึ้นและโฟตอนในยานคลื่นสั้น จะถูกดูดกลืนทันทีในบริเวณใกลๆ รอยตอ p-i 2. เนื่องจากชองวางพลังงานของชั้น p มีขนาดกวาง ในขณะที่ไบแอสตาม กําแพงศักยจึงกั้นไมให อิเล็กตรอนไหลเขาสูชั้น p แตจะผลักอิเล็กตรอนกลับเขาสูชั้น i และไหลออกสูภายนอก ปจจัยอีกประการหนึ่งที่สําคัญคือ ความหนาที่เหมาะสมของชั้น p-, i- และ n รูปที่ 1.70 แสดง ความสัมพันธระหวางความหนาของชั้น p-a-SiC:H และลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย โดยที่ ความหนาของชั้น i-a-Si:H และ n-μc-Si:H คงที่เทากับ 5,000 อังสตรอม และ 500 อังสตรอมตามลําดับ [54] กระแสไฟฟาลัดวงจร Jsc และฟลลแฟกเตอร FF มีคาลดลงเมื่อชั้น p หนาขึ้น เปนเพราะคาความ ตานทานอนุกรมมากขึ้น และชั้น p ที่หนาขึ้นจะกั้นแสงที่เขาสูชั้น i ใหนอยลง สวนคา Voc จะลดลงเมื่อชั้น p บางลง เนื่องจากชั้น p กลายเปนชั้นปลอดพาหะ ทําใหไมสามารถสรางแรงดันไฟฟาภายในไดสูงเพียงพอ และอาจมีบริเวณที่ชั้น p ไมเกาะติดเลยก็ได เพราะฉะนั้น ความหนาของชั้น p ที่เหมาะสมในการทดลองนี้คือ 200 ล ซึ่งทําให Voc และประสิทธิภาพมีคาสูงที่สุด รูปที่ 1.71 แสดงความสัมพันธระหวางความหนาของชั้น i-a-Si:H กับลักษณะสมบัติเอาตพุตของ เซลลแสงอาทิตย โดยใหความหนาของชั้น p-a-SiC:H และ n-μc-Si:H คงที่ที่ 200 ล และ 500 ล ตามลําดับ [54] กระแสไฟฟาลัดวงจร Jsc จะเพิ่มขึ้นเมื่อความหนาของชั้น i เพิ่มขึ้น เพราะวาชั้น i ทําหนาที่ ผลิตพาหะจากแสง แตเมื่อชั้น i หนาเกินไป Jsc จะลดลง เนื่องจากสนามไฟฟาในชั้น i นอยลงจนไมสามารถ กวาดเอาพาหะที่เกิดขึ้นออกมาสูภายนอกไดหมด ผลที่ตามมาคือ FF และ Voc จะเริ่มลดลง ดังนั้นคาความ หนาที่เหมาะสมของชั้น i จากรูป คือ 6,000-6,500 ล ซึ่งใหคา Voc, Jsc และประสิทธิภาพสูงสุด สําหรับผลการทดลองการหาความหนาที่เหมาะสมของชั้น n-μc-Si:H แสดงในรูปที่ 1.72 โดยที่ ความหนาของชั้น p-a-SiC:H และ i-a-Si:H คงที่เทากับ 150 ล และ 5,000 ล ตามลําดับ [54] กระแสไฟฟา Jsc จะลดลงเมื่อชั้น n หนาขึ้น เนื่องจากเมื่อชั้น n หนาขึ้น จะทําใหแสงที่สะทอนจากขั้วโลหะ ดานหลังของเซลลแสงอาทิตยไมสามารถทะลุผานชั้น n ไปถึงชั้น i ที่ทําหนาที่ผลิตพาหะได และการที่ชั้น n หนาขึ้น ก็ทําใหคาความตานทานอนุกรมมีคามากขึ้นดวย

1-78

รูปที่ 1.70

ความสัมพันธระหวางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H และความหนาของชั้น p-a-SiC:H [54]

รูปที่ 1.71

ความสัมพันธระหวางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H และความหนาของชั้น i-a-Si:H [54]

1-79

รูปที่ 1.72

ความสัมพันธระหวางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H และความหนาของชั้น n-μc-Si:H [54]

สวนคา Voc และ FF ที่ลดลงก็เปนผลมาจากความตานทานในชั้น n ที่เพิ่มขึ้นเชนกัน แตเมื่อชั้น n บางลงคา Voc และ FF ก็จะลดลง เนื่องจากถาชั้น n บางเกินไปจะไมสามารถสรางสนามไฟฟาไดสูงพอ ดังนั้น คาความหนาของชั้น n ที่เหมาะสมจากรูปคือ 500 ล ซึ่งจะทําใหได Voc, FF และประสิทธิภาพของเซลล แสงอาทิตยสูงที่สุด การหาเงื่อนไขของความหนาที่เหมาะสมของชั้นตางๆ ตัวอยางผลการทดลองโดยหองปฏิบิตการวิจัย สิ่งประดิษฐสารกึ่งตัวนําไดเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ที่ใชชั้น p-a-SiC:H เปนชั้นหนาตางกวางรับแสง มี ลักษณะสมบัติเอาตพุต ดังนี้ Jsc = 12.55 mA/cm2, Voc = 0.84 V, FF = 63.67 %, ประสิทธิภาพ = 6.67 % รูปที่ 1.73 แสดงตัวอยางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยโดยเปรียบเทียบกรณีเซลล แสงอาทิตยชนิดรอยตอโฮโมและรอยตอเฮเทโร อนึ่งประสิทธิภาพสูงสุดระดับโลกมีคาประมาณ 12% [48-49] ทั้งนี้ความแตกตางอยูที่คุณภาพของ เครื่องมือและระบบกาซที่ใช เชน ในตางประเทศมีการใชระบบพลาสมาซีวีดีแบบ seperated chambers ซึ่ง ประกอบดวยแชมเบอรจํานวนหลายตัว แชมเบอรแตละตัวใชสําหรับปลูกฟลมชั้นใดชั้นหนึ่งโดยเฉพาะ การ แยกปลูกฟลมชนิดหนึ่งดวยแชมเบอรหนึ่งจะสามารถปองกันการปนเปอน (contamination) ของสารเจือปนได เปนอยางดี [78] จากการใช p-a-SiC:H เปนหนาตางกวางรับแสงแทน p-a-Si:H ทําใหประสิทธิภาพของเซลล แสงอาทิตยเพิ่มขึ้นจาก 4.12 % เปน 6.67 % จากกราฟลักษณะสมบัติเอาตพุตพบวาประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น นี้สืบเนื่องมาจากการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟาลัดวงจร Jsc และแรงดันวงจรเปด Voc เปนหลัก การวิเคราะห ตอไปถึงสาเหตุของการเพิ่มขึ้นของ Jsc และ Voc เปนสิ่งที่นาสนใจ เนื่องจากหลักการในการออกแบบให

1-80

เซลลแสงอาทิตยมีรอยตอเฮเทโรนั้นเพื่อตองการใหแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นวิ่งเขาสูชั้น i ไดดีขึ้น ดังนั้นการ ตรวจวัดสเปกตรัมผลตอบสนองทางแสงของเซลลแสงอาทิตยจึงเปนสิ่งที่ขาดไมได สําหรับการเพิ่มขึ้นของ Voc นั้น เกี่ยวของกับการเพิ่มขึ้นของศักยไฟฟาภายใน (built-in potential) โดยตรง

รูปที่ 1.73

รูปที่ 1.74

ตัวอยางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ซึ่งมีโครงสรางรอยตอโฮโมและรอยตอเฮเทโร [53]

ตัวอยางผลการวัดสเปกตรัมผลตอบสนองแสงของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ซึ่งมีโครงสรางรอยตอโฮโมและรอยตอเฮเทโร [54]

รูปที่ 1.74 แสดงตัวอยางผลการวัดสเปกตรัมของกระแสไฟฟา Jsc เอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย ชนิดรอยตอโฮโมและชนิดรอยตอเฮเทโร [54] จากรูปจะเห็นไดวาผลตอบสนองทางแสงในชวงคลื่นสั้นของ เซลลแสงอาทิตยที่มี p-a-SiC:H เปนหนาตางกวางดีกวาเซลลแสงอาทิตยที่มี p-a-Si:H เปนหนาตางทั้งนี้ เพราะวาชองวางพลังงานของ p-a-SiC:H (2.0 eV) กวางกวาของ p-a-Si:H (1.80 eV) จึงทําใหแสงที่มี ความยาวคลื่นสั้นผานเขาสูชั้น i ไดดีขึ้น ทําให Jsc ของเซลลแสงอาทิตยดีขึ้น และประสิทธิภาพดีขึ้นดวย

1-81

1.7.9 การผลิตเซลลแสงอาทิตยที่ใหแรงดันเอาตพุตสูงดวยโครงสราง อินทิเกรต เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มีขอไดเปรียบกวาเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยว Si คือ มีแรงดัน วงจรเปดที่สูงประมาณ 0.7-0.8 V และมีลักษณะเปนฟลมบาง สามารถผลิตใหเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ตออนุกรมกันบนแผนฐาน เชน แผนกระจกแผนเดียวกันไดโดยตรงโดยไมตองใชสายไฟฟาตอเชื่อมเลย จึงทํา ใหลดขั้นตอนการผลิต ลดตนทุน มีความสวยงามและกะทัดรัด บริษัท Sanyo ในประเทศญี่ปุนเปนบริษัทแรก ที่พัฒนาเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ซึ่งตออนุกรมกันโดยตรงบนกระจกแผนเดียวกัน และใหชื่อวา “เซลล แสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรต” (integrated type solar cell) [79] เซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรตนี้ ใหแรงดันวงจรเปดสูงตามจํานวนของเซลลแสงอาทิตยที่ตอ อนุกรมกัน มีประโยชนในการใชงานหลายอยาง เชน ใชประจุถานไฟฉาย ประจุแบตเตอรี่หรือใชเปนแหลง ผลิตกระแสไฟฟาใหกับเครื่องใชไฟฟาตางๆ เชน นาฬิกา เครื่องคิดเลข โทรศัพท ไฟฉาย ฯลฯ ในหัวขอนี้ จะกลาวถึงการออกแบบและการผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H โครงสรางอินทิเกรต รูปที่ 1.75 แสดงลักษณะของเซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรตซึ่งเสนอโดยบริษัท Sanyo และ ปจจุบันมีการใชงานกันแพรหลาย การเชื่อมตอเซลลแสงอาทิตยแตละตัว ทําไดโดยการเคลือบขั้วไฟฟา ITO ของเซลลหนึ่งใหเชื่อมตอกับขั้ว Al ของเซลลถัดไป รูปที่ 1.76 แสดงวงจรสมมูลของเซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรต แรงดันไฟฟาเปนผลรวมของ แรงดันไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยแตละตัว แตกระแสไฟฟาจะถูกกําหนดดวยกระแสไฟฟาของเซลล แสงอาทิตยตัวที่มีคานอยที่สุด D. Kruangam ไดออกแบบเซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรต ซึ่งแตกตางไปจากของบริษัท Sanyo ดังแสดงในรูปที่ 1.77 ความแตกตางอยูที่ตําแหนงของการเชื่อมตอของขั้ว ITO และ Al ในกรณีรูปที่ 1.77 ขั้ว ITO และ Al เชื่อมตอกันที่ขอบดานนอกของแผนกระจกในลักษณะตัวอักษร L ซึ่งวิธีนี้ชวยใหการจัดวาง (alignment) ในกระบวนการผลิตทําไดงายขึ้นและชวยลดตนทุนการผลิตได [50, 53] ในรูปที่ 1.77 ระยะหางของเซลลแสงอาทิตยแตละตัวเทากับ 1 mm พื้นที่รับแสงของเซลลแสงอาทิตยแตละตัวเทากับ 0.4 cm × 4 cm มีเซลลรวมจํานวน 12 ตัวตออนุกรมกันบนแผนฐานกระจกขนาด 5 cm × 7.5 cm

รูปที่ 1.75 วงจรสมมูลของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต

1-82

รูปที่ 1.76

รูปที่ 1.77

โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต ซึ่งออกแบบโดยบริษัทซันโย จํากัด ประเทศญี่ปุน

โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต ซึ่งออกแบบโดย ดุสิต เครืองาม [50, 53]

ขั้นตอนในการผลิตเซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรตมีดังนี้ [50-53] 1. เตรียมแผนฐานและจะตองกัด ITO ใหมีรูปรางลวดลายตามตองการ การกัด ITO ใช กระบวนการโฟโตลิโทกราฟดังแสดงในรูปที่ 1.78 2. ขั้นตอนการเคลือบฟลมอะมอรฟสชั้น p-a-SiC:H (200 ล)/i-a-Si:H (6,500 ล)/n-μc-Si:H (500 ล) ในการเคลือบฟลมอะมอรฟสเหลานี้ใชมาสก (mask) ชนิดอะลูมิเนียมหนา 1 mm วางบนแผน ฐานเพื่อเคลือบฟลมชั้นอะมอรฟสใหไดรูปรางตามตองการ 3. ขั้นตอนการเคลือบฟลม Al หนาประมาณ 6,000 ล ใหไปเชื่อมกับ ITO ของเซลลแสงอาทิตยที่ อยูถัดไป มาสกสําหรับการเคลือบอะลูมิเนียมนั้นทําจากแผนเหล็กกลาไรสนิมอยางบางเชนเดียวกับมาสกของ ชั้นอะมอรฟส รูปที่ 1.79 แสดงภาพถายขั้นตอนการผลิตเซลลแสงอาทิตยดังกลาว รูปที่ 1.80 แสดงตัวอยางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรต [50] ซึ่ง ประกอบดวยเซลลแสงอาทิตยจํานวนหลายตัวตออนุกรมกัน โดยวัดที่ AM1 40 mW/cm2 จะเห็นไดวา กระแสไฟฟาลัดวงจรจะลดลงเมื่อจํานวนเซลลแสงอาทิตยที่ตออนุกรมเพิ่มขึ้น และแรงดันไฟฟาวงจรเปดจะ เพิ่มขึ้นตามจํานวนของเซลลแสงอาทิตย ตัวอยางขอมูลมีลักษณะสมบัติเอาตพุตที่วัดโดยแสง AM1

1-83

(100mW/cm2) คือ แรงดันไฟฟาวงจรเปด 10.1 V กระแสไฟฟาลัดวงจร 0.81 mA/cm2 ฟลลแฟกเตอร 55.6% และประสิทธิภาพ 4.54 %

รูปที่ 1.78 ขั้นตอนการสรางลวดลายของขั้วไฟฟา ITO [53]

รูปที่ 1.79 ตัวอยางขั้นตอนการผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต [53]

1-84

รูปที่ 1.80

ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต ซึ่งมีเซลลแสงอาทิตยเชื่อมตออนุกรมกันหลายตัว [50]

เพื่อใหไดมอดูลที่มีแรงดันไฟฟาสูงพอที่จะประจุแบตเตอรี่ขนาด 12 V ได ไดมีการนําเซลล แสงอาทิตยหลายๆ แผนมาตออนุกรมกันและบรรจุลงในกรอบที่แข็งแรง โดยมีขั้นตอนดังนี้ 1. ติดมอดูลยอยเขากับแผนกระจกดานหนา ตอสายระหวางเซลลแสงอาทิตยและสายสูภายนอก 2. ติดแผน EVA และ TEDLAR (เปนแผนพลาสติกที่ใชในการทํามอดูลเซลลแสงอาทิตยใน อุตสาหกรรม) 3. ปดดานหลังดวยแผน bakelite 4. ติดกรอบอะลูมิเนียมและอุดชองวางที่ขอบรอบๆ ดวยซิลิโคน 5. ตอบล็อกกิงไดโอด (blocking diode) สําหรับปองกันกระแสไฟฟาไหลยอน รูปที่ 1.81 แสดงผลการประดิษฐเซลลแสงอาทิตยที่ประกอบเซลลหลายแผนบรรจุในกรอบเดียวกัน และจายกระแสไฟฟาใหแบตเตอรี่ขนาด 12 V ตัวอยางการใชงานในเวลาเที่ยง จะไดกระแสไฟฟาประจุเขา แบตเตอรี่ประมาณ 11 mA และแรงดันไฟฟาประมาณ 12 V ในขณะที่แรงดันวงจรเปดประมาณ 26 V การ ใชงานในลักษณะเชนนี้ เปนการชวยปองกันการรั่วของแบตเตอรี่ รูปที่ 1.82 แสดงตัวอยางการนําเซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรตปอนกระแสไฟฟาใหเครื่องคิด เลข [52]

1-85

รูปที่ 1.81

ตัวอยางมอดูลของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต และการใชงานประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่ [50]

รูปที่ 1.82 ตัวอยางการใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต [52]

1.7.10 การพัฒนาเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ที่ใหแรงดันไฟฟา เอาตพุตสูงดวยโครงสรางทันเดม ขอดีเดนของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ไดแกการผลิตเปนพื้นที่ใหญไดงาย และมีตนทุนถูกกวา เซลลชนิดผลึกเดี่ยว Si และผลึกโพลี Si โครงสรางโดยทั่วไปของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H คือ glass/ITO/SnO2/p-i-n a-Si:H/Al โดยที่ชั้น i เปนชั้นผลิตพาหะ และชั้น p และ n ทําหนาที่สราง แรงดันไฟฟาภายในเพื่อพัดพาพาหะใหไหลออกสูวงจรภายนอก โดยทั่วไปเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H 1 เซลล (p-i-n 1 ชุด) จะใหแรงดันไฟฟาวงจรเปด (Voc) ประมาณ 0.8-0.9 V ซึ่งมีคาสูงกวาของกรณีเซลล ชนิดผลึก Si (Voc = 0.5-0.6 V) ในการที่จะผลิตใหเซลลแสงอาทิตยมีแรงดันไฟฟาวงจรเปดมีคาสูงมากๆ เชน เพื่อใชประจุแบตเตอรี่นั้น อาจทําไดหลายวิธี เชน 1. เลือกใชวัสดุสารกึ่งตัวนําที่มีชองวางพลังงานกวาง 2. ตอเซลลใหตออนุกรมกันในแนวระนาบ ซึ่งอาจตอดวยสายไฟฟาหรือใชเทคนิคฟลมบาง 3. ตอเซลลใหตออนุกรมกันในแนวตั้งและซอนทับกันหลายชั้น ในหัวขอนี้ จะกลาวถึง การออกแบบและการผลิตเซลลแสงอาทิตยใหเคลือบซอนทับกันหลายชั้นใน แนวตั้งโดยมีโครงสราง glass/ITO/SnO2/a-Si:H p-i-n-p-i-n-.../Al ดังแสดงในรูปที่ 1.83 ซึ่งจะทําใหได Voc สูง และเรียกเซลลแสงอาทิตยโครงสรางเชนนี้วา “โครงสรางทันเดม” (tandem structure) เซลล แสงอาทิตยชนิดนี้ผลิตไดงาย เพราะเพียงแตเคลือบฟลมอะมอรฟสชั้น p-i-n ใหซอนทับซ้ํากันหลายชั้น และ เนื่องจากเปนวัสดุอะมอรฟส จึงปลูกเปนฟลมหลายชั้นไดงายดวยวิธีนอนเอพิแทกซี (non-epitaxy)

1-86

รูปที่ 1.83 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบทันเดม [53]

หลักการทํางานและการออกแบบเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดม ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H p-i-n ขึ้นกับความหนาของชั้น p, i และ n มาก [54] ไดกลาวไวในหัวขอที่ 1.7.9 แลววาความหนาที่เหมาะสมที่สุดของชั้น i อยูในชวง 5,000-6,500 อังสตรอมซึ่งคอนขางจะบางมากเมื่อเปรียบเทียบกับความหนาหลายไมครอนของชั้นปลอดพาหะในรอยตอ p-n ของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si ความหนาที่เหมาะสมของชั้น i เพียง 5,000-6,500 อังสตรอมนี้มีสาเหตุ มาจากการที่ระยะทางแพรซึม (diffusion length) ของพาหะโดยเฉพาะอยางยิ่งของโฮลมีคาสั้น และยานที่ สนามไฟฟามีคาสูงในชั้น i มีคาสั้น [52] สาเหตุเหลานี้ทําใหประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะของเซลล แสงอาทิตยชนิด a-Si:H ลดลงอยางรวดเร็วเมื่อชั้น i มีความหนามากขึ้นดังแสดงดวยเสนไขปลาในรูปที่ 1.84 สนามไฟฟาในชั้น i ที่บริเวณใกลรอยตอ p/i (wp) และ i/n (wn) มีคาสูงกวาตรงกลางของชั้น i ดวยเหตุนี้ ถาเราแบงชั้น i ออกเปนเซลลแสงอาทิตย p-i-n ยอยๆ หลายชุด เชน 3 ชุดดังแสดงในรูปที่ 1.84 (มีชุด d1, d2 และ d3) ก็คาดวาประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะจะมีคาสูงสม่ําเสมอตลอดความหนาทั้งหมด ซึ่งจะ ทําใหประสิทธิภาพของการผลิตพาหะสูงขึ้นและไดกระแสไฟฟาโฟโตมากขึ้นและทําใหฟลลแฟก-เตอร (FF) ในเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดมมีคาสูงกวาเซลลแสงอาทิตยรอยตอ p-i-n เพียงชุดเดียว เซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดมที่กําลังกลาวถึงนี้มีรอยตอ กระจก/ITO/a-Si:H ชนิด p-i-n-pi-n-.../Al ดังแสดงในรูปที่ 1.85 (ก) รูปที่ 1.85 (ข) แสดงลักษณะแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยขณะ ยังไมถูกแสง และรูปที่ 1.85 (ค) แสดงลักษณะแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยขณะถูกแสงและรูปที่ 1.85 (ง) แสดงวงจรสมมูล เซลลแสงอาทิตยยอยทั้งหมดนี้ เมื่อถูกแสงก็จะผลิตกระแสไฟฟาโฟโตซึ่งจะมีคามากนอยขึ้นกับ ความเขมของโฟตอนฟลักซที่เซลลแสงอาทิตยแตละตัวดูดกลืนได จากวงจรสมมูลในรูป (ง) แรงดันไฟฟา เอาตพุตทั้งหมดจะเทากับผลบวกของแรงดันไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยยอยแตละตัว และ กระแสไฟฟาเอาตพุตจะมีคาเทากับกระแสไฟฟาเอาตพุตที่มีคานอยที่สุดของเซลลแสงอาทิตยยอย [80]

รูปที่ 1.84

ลักษณะการเปลี่ยนแปลงของประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะตามความลึกของ เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบทันเดม

1-87

รูปที่ 1.85

เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบทันเดม [53-54] (ก) โครงสรางของเซลลแสงอาทิตย (ข) แถบพลังงานขณะไมมีแสง (ค) แถบพลังงานขณะมีแสง และ (ง) วงจรสมมูล

รูปที่ 1.86 แสดงลักษณะสมบัติของไดโอดชนิด a-Si:H ที่มีรอยตอ p-i-n และ p-n จากรูปนี้พบวา รอยตอ p-i-n จะเปนไดโอดที่ดี แตรอยตอ p-n จะไมเปนไดโอดเพราะกระแสไฟฟาไบแอสตามและยอนมี คาใกลกันมาก ดังนั้นรอยตอ p-n ของ a-Si:H จึงทําหนาที่เปรียบเสมือนรอยตอโอหมิก ดวยเหตุนี้ในเซลล แสงอาทิตยชนิดทันเดมของรอยตอ p-i-n-p-i-n-... ดังกลาวจึงไมมีแรงดันไฟฟาภายในที่รอยตอ n-p แต จะมีแรงดันไฟฟาภายในที่รอยตอ p-i-n เทานั้น และรอยตอ n-p ทําหนาที่เปรียบเสมือนตัวตานทานเชื่อม เซลลแสงอาทิตยขางเคียงใหตออนุกรมกันไดเทานั้นนั่นเอง

1-88

รูปที่ 1.86

เปรียบเทียบลักษณะสมบัติกระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาของ a-Si:H รอยตอ p-n และรอยตอ p-i-n

การหาคาแรงดันไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดม ในเซลลแสงอาทิตยทั่วไป ความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟา (I-V) มีรูปดังนี้ [81] ⎧ ⎫ V + IR (V + IR ) I = I s ⎨ exp[ q ] − 1⎬ + − IL ⎩ ⎭ nkT Rsh

โดยที่

I

: IL : n : Rsh :

กระแสไฟฟาเอาตพุต กระแสไฟฟาโฟโตที่เกิดในเซลลแสงอาทิตย แฟกเตอรอุดมคติของไดโอด ความตานทานชันต

V Is R

(1.116)

: แรงดันไฟฟาเอาตพุต : กระแสไฟฟาอิ่มตัว : ความตานทานอนุกรม

ถาสมมติให Rsh มีคาสูงมากใกลอนันต สมการที่ (1.116) จะเขียนไดใหมเปน V + IR =

nkT q

⋅ ln[

I L + Is − I Is

]

(1.117)

ดังนั้นในกรณีที่เซลลแสงอาทิตยมีโครงสรางแบบทันเดมในรูปที่ 1.85 จึงไดวา [81] V + IR =

โดยที่

ILi :

nkT q

⋅ ln[

m

I Li + I s − I

i =1

Is

∏(

กระแสไฟฟาโฟโตที่เกิดขึ้นในเซลลแสงอาทิตยแตละตัว

1-89

)]

(1.118)

m R V

: จํานวนของเซลลแสงอาทิตย (จํานวนของชุด p-i-n) : ความตานทานอนุกรมทั้งหมด : แรงดันไฟฟาเอาตพุตทั้งหมด

จากการคํานวณสมการที่ (1.118) ไดผลวาแรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc และกระแสไฟฟาลัดวงจร Isc m

จะมีคาสูงสุด เมื่อกระแสไฟฟาโฟโต

ILi

มีคาเทากับ 1/m ของ IL

และถา

IL =

∑ Li

ดังนั้นคาสูงสุด

i =1

ของ Voc และ Isc คือ Voc = m(

โดยที่ให

IL >> Is

nkT q

)[ln(

IL Is

) − ln( m)]

I sc ≈

และ

(1.119)

IL m

(1.120)

ดังนั้นจากสมการที่ (1.119) และ (1.120) นี้จึงทําใหเราทราบวาแรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc แปร ผันตรงกับจํานวน m ของเซลลแสงอาทิตย แตกระแสไฟฟาลัดวงจร Isc แปรผกผันกับจํานวน m ของ เซลลแสงอาทิตย นอกจากนี้ สมการที่ (1.118) สามารถเขียนใหมไดดังนี้ ⎤ ⎡ IL + Is − I ⎥ ⎢ I L + mI s − mI nkT nkT m m ln⎢ ( ) ⎥ = m V + IR = ln[ ] q mI s ⎥ ⎢ q Is ⎥⎦ ⎢⎣ I L + mI s − mI V R nkT + mI 2 = ln[ ] mI s m q m V + I ⋅ Reff =

โดยที่

nkT q

ln[

I L + Is − I Is

V = V / m, I = mI , I s = mI s

]

และ

(1.121) Reff =

R m

2

(1.122)

สมการที่ (1.121) และ (1.122) ทําใหเราทราบวา แมวาการเพิ่มจํานวน m เซลลแสงอาทิตยจะทํา ใหความตานทานอนุกรม R เพิ่ม แตโดยภาพรวมแลว ความตานทานอนุกรมประสิทธิผล Reff (effective series resistance) จะลดนอยลงตามแฟกเตอร 1/m2 ดังนั้นเราจึงคาดหวังไดวา การเพิ่มจํานวนเซลล แสงอาทิตยหลายๆ ชั้นจะทําใหฟลลแฟกเตอรของเซลลแสงอาทิตยดีขึ้นดวย

การออกแบบความหนาของชั้น i ในเซลลแสงอาทิตยแตละตัว ความหนา di ของชั้น i ในเซลลแสงอาทิตยแตละตัวมีอิทธิพลตอกระแสไฟฟาโฟโต ILi รวมทั้ง ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยโดยรวมเปนอยางมาก ในหัวขอนี้จะอธิบายแนวทางการออกแบบความหนา ของชั้น i ในเซลลแสงอาทิตยแตละตัววาควรเปนอยางไร ความหนา di ที่เหมาะสม เริ่มแรกควรจะสอดคลองกับเงื่อนไขที่ทําให

1-90

I Li =

IL m

( i = 1,2, . . . . . . . m)

(1.123)

กลาวคือ เนื่องจากกระแสไฟฟาที่ไหลในเซลลแสงอาทิตยทุกตัวจะถูกกําหนดโดยเซลลแสงอาทิตย ตัวที่ใหกระแสไฟฟาเอาตพุตนอยที่สุด และเนื่องจากเซลลแสงอาทิตยชั้นที่ 1 จะไดรับแสงเขมมากที่สุด ในขณะ ที่เซลลแสงอาทิตยที่อยูลึกเขาไปดานหลังจะไดรับแสงเขมนอยลงอยางเอกซโพเนนเชียล ดังนั้นเราจึง คาดคะเนไดวาความหนาของชั้น di นั้นควรจะเพิ่มขึ้นเมื่อเซลลแสงอาทิตยอยูลึกเขาไปดังแสดงในรูปที่ 1.87 นั่นคือ d1 < d2 < d3 <... dm ถาให Φ ( hω , x ) คือโฟตอนฟลักซของแสง ณ ที่ ตําแหนง x ในเซลลแสงอาทิตย และ Eg คือ ชองวางพลังงานของ a-Si:H (ปกติ Eg = 1.7-1.8 eV) เราจะไดคา ILi ดังนี้ [81] I Li = q

∫E g [ Φ(hω, x 2i ) − Φ(hω, x 2i −1 )] d (hω) ∞

= q[Φ( x 2i ) − Φ( x 2i −1 )]

(1.124)

= qΔΦi

โดยที่

รูปที่ 1.87

d i = x 2i − x 2i − 1 และ Φ( x ) = ∫ Φ( hω , x ) d ( hω ) Eg ∞

(1.125)

การเปลี่ยนแปลงของโฟตอนฟลักซของแสงตามความลึกที่เดินทางเขาสูเซลลแสงอาทิตย ชนิด a-Si:H ที่มีโครงสรางแบบทันเดม ตามระยะทางความลึก

1-91

ตัวอยางการผลิตเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดม ในหัวขอนี้จะขอยกตัวอยางผลการวิจัยการประดิษฐเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ที่มีโครงสรางทัน เดมดวยวิธีพลาสมาซีวีดี [81] รูปที่ 1.83 แสดงโครงสรางพื้นฐานของเซลลแสงอาทิตยซึ่งเปนรอยตอ p-in ชั้น p ไดแกวัสดุ p-a-SiC:H (Eg = 2.0 eV) กาซสําหรับชั้น p คือ SiH4 + CH4 + B2H6 กาซสําหรับชั้น i คือ SiH4 และกาซสําหรับชั้น n คือ SiH4 + PH4 แผนฐานคือ glass/ITO/SnO2 ตารางที่ 1.4 แสดงพารามิเตอรคาความหนาของชั้นตางๆ ในเซลล แสงอาทิตย โปรดสังเกตวา ความหนาของชั้น i จะมากขึ้นเมื่อเซลลอยูลึกเขาไป เชน ในกรณีเซลลมี 4 ชุด ความหนาของชั้น i ของ 4 เซลลนี้คือ (เรียงจากดานรับแสง) 200, 370, 930 และ 4,700 ล ตามลําดับ สําหรับความหนาของชั้น p และ n นั้นกําหนดใหคงที่ที่ประมาณ 100 ล ผลการผลิตเซลลแสงอาทิตยทั้ง 4 รุน แสดงในรูปที่ 1.88 และรูปที่ 1.89 [81] โดยรูปที่ 1.88 แสดงลักษณะสมบัติเอาตพุตของกระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยที่วัดดวยแสงอาทิตยเทียม (solar simulator) ความเขม AM1 (100 mW/cm2) และรูปที่ 1.89 แสดงความสัมพันธระหวางพารามิเตอร เอาตพุตและจํานวน m ของเซลลแสงอาทิตยที่ซอนทับกัน จากรูปเหลานี้พบวา เมื่อ m

ตารางที่ 1.4 ความหนาของชั้นตางๆ ในเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดม รอยตอ

P I N P I N P I N P I N

ความหนาแนนของฟลมแตละชั้น (อังสตรอม) (เรียงลําดับจากแผนกระจก) จํานวนเซลลที่ จํานวนเซลลที่ จํานวนเซลลที่ ซอนทับกัน = 1 ซอนทับกัน = 3 ซอนทับกัน = 2 200 200 200 6,500 440 370 500 100 100 50 50 4,700 840 500 100 50 4ม700 500

1-92

จํานวนเซลลที่ ซอนทับกัน = 4 200 200 100 500 370 100 50 930 100 50 4,700 500

รูปที่ 1.88

ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ที่มีโครงสรางแบบทันเดม ซึ่งประกอบดวยเซลลแสงอาทิตยซอนทับกันจํานวนหลายเซลล [81]

รูปที่ 1.89 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ที่มีโครงสรางแบบ ทันเดมจํานวน 2, 3 และ 4 ตัว [81] มีคามากขึ้นจาก 1 ถึง 4 จะทําใหแรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc เพิ่มจาก 0.83 V เปน 2.63 V และ 2 2 กระแสไฟฟาลัดวงจร Jsc ลดลงจาก 12.42 mA/cm เปน 2.37 mA/cm ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของทั้ง Voc และ Jsc นี้สอดคลองกับการคาดคะเนที่ไดกลาวมาแลว และฟลลแฟกเตอรก็เพิ่มเล็กนอยและสอดคลองกับ ผลการคาดคะเนเชนกัน อยางไรก็ตาม ในกรณีที่ m = 1 ได Voc = 0.8 V ดังนั้น ถา m = 4 ก็ควรจะได Voc = 4×0.8 V = 3.2 V แตผลการทดลองได Voc เพียง 2.63 V และประสิทธิภาพก็ลดลงจาก 6.6 % ลงไปที่ 4.5 % เมื่อ จํานวนของเซลลแสงอาทิตย m เพิ่มขึ้นจาก 1 เปน 4 ทั้งนี้อาจมีสาเหตุมาจากการที่มีแสงบางสวนถูกดูดกลืน ในชั้น p และ n ดวย เนื่องจากชั้น p และ n มีคาสภาพนําไฟฟาดวยแสงที่ไมดี ดังนั้นจึงไมมีกระแสไฟฟาโฟ

1-93

โตเกิดขึ้นในชั้น p และ n ดังนั้นการดูดกลืนแสงดวยชั้น p และ n จึงอาจเปนสาเหตุที่ทําใหผลการทดลอง คลาดเคลื่อนไปจากการคาดคะเนไดบาง ลักษณะเดนของเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดมเชนนี้ไดแกการที่มีแรงดันเอาตพุตสูง ดังนั้นถา ผลิตใหมีพื้นที่ใหญพอเหมาะ ก็จะสามารถใชปอนกระแสไฟฟาใหผลิตภัณฑเครื่องใชไฟฟาอิเล็กทรอนิกสได ตัวอยางขอมูลขางตนไดกําหนดใหชองวางพลังงานของชั้น i เทากันทุกชั้น (1.7 eV) ดังนั้นลักษณะ สเปกตรัมผลตอบสนองแสงของเซลลแสงอาทิตยทุกชั้นจึงเหมือนกันหมด ทําใหไมสามารถดูดกลืนแสงที่มี ความยาวคลื่นยาวไดเลย แตถาใชวัสดุชั้น i ที่มีชองวางพลังงานแคบลง เชน a-Si1-xGex:H เปนชั้น i ในเซลล แสงอาทิตยชั้นที่ 2, 3, 4... โดยควบคุมใหชองวางพลังงานแคบลงจาก 1.7 eV ลงไปถึง 1.1 eV ก็จะ สามารถทําใหประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดมสูงขึ้นได [82-86] รูปที่ 1.90 แสดงผลการคํานวณของการใชเซลลแสงอาทิตย 2 ตัวซอนทับกัน โดยเซลลตัวที่หนึ่ง ดานรับแสงมีชองวางพลังงาน 1.75 eV และเซลลชั้นที่สองมีชองวางพลังงาน 1.15 eV ผลการคํานวณได ประสิทธิภาพสูงสุด 21% [82] รูปที่ 1.91 แสดงผลการคํานวณของการใชเซลลแสงอาทิตย 3 ตัวซอนทับกัน โดยเซลลแสง-อาทิตย ทั้งสามมีชองวางพลังงานเทากับ 2.0 eV/1.7eV/1.45 eV ตามลําดับ ผลการคํานวณไดประสิทธิภาพสูงสุด เทากับ 24% [82] อยางไรก็ตามในทางปฏิบัติ ประสิทธิภาพจะมีคาไมถึงคาเหลานี้ เพราะวาคุณภาพของ วัสดุอะมอรฟสซิลิคอนอัลลอยโดยเฉพาะอยางยิ่ง a-SiC:H และ a-SiGe:H ที่จะนํามาใชเปนชั้น i นั้นยังมีคา สภาพนําไฟฟาดวยแสงที่ยังไมดีเทาที่ควร ดังนั้นในทางปฏิบัติ จึงมีความจําเปนที่จะตองหาแนวทางการปลูก ฟลม a-SiC:H และ a-SiGe:H ที่มีสภาพนําไฟฟาดวยแสงที่ดีขึ้น ลาสุดบริษัท United Solar System Corp. ประเทศสหรัฐอเมริกาไดรายงานผลการผลิตเซลลแสงอาทิตย 3 ตัวซอนทับกันโดยมีโครงสรางตามที่แสดงในรูปที่ 1.92 ไดประสิทธิภาพสูงถึง 14.6% [85] รูปที่ 1.93 แสดงกราฟลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยนี้ รูปที่ 1.94 แสดงผลการวัดสเปกตรัมของ ผลตอบสนองตอแสง รูปที่ 1.95 แสดงเทคโนโลยีการผลิตของบริษัทนี้ดวยวิธี roll-to-roll กลาวคือ แผน ฐานชนิดเหล็กกลาไรสนิมจะถูกปอนเขาเครื่อง CVD จากทางดานซาย และภายในเครื่อง CVD นี้จะมีชุด CVD ยอยๆ จํานวน 9 เครื่องเพื่อปลูกฟลมอะมอรฟสซิลิคอนอัลลอยชนิดตางๆ แบบตอเนื่อง เซลลแสงอาทิตยที่ ผลิตไดก็จะออกทางดานขวาดและมีเครื่องมวนเก็บไวสําหรับขั้นการประกอบแผงเซลลตอไป [87] รูปที่ 1.96 แสดงหลักการออกแบบโครงสรางของเซลลแสงอาทิตย 3 เซลลซอนทับกัน

รูปที่ 1.90

ผลการคํานวณประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ที่ประกอบดวยเซลลที่ ซอนทับกัน 2 ชั้น (double junctions) ประสิทธิภาพสูงสุดมีคา 21% ไดจากการณีที่ชองวาง พลังงานของเซลลชั้นบนและชั้นลางเทากับ 1.75 eV และ 1.15 eV ตามลําดับ [82]

1-94

รูปที่ 1.91

ผลการคํานวณประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ที่ประกอบดวยเซลลที่ ซอนทับกัน 3 ชั้น (triple junctions) ประสิทธิภาพสูงสุดมีคา 24% ไดจากการณีที่ชองวาง พลังงานของเซลลชั้นบน ชั้นกลางและชั้นลางเทากับ 2.0 eV 1.7 eV และ 1.45 eV ตามลําดับ [82]

รูปที่ 1.92

โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบทันเดมซึ่งซอนทับกัน 3 เซลล จากชั้น บนลงมา เซลลดานบนสุดใชวัสดุ a-Si:H เซลลชั้นที่ 2 และ 3 ใชวัสดุ a-SiGe:H [85]

1-95

รูปที่ 1.93

ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยในรูปที่ 1.92 มีประสิทธิภาพสูงถึง 14.6 % [85]

รูปที่ 1.94 สเปกตรัมผลตอบสนองตอแสงของเซลลแสงอาทิตยแบบทันเดม ซึ่งซอนทับกัน 3 เซลล [85]

รูปที่ 1.95 แผนภาพเครื่องมือผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H เชิงอุตสาหกรรมแบบ roll-to-roll [87]

1-96

รูปที่ 1.96 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยแบบทันเดมซึ่งมีโลหะเปนแผนฐาน [87] การพัฒนาเซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสรางแบบตางๆ (1) เซลลอาทิตยซึ่งชั้น p เปนซูเปอรแลตทิซ (superlattice p-layer) ปญหาหนึ่งเกี่ยวกับคุณสมบัติของ a-SiC:H ชนิด p ซึ่งนิยมใชเปนชั้นหนาตางรับแสงคือ มีคาสภาพ นําไฟฟาดวยแสงที่ยังต่ําอยูและชองวางพลังงานก็ยังถูกจํากัดอยูที่ประมาณ 2.0 eV ทั้งนี้เพราะวาถาปลูกฟลม ใหชองวางพลังงานกวางขึ้น จะทําใหทั้งสภาพนําไฟฟามืดและสภาพนําไฟฟาดวยแสงลดลงอยางรวดเร็ว แนวทางหนึ่งที่จะชวยแกปญหาเกี่ยวกับชั้น p ไดแก การประดิษฐใหชั้น p มีโครงสรางเปนซูเปอรแลตทิซ (superlattice) เชน ปลูกฟลมบางของ a-SiC:H และ a-Si:H ที่มีความบางมากๆ เชน 20-50 อังสตรอม สลับกันจํานวนหลายๆ ชั้นในลักษณะมัลติเลเยอร โดปชั้น a-Si:H ใหเปนชนิด p สําหรับชั้น a-SiC:H อาจจะ โดปหรือไมก็ได บริษัท Sanyo จํากัด ประเทศญี่ปุนไดออกแบบและประดิษฐเซลลแสงอาทิตยซึ่งชั้น p เปนซูเปอร แลตทิซดังที่แสดงในรูปที่ 1.97 (ก) ผลการวัดสเปกตรัมของผลตอบสนองตอแสงของเซลลแสงอาทิตยแสดง ในรูปที่ 1.97 (ข) จากรูปนี้จะเห็นไดวา ผลตอบสนองตอแสงยานความยาวคลื่นสั้นของเซลลชนิดซูเปอร แลตทิซนี้ดีกวากรณีของเซลลซึ่งชั้น p ไมไดเปนซูเปอรแลตทิซ [88] (2) เซลลแสงอาทิตยซึ่งใชไมโครคริสตัลไลนซิลิคอนออกไซด (p-μc-SiO:H) เปนชั้น p รับแสง บริษัท Fuji Electric จํากัด ประเทศญี่ปุนไดรายงานผลความสําเร็จในการปลูกฟลมบางของ p-μcSiO:H ดวยวิธี glow discharge plasma CVD โดยใชกาซ SiH4+CO2+H2+B2H6 มีชองวางพลังงานกวาง เทากับ 2.0 eV และมีสภาพนําไฟฟาสูงมาก ทําใหไดเซลลแสงอาทิตยอาทิตยที่มีประสิทธิภาพสูงประมาณ 12% [89] (3) เซลลแสงอาทิตยซึ่งมีโครงสรางรอยตอเฮเทโรของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H และชนิดผลึก โพลี Si คณะวิจัยที่มหาวิทยาลัยโอซากาไดรายงานผลการประดิษฐเซลลแสงอาทิตยที่ประกอบดวยเซลล แสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n ซอนทับกับเซลลแสงอาทิตยชนิด n-a-Si:H/p-poly Si ดังโครงสราง ที่แสดงในรูปที่ 1.98 เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ดานบนทําหนาที่ดูดกลืนแสงความยาวคลื่นสั้น และเซลล ชนิดโพลี Si ดานลางนั้นทําหนาที่ดูดกลืนแสงความยาวคลื่นยาว ประสิทธิภาพที่ไดคือ 12% [2]

1-97

(4) เซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสราง “See Through” บริษัท Sanyo จํากัด ประเทศญี่ปุน ไดผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด “See through” ซึ่งมีลักษณะเดนที่มี ความโปรงใสมาก [90] ทําใหสามารถมองทะลุเซลลแสงอาทิตยเห็นดานหลังได รูปที่ 1.99 แสดง โครงสราง ของเซลลชนิดนี้ วิธีการผลิตไดแกการใชเทคนิคเจาะฟลมอะมอรฟสซิลิคอนใหเปนรูจํานวนมากดวยแสงเลเซอร สามารถนําเซลลชนิดนี้ไปใชงานเปนหนาตางและประตูที่ผลิตกระแสไฟฟาไดดังที่แสดงในรูปที่ 1.100 (5) เซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสรางอินทิเกรต บริษัท Sanyo จํากัด ไดพัฒนาเซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสรางอินทิเกรตซึ่งไดแสดงไวในรูปที่ 1.75 แลว สิ่งที่นาสนใจคือ การใชเทคโนโลยีเลเซอรในการกรีดตัดฟลมชั้นตางๆ ไมวาจะเปน ฟลม ITO ฟลม aSi:H และฟลม Al ตามที่แสดงในรูปที่ 1.101 และ 1.102 การใชแสงเลเซอรดังกลาวทําใหกระบวนการผลิต เปนแบบอัตโนมัติได เปน dry process และมีความเที่ยงตรงสูง รูปที่ 1.103 1.106 แสดงตัวอยางการออกแบบเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนในลักษณะ ตางๆ และการนําไปใชงานผลิตกระแสไฟฟาแบบตางๆ เชน ใชงานเปนหลังคาบาน ใชงานเปนหลังคารถยนต ไฟแสงสวางตูไปรษณีย ชุดปกนิก เครื่องใชสํานักงาน เปนตน

รูปที่ 1.97

(ก) โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยซึ่งชั้น p เปนซูเปอรแลตทิซ [88] (ข) ผลการวัดสเปกตรัมของผลตอบสนองตอแสงของเซลลแสงอาทิตย

1-98

รูปที่ 1.98 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยซึ่งประกอบดวยเซลลชนิด a-Si:H และชนิดโพลี Si

รูปที่ 1.99 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบ See through ซึ่งมองทะลุได [90]

รูปที่ 1.100 การใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ซึ่งมองทะลุไดเปนหนาตางและประตู

1-99

รูปที่ 1.101 การใชเทคโนโลยีเลเซอรสําหรับการกรีดตัดฟลมบางชั้นตางๆ ในการผลิตเซลลแสงอาทิตย

รูปที่ 1.102 การใชแสงเลเซอรในการกรีดตัดชั้นตางๆ ในการผลิตเซลลแสงอาทิตย

รูปที่ 1.103 การใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H เปนหลังคาบาน

1-100

รูปที่ 1.104 การใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H เปนหลังคาบาน

รูปที่ 1.105 การใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รูปแบบตางๆ เชน หลังคารถยนต ตูไปรษณีย

1-101

รูปที่ 1.106 การใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H กับเครื่องใชสํานักงาน

1-102

1.8 เซลลแสงอาทิตยชนิดสารประกอบกึ่งตัวนํา สารกึ่งตัวนําที่สามารถใชผลิตเปนเซลลแสงอาทิตยนอกจาก Si ซึ่งเปนธาตุตระกูล IV แลว ยังมี สารประกอบกึ่งตัวนําตระกูล III-V ซึ่งประกอบดวยธาตุตระกูล III (เชน Ga, In) และ V (เชน P, As) สราง พันธะเปน GaAs และ InP และยังมีสารประกอบกึ่งตัวนําตระกูล II-VI ซึ่งประกอบดวยธาตุตระกูล II (เชน Zn, Cd) และ VI (เชน S, Se, Te) สรางพันธะเปน CdS, CdTe เปนตน ในอดีต เซลลแสงอาทิตยที่ผลิตจาก วัสดุเหลานี้มรี าคาแพงมาก แตในปจจุบันราคาของเซลลแสงอาทิตยเหลานี้ไดลดลงมากแลว เซลลแสงอาทิตย ชนิด CdS/CdTe ไดมีการผลิตและขายเชิงพาณิชยแลว และเซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs และ InP ก็ใชกันมาก ในอวกาศ นอกจากนี้ในปจจุบัน สารประกอบกึ่งตัวนําตระกูลคารโคไพไรตซึ่งประกอบดวยธาตุตระกูล I-IIIVI2 เชน CuInSe2 ก็กําลังไดรับความสนใจมากเชนกัน ตารางที่ 1.5 แสดงตัวอยางรายชื่อสารประกอบกึ่งตัวนําชนิดตางๆ ที่กําลังไดรับความสนใจในการ ประดิษฐเปนเซลลแสงอาทิตยกันมากในปจจุบัน

1.8.1 คุณสมบัติเดนของเซลลแสงอาทิตยชนิดสารประกอบกึ่งตัวนํา คุณสมบัติเดนของเซลลแสงอาทิตยชนิดสารประกอบกึ่งตัวนําเหลานี้ มีดังตอไปนี้ (1) มีศักยภาพที่ทําใหเซลลแสงอาทิตยมีประสิทธิภาพสูง จากการศึกษาทางทฤษฎีพบวา ชองวางพลังงานของสารกึ่งตัวนําที่จะใหประสิทธิภาพสูงที่สุดมีคาอยู ในชวง 1.4-1.5 eV วัสดุสารประกอบกึ่งตัวนําหลายชนิด เชน GaAs (1.41 eV) InP (1.35 eV) และ CdTe (1.44 eV) จึงมีศักยภาพที่จะใหประสิทธิภาพสูงได (2) มีคาสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสูงและสามารถผลิตใหเปนฟลมบางได กรณีวัสดุ Si ซึ่งเปนสารกึ่งตัวนําชนิดชองวางพลังงานแบบไมตรง ดังนั้นสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสง ของ Si จึงมีคานอย และการที่จะให Si ดูดกลืนแสงอาทิตยมากๆ ตองใชผลึก Si ที่มีความหนาถึงระดับ 100 μm ในขณะที่สารประกอบกึ่งตัวนําหลายชนิดมีชองวางพลังงานชนิดตรง จึงมีความสามารถดูดกลืนแสงไดดี และดวยความหนาเพียงระดับสิบ μm ก็สามารถดูดกลืนแสงอาทิตยไดมาก [91] รูปที่ 1.107 แสดงการ เปรียบเทียบความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยและความหนาของผลึกชนิด Si และชนิด

1-103

ตารางที่ 1.5 วัสดุสารกึ่งตัวนําที่ใชประดิษฐเปนเซลลแสงอาทิตย

เทคนิคการแกะฟลม ผลึกเดี่ยวฟลมบาง เซลลชนิดราคาถูก/น้ําหนักเบา

เทคนิคเอพิแทกซีบน แผนฐานตางๆ ชนิด ตระกูล III-V ผลึกโพลีฟลมบาง

ตระกูล II-VI ชารลโคไพไลต

วัสดุประสิทธิภาพสูง/ รอยตอเดี่ยว

GaAs

วิธีการเอชชิง วิธีการแกะฟลมใหรอน GaAs/Si, InP/Si, GaAs/Ge GaAs, InP/Graphite, Mo, W CdS/CdTe Cu2S/CdS CdZnS/CuInSe2, CuInGaSe2, CuInS2 a-Si/CuInSe2 AlGaAs/GaAs GaAs

InP เซลลชนิดประสิทธิภาพสูง AlGaAs/GaAs มัลติเลเยอร GaAs/Si AlGaAs/GaAs InP

ชนิดรวมแสง

รอยตอหลายชั้น

ซอนแบบกล โมโนลิทิก

AlGaAs/GaAs GaAs/Si, GaAs/Ge, AlGaAs/GaAs, GaAs/CuInSe2 รวมแสง

วัสดุประสิทธิภาพสูง

เซลลสําหรับใชในอวกาศ วัสดุทนรังสีตางๆ

InP

1-104

GaAs/Si, GaAs/InGaAs, GaAs/CuInSe2 AlGaAs/GaAs, GaInP/GaAs GaAs/Si, GaAs/Ge

รูปที่ 1.107 การเปรียบเทียบความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยและความหนาของ ผลึกชนิด Si และ GaAs GaAs จากรูปจะเห็นไดวา ถาเราตองการไดประสิทธิภาพประมาณ 15% เซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs จะใช ความหนาเพียง 10 μm ในขณะที่เซลลแสงอาทิตยชนิด Si จะตองใชความหนาถึง 100 μm (3) มีความทนทานตอรังสีตางๆ ในอวกาศ เนื่องจากเซลลแสงอาทิตยชนิดสารประกอบกึ่งตัวนําไมใชความหนามาก จึงมีคุณสมบัติทนทานตอ รังสีตางๆ ในอวกาศไดดีกวา Si ในทางปฏิบัติจริงนิยมใชเซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs และ InP ในดาวเทียม (4) ทํางานไดดีภายใตแสงที่มีความเขมสูง สารประกอบกึ่งตัวนําเหลานี้ มีชองวางพลังงานกวางกวา Si ดังนั้นแมจะใชงานที่อุณหภูมิสูง กระแสไฟฟามืดจึงเปลี่ยนแปลงนอยกวา จึงยังคงรักษาประสิทธิภาพใหคงไวที่คาสูงไดดีกวา Si ดังแสดงในรูปที่ 1.108 [92] ดังนั้นจึงไดรับผลกระทบตอความรอนขณะใชงานนอย

รูปที่ 1.108 อิทธิพลของอุณหภูมิที่มีตอประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด Si และ AlGaAs/GaAs

(5) มีศักยภาพในการดูดกลืนแสงในลักษณะสเปกตรัมที่กวางไดดี เราสามารถผลิตเซลลแสงอาทิตยที่ประกอบดวยสารประกอบกึ่งตัวนําที่มีชองวางพลังงานตางๆ ให ซอนทับกันหลายชั้นได ทําใหเซลลแสงอาทิตยแบบหลายชั้นสามารถดูดกลืนแสงอาทิตยไดที่ยานความยาวคลื่น ที่กวาง ทําใหเซลลแสงอาทิตยสามารถดูดกลืนแสงอาทิตยไดอยางมีประสิทธิภาพ

1-105

1.8.2 คุณสมบัติพื้นฐานของสารประกอบกึ่งตัวนําสําหรับการใชงานเปน เซลลแสงอาทิตย 1) คุณสมบัติพื้นฐานทั่วไป ตารางที่ 1.6 และ ตารางที่ 1.7 แสดงคุณสมบัติทางฟสิกสตางๆ ของสารกึ่งตัวนําตระกูล III-V และ II-VI ตามลําดับ คุณสมบัติเดนของสารประกอบกึ่งตัวนําเหลานี้คือ การเปลี่ยนแปลงสวนผสม

ตารางที่ 1.6 คุณสมบัติพื้นฐานของสารประกอบกึ่งตัวนําตระกูล III-V

วัสดุ

โครง สราง

คาคงที่โครงผลึก (nm)

a0 AlP AlAs AlSb

GaN GaP

GaAs GaSb

InN InP InAs

ชอวาง พลังงาน (eV)

ความคลองตัว (cm2/V.s) (300K) อิเล็กตรอน

c0

CB ZB CB ZB CB ZB

0.5463

2.45(X)

80

0.5661

3.11(Γ) 2.13(X) 2.218(Γ) 1.62(X)

180

HEX WZ CB ZB

0.3180

CB ZB CB ZB HEX WZ CB ZB CB ZB

0.6136

200

โฮล

อิเล็กตรอน

โฮล

420

2.6 x 10-9

1.3 x 10-9

380

0.5450

2.78(Γ) 2.24(X)

200

0.5642

1.428

8,500

0.6094

0.72

7,700

1,400 4,800 (77K)

5.692

สัมประสิทธิ์ การดูดกลืน แสง (1/cm)

1.5x105 (hv~4eV)

3.39

0.3533

5.166

เวลาอายุพาหะ (s)

120 1,000 (77K) 420

3x10-9

8 x 10-8

10-5~10-6

2.1 x10-3

1.1x104 (hv=1.6 eV) 1x104 (hv=0.8 eV)

2.4

0.5869

1.351

6,060

150

2x10-3

2.6 x 10-6

6.6058

0.356

33,000

460

10-3

5x10-3

1-106

4x103 (0.5 eV)

ตารางที่ 1.7 คุณสมบัติพื้นฐานของสารประกอบกึ่งตัวนําตระกูล II-VI รายการ คาคงตัวแลตทิซ ความหนาแนน สัมประสิทธิ์ การขยายตัว จุดหลอมเหลว ชองวางพลังงาน การนําไฟฟา ความคลองตัว (cm2V-1s-1) อิเล็กตรอนแอฟฟนิตี คาคงที่ไดอิเล็กทริก ดัชนีหักเหแสง (1 μm)

a0 (ล) c0 (ล) g.cm-3 ⊥c (10-6/°C) // c °C (eV) ชนิด ชนิด อิเล็กตรอน โฮล (eV) ε33/ε0 ε11/ε0 n0 ne

โครงสราง

ZnS 3.822 6.259 4.087 6.5 4.6 1,718 3.6 ตรง n 120 3.9 8.00 8.58 2.356* 2.378* Hexagonal

ZnSe 5.669

ZnTe 6.103

5.262 7.1

5.636 8.4

1,526 2.7 ตรง n, p 530 4.09

1,292 2.23 ตรง p 530 130 3.5

9.25 2.48

Cubic

CdS 4.137 6.716 4.819 4.6

CdSe 4.297 7.006 5.670 4.9

2.6 1,397 2.42 ตรง n 350

2.9 1,258 1.72 ตรง n 650

10.1 2.79

4.5 10.33 9.35 2.336

4.95 10.65 9.70 2.550

Cubic

2.354 Hexagonal

CdTe 6.483 5.849 4.5

1,097 1.44 ตรง p, n 1000 65 4.28 11.0 2.84

2.570 Hexagonal Hexagonal

*ที่ความยาวคลื่น 0.589 μm ทําใหคาพารามิเตอรตางๆ เปลี่ยนแปลงได เชน ชองวางพลังงานและคาคงตัวแลตทิซ ชองวางพลังงานที่ เหมาะสมของสารกึ่งตัวนําที่จะทําใหสารกึ่งตัวนําสามารถดูดกลืนแสงอาทิตยไดดีที่สุดมีคาประมาณ 1.4-1.5 eV สารประกอบกึ่งตัวนําที่มีชองวางพลังงานชวงนี้ไดแก GaAs (1.41 eV), InP (1.35 eV) และ CdTe (1.44 eV) เปนที่นาโชคดีวา สารประกอบกึ่งตัวนําตระกูล III-V มีความบกพรองของโครงสรางนอย เราสามารถ ปลูกผลึกของสารประกอบกึ่งตัวนําตระกูล III-V ใหเปนกอนใหญได และยังสามารถใชเทคโนโลยีเอพีแทกซี ผลิตใหผลึกมีลักษณะเปนฟลมพื้นที่ใหญไดดีและรักษาคา stoichiometry ไวได และที่สําคัญอีกประการหนึ่งคือ สามารถโดปใหเปนชนิด p และ n ได ดานคุณสมบัติทางแสงก็มีชองวางพลังงานแบบตรง มีสัมประสิทธิ์การ ดูดกลืนแสงสูง ทางดานสารประกอบกึ่งตัวนําตระกูล II-VI สวนมากมีชองวางพลังงานแบบตรงและมีสัมประสิทธิ์การ ดูดกลืนแสงสูง โดยเฉพาะอยางยิ่ง CuInSe2 มีสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสูงมาก จึงเหมาะสมในการผลิตให เปนฟลมบาง ปญหาของสารกึ่งตัวนําตระกูล II-VI คือการโดป กลาวคือ วัสดุที่สามารถโดปใหเปนทั้งชนิด p และ n ไดมีเฉพาะ CdTe และ CuInSe2 วัสดุ CdS ซึ่งมีชองวางพลังงานกวางประมาณ 2.42 eV นิยมใชเปน ชั้นหนาตางกวางรับแสงอาทิตยในโครงสรางแบบเฮเทโร 2) อิทธิพลของการรวมตัวของพาหะ

1-107

พารามิเตอรที่สําคัญเกี่ยวกับออปโตอิเล็กทรอนิกสของสารประกอบกึ่งตัวนําไดแก ความคลองตัว (μ) สภาพนําไฟฟา (σ) เวลาอายุของพาหะขางนอย (τ) ระยะทางแพรซึมของพาหะขางนอย (L) และ กระบวนการรวมตัวของพาหะ พารามิเตอรเหลาสามารถไดรับผลกระทบจากหลายสาเหตุ เชน สารเจือปน ความบกพรอง เกรนตางๆ และผิวของผลึก ในเซลลแสงอาทิตย พาหะขางนอยที่เกิดจากแสง เมื่อเวลาผานไปจะคอยๆ รวมตัวกับพาหะขางมาก ดวยกระบวนการตางๆ และจํานวนของพาหะขางนอยก็จะลดลง ถาความหนาแนนของศูนยกลางการรวมตัว (Nr) มีคามาก จํานวนของพาหะขางนอยก็จะยิ่งลดลงอยางรวดเร็ว เวลาอายุของพาหะขางนอย τ โดยทั่วไป แปรผกผันกับ Nr ตามสมการดังนี้ τ =

โดยที่

σ v

1

(1.126)

σvN r

: พื้นที่ตัดขวางของศูนยกลางจับพาหะ (capture cross section) และ : ความเร็วเชิงความรอน (thermal velocity) ของพาหะขางนอย

โดยพื้นฐานแลว ลักษณะสมบัติของเซลลแสงอาทิตยไดรับผลกระทบจากการรวมตัวของพาหะในเนื้อ สารกึ่งตัวนํา (ซึ่งมีการรวมตัวของอิเล็กตรอนและโฮล การรวมชนิด Auger และการรวมตัวที่ระดับแทร็ป) รูป ที่ 1.109 แสดงความสัมพันธระหวางระยะทางแพรซึมของพาหะขางนอยและความหนาแนนของการโดปสารกึ่ง ตัวนํา InP ทั้งชนิด n และชนิด p [93] และสามารถเขียนเปนสมการแสดงคาใกลเคียงไดดังนี้

รูปที่ 1.109 ความสัมพันธระหวางระยะทางแพรซึมของพาหะขางนอยและความหนาแนนของการโดป ของสารกึ่งตัวนํา InP ชนิด n และชนิด p [93] กรณีโฮลเปนพาหะขางนอย

1 2 Lh

1 Lh

= =

กรณีอิเล็กตรอนเปนพาหะขางนอย

1 −4 2

( 3 × 10 ) n

+ 4 × 10

−11

( 2.87 × 10 ) Le 1 Le

18

−3

18

−3

เมื่อ

n ≤ 10 cm

เมื่อ

n > 10 cm

เมื่อ

p ≤ 4 × 10 cm

เมื่อ

p > 10 cm

0.908 12

1

n

= =

p

0 .3

( 215 . ) p

17

0.83 10

( 4.77 × 10 )

1-108

17

−3

(1.127) (1.128) −3

(1.129) (1.130)

รูปที่ 1.110 แสดงตัวอยางผลการคํานวณความสัมพันธระหวางลักษณะสมบัติเอาตพุตของ เซลล แสงอาทิตยชนิด CuInSe2 และเวลาอายุของพาหะขางนอย [94] จากรูปนี้ทําใหเราทราบวาเมื่อเวลา อายุ พาหะสั้นลง จะทําใหพารามิเตอรเอาตพุตตางๆ ทั้งแรงดันไฟฟาวงจรเปด กระแสไฟฟาลัดวงจร และ ประสิทธิภาพลดลง ระยะทางการแพรซึมของพาหะขางนอยจะลดอยางชาเมื่อความหนาแนนของการโดป เพิ่มขึ้น แตเมื่อความหนาแนนของการโดปมากกวาประมาณ 5×1017∼1018 cm-3 เวลาอายุของพาหะจะลดลง อยางรวดเร็วซึ่งไดรับอิทธิพลจากการรวมตัวชนิด Auger รูปที่ 1.111 แสดงระดับพลังงานของจุดบกพรองและสารเจือปนในผลึกสารกึ่งตัวนําชนิด GaAs, InP และ CdTe เรามีความจําเปนตองพยายามลดปริมาณของสารเจือปนประเภทโลหะทรานซิชัน ออกซิเจน ชองวาง (vacancy) อะตอมแทรกใหนอยที่สุด เพราะวาความบกพรองเหลานี้เปนสาเหตุของเกิดระดับแทร็ ปที่อยูลึกในชองวางพลังงาน และสามารถจับพาหะขางมากได และเปนศูนยกลางการรวมตัวของพาหะดวย นอกจากนี้ ผิวของสารกึ่งตัวนําก็เปนศูนยกลางของการรวมตัวดวย ทั้งนี้เพราะวาอะตอมที่ผิวจะมีแขน ขาดเกิดขึ้นเสมอ แขนขาดที่ผิวเหลานี้เปนสาเหตุของการเกิดระดับแทร็ปที่ผิวสารกึ่งตัวนําซึ่งจะทําใหพาหะขาง นอยรวมตัวและเปนการสูญเสีย

รูปที่ 1.110 ผลการคํานวณความสัมพันธระหวางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด CuInSe2 และเวลาอายุของพาหะขางนอย [94]

รูปที่ 1.111 ระดับพลังงานของจุดบกพรองและสารเจือปนในผลึกสารกึ่งตัวนําชนิด GaAs, InP และ CdTe

1-109

ในกรณีสารกึ่งตัวนําชนิด n กระแสไฟฟา Js ของพาหะขางนอยที่สูญเสียไปอันเนื่องจากการรวมตัวที่ ผิวจะแปรผันตรงกับความหนาแนนของโฮลซึ่งเปนพาหะขางนอยสวนเกิน (excess minority carriers) ดังนี้ J s = qS h Δp n

โดยที่

Sh

(1.131)

คือความเร็วของการรวมตัวของโฮลที่ผิวและมีคาเทากับ S h = σ p vN ss

(1.132)

โดยที่ Nss คือความหนาแนนของศูนยกลางการรวมตัวที่ผิวตอหนวยพื้นที่ นอกจากนี้ การปลูกสารกึ่งตัวนําตางชนิดกันหรือสวนผสมที่ไมเทากันใหซอนทับกัน อาจทําใหเกิด ปญหาความไมตอเนื่องของแถบพลังงานและความไมเทากันของคาคงตัวแลตทิซ และจะเปนสาเหตุที่ทําใหเกิด ระดับแทร็ปและศูนยกลางของการรวมตัวของพาหะจํานวนมากที่รอยตอของสารกึ่งตัวนํา และจะทําให ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยลดลง

1.8.3 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดสารประกอบกึ่งตัวนํา เราอาจแบงโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดสารประกอบกึ่งตัวนําออกเปนชนิดรอยตอเดี่ยว (single-junction) ซึ่งมีรอยตอ p-n เพียงชุดเดียว และชนิดหลายรอยตอ (multi-junction) ซึ่งมีรอยตอ p-n หลายชุด ดังมีรายละเอียดตอไปนี้ (1) เซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอเดี่ยว รูปที่ 1.112 แสดงโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอเดี่ยวซึ่งสามารถแบงออกเปนชนิด ยอยๆ ไดดังนี้ 1. รอยตอโฮโม (homo-junction) เชน n+-p-InP, n+-p-GaAs 2. รอยตอซิงเกิลเฮเทโร (single hetero-junction) เชน p-AlGaAs/p-n-GaAs 3. รอยตอดับเบิลเฮเทโร (double hetero-junction) เชน p-InGaP/p-n-GaAs/n-InGaP 4. รอยตอชองวางพลังงานลาด (graded band gap) เชน p-AlGaAs/n-GaAs 5. รอยตอเฮเทโรของวัสดุตางชนิด (hetero-junction) เชน n-CdS/p-InP, n-ITO/p-InP 6. รอยตอ MIS (Metal/Insulator/Semiconductor junction) หรือชอตตกีแบรเรียร (Schottky barrier) เชน p-InP/SiO2/metal โดยทั่วไป ความเร็วของการรวมตัวของพาหะขางนอยที่ผิวของวัสดุ GaAs มีคาสูงมากถึงระดับ 106107cm/s ในยุคแรกๆ ชวง ค.ศ. 1956 ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเดี่ยวมีคาต่ํามากเพียง 6.5% [95] ตอมาจึงมีการเสนอใหชั้นรับแสงบางลง ดังนั้นชั้นดานบนที่รับแสงอาทิตยจะตองออกแบบใหบาง มาก เชน อาจบางกวา 500 ล ทั้งนี้เพราะวาการสรางใหรอยตอบาง จะทําใหชั้นปลอดพาหะขยายไปเกือบถึงผิว ของเซลลแสงอาทิตย และสนามไฟฟาจากชั้นปลอดพาหะจะชวยขับพาหะใหไหลออกสูวงจร ภายนอกไดดี ขึ้น ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยรอยตอโฮโมที่ดีที่สุดมีคาประมาณ 20% [96]

1-110

รูปที่ 1.112 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอเดี่ยวแบบตางๆ ตอมาเพื่อแกปญหาลดความเร็วในการรวมตัวของพาหะที่ผิว GaAs นักวิทยาศาสตรที่ IBM จึงเสนอ ใหเคลือบชั้นดานบนดวย AlGaAs ซึ่งปรากฏวาไดผลเปนอยางดี [97] และในปจจุบันการใช AlGaAs ดานบน ถือวาเปนโครงสรางมาตรฐานของเซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs มีการใชงานอยางแพรหลายในดาวเทียม ขอดีเดนของชั้น AlGaAs ชั้นบนสุดนี้มีหลายขอ เชน - มีชองวางพลังงานกวาง จึงเปนชั้นหนาตางที่ดี - ความเร็วในการรวมตัวที่ผิวมีคานอยกวา GaAs - ทําใหสามารถออกแบบความลึกของรอยตอไดอิสระขึ้น - ทําหนาที่เปนชั้นคลาย Back Surface Field (BSF) ได ขอเสียบางประการของ AlGaAs คือ เมื่อ AlGaAs สัมผัสกับอากาศจะเกิดปฏิกิริยากับออกซิเจนที่ คอนขางเร็ว ทําใหมีชั้นออกไซดบางๆ ที่มีความตานทานสูงเกิดขึ้นที่ผิวของ AlGaAs ตอมาไดมีการคนพบวา GaInP ทําปฏิกิริยากับออกซิเจนไดชากวาและสามารถผลิตใหเปนชั้นหนาตางไดเชนกัน รูปที่ 1.113 แสดง ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสรางรอยตอเฮเทโรของ InGaP และ GaAs มีประสิทธิภาพ สูงถึง 25.7% [98] ทางดานรอยตอชนิดชองวางพลังงานลาดซึ่งออกแบบใหชองวางพลังงานของชั้น p คอยๆ ลดลงตาม ความลึก ความลาดของชองวางพลังงานเชนนี้จะสรางสนามไฟฟาซึ่งจะชวยขับใหพาหะไมรวมตัวที่ผิวแตจะวิ่ง ไปยังชั้นปลอดพาหะไดดีขึ้น (2) เซลลแสงอาทิตยชนิดหลายรอยตอ คาประสิทธิภาพสูงสุดในทางทฤษฎีของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเดี่ยวมีคาประมาณ 26-28% การที่ จะไดประสิทธิภาพสูงกวานี้ เราจําเปนตองออกแบบใหเซลลแสงอาทิตยมีรอยตอ p-n จํานวนหลายชุดซอนทับ กัน บางครั้งอาจเรียกโครงสรางเชนนี้วา “ทันเด็ม” (tandem cell) ขอเดนของโครงสรางทันเด็มไดแก การใช สรางรอยตอ p-n ของสารกึ่งตัวนําที่มีชองวางพลังงานที่กวางอยูดานบนสุด และการใชรอยตอ p-n ของสารกึ่ง ตัวนําที่มีชองวางพลังงานแคบอยูดานลาง ดวยเทคนิคนี้จะทําใหเซลลแสงอาทิตยสามารถดูดกลืนแสงอาทิตยที่

1-111

ความยาวคลื่นหลายๆ คาไดอยางดี รูปที่ 1.114 แสดงตัวอยางโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดทันเด็ม จํานวนของขั้วไฟฟาอาจมีเพียง 2 ขั้ว (รูป ก) หรือ 3 ขั้ว (รูป ข) หรือ 4 ขั้ว (รูป ค)

1.8.4 เซลลแสงอาทิตยที่ทนตอรังสีตางๆ เซลลแสงอาทิตยที่ติดตั้งอยูในดาวเทียมที่โคจรอยูรอบโลกหรือในยานอวกาศที่เดินทางไกล ตองมี คุณสมบัติทนทานตอสภาพแวดลอมที่รุนแรง เชน อุณหภูมิสูงและตองรับรังสีตางๆ จากอวกาศ เซลลแสงอาทิตชนิด InP มีการทดลองสรางตั้งแตชวง ค.ศ. 1958 แตยังไมมีจุดเดน จนกระทั่งมีการคนพบใน ค.ศ.

1984 วา InP เปนสารกึ่งตัวนําที่ทนตอรังสีในอวกาศและอุณหภูมิสูงๆ ไดดี รูปที่ 1.115 แสดงผลการ ทดลองผลกระทบของการยิงลําอิเล็กตรอนที่มีตอกําลังไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ [99] จากรูปนี้ไดขอมูลวาเซลลแสงอาทิตยชนิด InP จะทนตอรังสีไดดีกวาชนิด Si และ GaAs และที่นาสนใจคือการ

รูปที่ 1.113 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยที่มีรอยตอเฮเทโรของ InGaP และ GaAs [98]

รูปที่ 1.114 ตัวอยางโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดทันเด็มซึ่งมีขั้วไฟฟา 2 ขั้ว -4 ขั้ว

รูปที่ 1.115 ผลการทดลองผลกระทบของการยิงลําอิเล็กตรอนที่มีตอกําลังไฟฟาเอาตพุต ของเซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ [99]

1-112

สองดวยแสงเขาสูเซลลแสงอาทิตยชนิด InP เปนเวลานานๆ จะทําใหเกิดการแอนนีลิง (annealing) และทําให ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด InP ฟนกลับดีขึ้นมาได (recovery) ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย ชนิด InP ในปจจุบันสูงถึงระดับ 22% แลว [100]

1.8.5 เซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs บนแผนฐานชนิด Si ไดกลาวมาแลววาผลึก Si เปนสารกึ่งตัวนําที่มีราคาถูก แตมีขอเสียตรงที่ชองวางพลังงานเปนชนิดไม ตรง ในขณะที่ผลึก GaAs เปนสารกึ่งตัวนําที่มีชองวางพลังงานเปนชนิดตรงและมีราคาแพงมาก ดังนั้นถาเรา สามารถนําเอาขอดีของผลึกทั้ง 2 ชนิดมาใชใหเปนประโยชนที่สุด ก็อาจทําใหเราไดเซลลแสงอาทิตยที่มีราคา ไมแพงมากนักและประสิทธิภาพสูง ดวยหลักการเชนนี้จึงไดมีความคิดที่จะสรางเซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs ซอนทับแผนฐาน Si (นิยมเรียกวา GaAs on Si) รูปที่ 1.116 แสดงตัวอยางโครงสรางและผลการทดลอง ประดิษฐเซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs on Si ซึ่งมีประสิทธิภาพ 19.2% [101] ปญหาที่ตองแกไขในเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้คือ คาคงตัวแลตทิซของ GaAs แตกตางกับของ Si ถึง 4% ความไมเขาคูของคาคงตัวแลตทิซ (lattice mismatch) ที่มากเชนนี้ ทําใหเกิดจุดบกพรองขึ้นที่รอยตอและ บางครั้งทําให GaAs ถึงกับแตกเสียหาย และเกิดสภาพเคนภายในฟลม GaAs ปญหาเหลานี้ทําใหคุณสมบัติ ออปโตอิเล็กทรอนิกสของ GaAs เลวลง ตัวอยางความพยายามแกปญหาเหลานี้ เชน การปลูกฟลม GaAs ให เปนมัลติเลเยอรหรือเปนชั้นสเตรน (strained layer) เปนตน รูปที่ 1.117 แสดงความสัมพันธระหวาง ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยและความหนาแนนของจุดบกพรองในหนึ่งหนวยพื้นที่ เสนทึบแสดงผลการ คํานวณและจุดตางๆ แสดงผลการทดลอง จากรูปนี้จะเห็นวาความหนาแนนของจุดบกพรองควรมีคานอยกวา 5 5 -2 × 10 cm

รูปที่ 1.116

ตัวอยางโครงสรางและลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโรชนิด GaAs/Si ซึ่งมีประสิทธิภาพ 19.2% [101]

รูปที่ 1.117 ความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยและความหนาแนนของจุดบกพรอง ในหนึ่งหนวยพื้นที่ เสนทึบแสดงผลการคํานวณและจุดตางๆ แสดงผลการทดลอง

1-113

อนึ่ง ความหนาแนนของจุดบกพรองตอหนวยพื้นที่ ภาษาอังกฤษนิยมเรียกวา EPD ซึ่งยอมาจากคําวา etched pitch density (cm-2) ศัพทคํานี้มีที่มาวาเมื่อตัดผลึกออกเปนแวนผลึก (wafer) แลว ผูผลิตจะทําการ กัด (etch) ผิวผลึกและทําการนับจํานวนจุดบกพรองที่ผิวของแวนผลึก

1.8.6 เซลลแสงอาทิตยชนิด CdTe และ CIS สารประกอบกึ่งตัวนําตระกูล II-VI มีลักษณะเดนที่สามารถผลิตใหเปนพื้นที่ใหญไดงาย และแมวา เกรน (grain) ของผลึกจะมีขนาดเล็กระดับ μm ก็สามารถใหประสิทธิภาพที่สูงได เซลลแสงอาทิตยชนิด CdS/Cu2S ไดรับการพัฒนาขึ้นเมื่อ ค.ศ. 1980 [102] แตมีปญหาเรื่องประสิทธิภาพลดลงเมื่อใชงานนานๆ และไมสามารถแกไขปญหานี้ได ตอมาจึงถึงยุคของเซลลแสงอาทิตยชนิด CdTe และ CuInSe2 (นิยมเรียกสั้นๆ วา CIS) ปจจุบันเซลลแสงอาทิตยทั้ง 2 ชนิดนี้มีประสิทธิภาพสูงถึง 14-15% แลว ขณะนี้ภาคอุตสาหกรรมเริ่ม ผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด CdTe และ CIS ออกขายแลว [103-104]

1.8.7 แนวทางการพัฒนาเซลลแสงอาทิตยใหมีประสิทธิภาพสูง ดังไดกลาวมาแลววาเซลลแสงอาทิตยสามารถประดิษฐไดจากวัสดุสารกึ่งตัวนําชนิดตางๆ ไดมากมาย สารกึ่งตัวนําเปนวัสดุที่นิยมนํามาใชงานมากที่สุดเพราะมีคุณสมบัติทางแสงที่ดีกวาวัสดุชนิดอื่น ประสิทธิภาพ ของเซลลแสงอาทิตยหมายถึงอัตราสวนของพลังงานไฟฟาที่เซลลแสงอาทิตยสามารถผลิตไดสูงสุดตอพลังงาน ของแสงที่ตกกระทบเซลลแสงอาทิตย เหตุผลความจําเปนที่เราตองการเซลลแสงอาทิตยที่มีประสิทธิภาพสูงก็ เพราะจะชวยลดพื้นที่การใชงานลงได ซึ่งจะชวยใหระบบการใชงานเซลลแสงอาทิตยมีราคาถูกลง เซลล แสงอาทิตยจะทํางานไดประสิทธิภาพสูงเพียงไรนั้นมีหลักการที่สําคัญ คือจะตองชักนําใหพลังงานแสงเดิน ทางเขาสูเซลลแสงอาทิตยใหมากที่สุด จะตองผลิตคูอิเล็กตรอนและโฮลดวยพลังงานแสงใหไดปริมาณมากที่สุด และจะตองกวาดอิเล็กตรอนและโฮลเหลานั้นใหไหลออกไปสูวงจรภายนอกใหไดมากที่สุด ตารางที่ 1.8 แสดง กลไกพื้นฐานที่จําเปนและเทคโนโลยีเพื่อปรับปรุงใหประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยสูงขึ้นได [105] ใน หัวขอนี้เราจะสรุปอีกครั้งวาจะมีเทคโนโลยีในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยใหสูงขึ้นไดอยางไร

ตารางที่ 1.8

กลไกพื้นฐานการทํางานของเซลลแสงอาทิตยและเทคโนโลยีพื้นฐานเพื่อปรับปรุง ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย

กลไกพื้นฐานที่จําเปน

เทคโนโลยีทางปฏิบัติ

1. ชักนําใหแสงเขาสูสารกึ่งตัวนําใหมากที่สุด และขยายผลตอบสนองเชิงสเปกตรัมใหกวางที่สุด

1.1 เคลือบวัสดุปองกันการสะทอนแสงที่ผิวดานหนา 1.2 ทําผิวใหขรุขระเพื่อเพิ่มระยะทางเดินของแสงใน สารกึ่งตัวนํา 1.3 เพิ่มการสะทอนแสงที่ผิวดานหลัง 2.1 เลือกสารกึ่งตัวนําที่มีสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสูงและมี สภาพนําไฟฟาดวยแสงสูง 2.2 ปรับปรุงคุณภาพของสารกึ่งตัวนําโดยพยายามเพิ่มผลคูณของ อายุพาหะและความคลองตัว 2.3 ลดการรวมตัวของคูอิเล็กตรอนและโฮลที่ถูกผลิตดวยแสง โดยลดการรวมตัวที่รอยตอ p-n, p-i และ i-n (เชน ใช รอยตอแบบลาดเพื่อลดความไมเขาคูของแลตทิซ) และที่ ผิวดานหนาและดานหลัง

2. ผลิตคูอิเล็กตรอนและโฮลใหไดมากที่สุด

1-114

3. รวบรวมคูอิเล็กตรอนและโฮลที่ผลิตดวยแสง ใหมากที่สุด

4. ลดการสูญเสียอันเนื่องจากความตานทานอนุกรม ภายในของเซลลแสงอาทิตย 5. ลดการสูญเสียของแรงดันไฟฟา

6. เพิ่มผลตอบสนองทางสเปกตรัมใหมีความกวาง ที่สุด

3.1 ใชปรากฏการณโฟโตโวลทาอิกแบบพัดพา (driff type) เชน ใชรอยตอ p-i-n 3.2 ใชชองวางพลังงานแบบลาด การโดปสารเจือปนแบบลาด และใช back surface field effect (BSF) 3.3 ใชปรากฏการณ minority carrier mirror effect 3.4 ใชโครงสรางซูเปอรแลตทิซ 4.1 ลดความตานทานของขั้วโปรงใสดานหนา 4.2 ออกแบบรูปรางของขั้วโลหะใหเหมาะสมที่สุด 4.3 ใชปรากฏการณ tunneling injection (MIS) 5.1 ลดการรวมตัวของคูอิเล็กตรอนและโฮลโดยใช mirror effect ของรอยตอแบบเฮเทโร 5.2 ใชปรากฏการณโฟโตโวลทาอิกแบบพัดพา 5.3 ใชโครงสราง BSF 6.1 ใชเซลลฯ แบบ stack 4 ขั้ว 6.2 ใชเซลลฯ แบบ stack 2 ขั้ว 6.3 ใชรอยตอแบบเฮเทโร 6.4 ใชชั้นหนาตางที่มีชองวางพลังงานกวาง เชน รอยตอเฮเทโร และซูเปอรแลตทิซ

ในกลไก (1) เราสามารถชักนําใหแสงเดินทางเขาสูสารกึ่งตัวนําไดดีขึ้น ดวยการลดการสะทอนแสงที่ ผิวดานหนาโดยการเคลือบวัสดุปองกันการสะทอนแสง (Anti-Reflective Coating ยอวา AR) ซึ่งมีหลายชนิด เชน ซิลิคอนออกไซด (SiO) ไททาเนียมออกไซด (TiO) อินเดียมทินออกไซด (ITO) วัสดุ AR เหลานี้เตรียม ขึ้นไดหลายวิธี เชน sputtering, evaporation และ Chemical Vapor Deposition (CVD) ในกรณีเซลล แสงอาทิตยชนิดซิลิคอนถาเคลือบผิวหนาดวยซิลิคอนออกไซด จะทําใหกระแสไฟฟาลัดวงจรเพิ่มขึ้นถึง 20 % นอกจากนี้ก็มีการทําผิวของเซลลใหขรุขระ (textured surface) ซึ่งจะชวยเพิ่มระยะทางเดินของแสงในเซลล แสงอาทิตยใหยาวขึ้น ดวยวิธีการทําผิวใหขรุขระนี้ กลุมของมหาวิทยาลัย New South Wales สามารถผลิต เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกซิลิคอนมีประสิทธิภาพสูงถึง 23 % [32-34] ในกลไก (2) คือ การผลิตคูอิเล็กตรอนและโฮลดวยแสงซึ่งเปนการอาศัยกระบวนการดูดกลืนแสงทาง ควอนตัม สัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงของวัสดุควรมีคาสูงและคูอิเล็กตรอนและโฮลที่เกิดจากการดูดกลืนแสง จะตองไมรวมตัวกันหรือตายกอนที่จะถูกพัดพาออกสูวงจรภายนอก ในทางปฏิบัติเราตองปรับปรุงคุณภาพของ สารกึ่งตัวนําใหดี เชน ลดจํานวนจุดบกพรอง ลดจํานวนแขนขาด ลดความไมเขาคูของแลตทิซ (lattice mismatch) เพื่อเพิ่มเวลาอายุพาหะ (life time) และความคลองตัว (mobility) ตัวอยางการปรับปรุงคุณภาพ ของฟลมบางอะมอรฟสซิลิคอนอาจใชการใชเครื่องมือปลูกฟลมวิธีพิเศษตางๆ เชน ระบบผลิตแบบ crossfield [106], ระบบผลิตแบบ triode, Photo-CVD และ Electron-Cyclotron Resonance Plasma CVD [107] เปนตน เมื่อไดคูอิเล็กตรอนและโฮลแลว ขั้นตอไปจะตองกวาดหรือขับเคลื่อนพาหะเหลานี้ใหไหลออกสูวงจร ภายนอกใหมากที่สุด การขับเคลื่อนพาหะใหไหลออกสูวงจรภายนอกทําไดโดยการใชปรากฏการณแพรกระจาย ของพาหะ และการใชสนามไฟฟาศักยใหเกิดขึ้นภายในเซลลแสงอาทิตยดวยการประดิษฐเซลลแสง-อาทิตยให เปนรอยตอ p-n หรือ p-i-n นี้สิ้นเปลืองถึง 30 % ของคาใชจายทั้งหมด ถึงแมวาปจจุบันเทคนิคการสราง รอยตอชนิดตางๆ เชน เฮเทโร และชอตตกีแบรเรียรจะพัฒนาไปมาก แตเทคนิคการสรางรอยตอแบบพื้นที่ กวางใหญและมีความหนาสม่ําเสมอ ยังจําเปนจะตองมีการปรับปรุงอีกมาก การเพิ่มศักยภายในของเซลล แสงอาทิตยอาจทําไดโดยการสรางใหมีรอยตอเปนแบบตางๆ เชน เฮเทโร ซูเปอรแลตทิซ และ back surface

1-115

field (BSF) และแบบชองวางพลังงานมีความลาด เปนตน ตารางที่ 1.9 แสดงขอมูลประสิทธิภาพสูงสุดของ เซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ ที่ผลิตไดในปจจุบัน [105] แนวทางการเพิ่มประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยที่สําคัญอีกแนวทางหนึ่ง ไดแกการออกแบบให เซลลแสงอาทิตยประกอบดวยเซลลแสงอาทิตยที่มีชองวางพลังงานแตกตางกันซอนทับกันหลายๆ ชั้น ซึ่ง เรียกวา “โครงสรางทันเดม” (tandem structure) โดยทั่วไปจะออกแบบใหชองวางพลังงานของเซลลชั้นบนสุด ที่รับแสงกวางกวาชั้นที่อยูลึกลงไปตามลําดับ การออกแบบเชนนี้จะชวยทําใหสเปกตรัมการตอบสนองกวางขึ้น เพราะเซลลแสงอาทิตยชั้นตางๆ จะชวยกันดูดกลืนแสงอาทิตยในยานความยาวคลื่นแสงที่แตกตางกัน กลาวคือ แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นจะถูกดูดกลืนมากดวยเซลลแสงอาทิตยที่อยูชั้นบนๆ และแสงที่มีความยาวคลื่นยาวจะ ถูกดูดกลืนมากดวยเซลลแสงอาทิตยที่อยูชั้นลึกลงไป

ตารางที่ 1.9 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยที่มีประสิทธิภาพสูงชนิดตางๆ [105] ชองวาง พลังงาน (eV)

วัสดุ

0.67 0.73 1.0 1.1 1.1 1.1 1.1 1.1 1.2 1.35 1.4 1.42

GaAs/Ge GaAs/GaSb CuInSeS/Cds Si (ใชในอวกาศ) Si Si Si Si Pt. cont.

CuxS/Cd(ZnS) InP CdTe/CdS GaAs/Ge (ใชในอวกาศ) GaAs GaAs (ใชในอวกาศ) GaAs/GaInP2 GaAs GaAs a-Si:H AlGaAs

1.42 1.42 1.42 1.42 1.42 1.6 1.93

ลักษณะสมบัติ ความ เขมแสง 238 158 1 1 1 21 1 105 1 1 1 1

η (%) 3.6 8.9 15.2 15.0 20.4 20.4 23.0 26.1 10.2 20.0 15.8 18.5

Voc (V) 0.306 0.48 0.613 0.615 0.654 0.711 0.696 0.80 0.578 0.83 0.843 1.01

1 350

24.0 23.9

1 1050 240 1 1

25.7 26.2 27.8 12.0 16.0

FF 0.69 0.713 0.74 0.809 0.826 0.818 0.81 0.83 0.773 0.80 0.745 0.808

Jsc (mA/cm2 ) 13.2 19.8 32.2 41.2 36.2 26.8 39.3 30.2 22.0 29.0 24.2 31.0

T (°C) 21 21 25 28 25 25 24 24 28.5 21 25 28

1.05 1.18

0.845 0.862

26.0 32.1

25 28

1.04 1.18 1.16 0.891 1.41

0.868 0.89 0.857 0.701 0.82

27.4 19.1 21.5 18.4 13.3

8 28 21 25 25

หมายเหตุ ความเขมแสง หมายถึงจํานวนเทาของแสงปกติ รูปที่ 1.118 แสดงผลการคํานวณประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนที่ ประกอบดวยเซลลที่ซอนทับกัน 2 ชั้น (double junctions) ถาชองวางพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชั้นบนและ ชั้นลางเทากับ 1.75 eV และ 1.15 eV ตามลําดับ ผลการคํานวณจะไดประสิทธิภาพสูงสุด 21% [108]

1-116

รูปที่ 1.119 แสดงผลการคํานวณประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนซึ่ง ประกอบดวยเซลลแสงอาทิตยจํานวน 3 เซลลซอนทับกัน (triple junctions) ถาชองวางพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชั้นบน ชั้นกลางและชั้นลางเทากับ 2.0 eV 1.7 eV และ 1.45 eV ตามลําดับ ผลการคํานวณจะได ประสิทธิภาพสูงสุด 24% [108]

รูปที่ 1.118

ผลการคํานวณประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนที่ประกอบดวย เซลลที่ซอนทับกัน 2 ชั้น (double junctions) ประสิทธิภาพสูงสุดมีคา 21% ไดจากกรณีที่ ชองวางพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชั้นบนและชั้นลางเทากับ 1.75 eV และ 1.15 eV ตามลําดับ [108]

รูปที่ 1.119

ผลการคํานวณประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนที่ประกอบดวย เซลลที่ซอนทับกัน 3 ชั้น (triple junctions) ประสิทธิภาพสูงสุดมีคา 24% ไดจากกรณีที่ ชองวางพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชั้นบน ชั้นกลางและชั้นลางเทากับ 2.0 eV 1.7 eV และ 1.45 eV ตามลําดับ [108]

1-117

ชองวางพลังงานของวัสดุอะมอรฟสซิลิคอน (a-Si:H) มีคาประมาณ 1.7-1.8 eV ถาตองการเพิ่ม ชองวางพลังงานทําไดโดยการใชสารประกอบของอะมอรฟสซิลิคอนคารไบด (a-SiC:H) และถาตองการลด ชองวางพลังงานทําไดโดยการใชสารประกอบของอะมอรฟสซิลิคอนเจอรเมเนียม (a-SiGe:H) อยางไรก็ตาม เทคโนโลยีในภาคปฏิบัตินั้นยังมีปญหาวา คุณภาพของวัสดุอะมอรฟสซิลิคอนอัลลอย เชน a-SiC:H และ aSiGe:H นั้นยังไมดีมากนัก ดังนั้นประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดทันเดมเหลานี้จึงยังไมสูงไปกวาชนิด เซลลเดี่ยวมากนัก กลาวคือยังคงอยูที่ระดับประมาณ 12-13 % เทานั้น [109]

1.9 การใชงานเซลลแสงอาทิตย ปจจุบันเซลลแสงอาทิตยถูกนําไปใชงานในหลายดานหลายสาขา ตารางที่ 1.10 แสดงตัวอยางการ ประยุกตใชงานเซลลแสงอาทิตย ในหัวขอนี้จะกลาวถึงหลักการออกแบบระบบเซลลแสงอาทิตย เพื่อความ สะดวกตอการอธิบาย ในหัวขอนี้จะขอแบงการใชงานเซลลแสงอาทิตยออกเปน 2 ประเภทคือ 1) การใชงานกับ ผลิตภัณฑอิเล็กทรอนิกสซึ่งตองการเซลลแสงอาทิตยที่มีกําลังเอาตพุตไมสูง และ 2) การใชงานกับระบบไฟฟา กําลังซึ่งตองการเซลลแสงอาทิตยที่มีกําลังเอาตพตุ สูงๆ ตั้งแตหลายสิบวัตตขึ้นไปถึงหลายกิโลวัตต

1.9.1 การออกแบบระบบเซลลแสงอาทิตยสําหรับผลิตภัณฑอิเล็กทรอนิกส จุดทํางานของเซลลแสงอาทิตย ในการใชงานเซลลแสงอาทิตยไมวาประเภทใด เริ่มแรกผูใชควรทําความเขาใจเกี่ยวกับจุดทํางานของ เซลลแสงอาทิตย รูปที่ 1.120 แสดงกราฟลักษณะสมบัติเอาตพุตและจุดทํางานของเซลลแสงอาทิตย ปกติ กระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาที่เซลลแสงอาทิตยจะสามารถปอนใหกับโหลดไดนั้น จะอยูบนเสนกราฟ I-V นี้ เสมอ ดังนั้นคําวา “จุดทํางาน” จึงหมายถึงจุดที่กําหนดคากระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาที่เซลลแสงอาทิตย ปอนใหโหลดนั่นเอง ตัวอยางวิธีการกําหนดจุดทํางานมีดังนี้ (1) ในกรณีของการตอเซลลแสงอาทิตยกับโหลด จุดทํางานของเซลลแสงอาทิตยจะถูกกําหนดโดยอิมพิแดนซของโหลดดังแสดงในรูป (ก) เสนตรง ในรูปนี้คือเสนโหลด จุดตัดของเสนโหลดกับกราฟ I-V คือ “จุดทํางาน” จากจุดทํางานนี้ เมื่อเราลากเสน ตรงไปตัดกับแกนกระแสไฟฟา จะไดคากระแสไฟฟาทํางาน (คือกระแสไฟฟาที่ปอนใหโหลด) และเมื่อเรา ลากเสนตรงไปตัดกับแกนแรงดันไฟฟา ก็จะไดคาแรงดันไฟฟาทํางาน (คือแรงดันไฟฟาที่ปอนใหโหลด) (2) ในกรณีของการตอเซลลแสงอาทิตยกับแบตเตอรี่ (เพื่อประจุไฟฟา) ในรูป (ข) จุดทํางานของเซลลแสงอาทิตยจะถูกกําหนดโดยแรงดันไฟฟาที่ประจุแบตเตอรี่ เมื่อเรา ลากเสนตรงจากจุดทํางานไปตัดแกนกระแสไฟฟา จะไดคากระแสไฟฟาที่ประจุเขาแบตเตอรี่ และเมื่อเรา ลากเสนตรงจากจุดทํางานไปตัดแกนแรงดันไฟฟา จะไดคาแรงดันไฟฟาที่ประจุเขาแบตเตอรี่ ในการใชงานจริง จุดทํางานของเซลลแสงอาทิตยในทั้ง 2 กรณี ไมจําเปนจะตองเปนจุดเดียวกับ จุด ที่เซลลแสงอาทิตยจะใหกําลังไฟฟาเอาตพุตไดสูงสุด (Pmax) กราฟลักษณะสมบัติของเซลลแสงอาทิตยใน

1-118

ตารางที่ 1.10 ตัวอยางการใชงานเซลลแสงอาทิตยในดานตางๆ การคมนาคม

ทางทะเล

แสงไฟประภาคาร แสงไฟของทุนลอยน้ํา แสงไฟขางเรือ

ทางบก

ไฟสัญญาณขางถนน ไฟสัญญาณพื้นถนน ไฟสัญญาณใหรถไฟ โคมไฟบนทางดวน โทรศัพทฉุกเฉินบนทางดวน กลองวิดีโอขางถนน พัดลมระบายอากาศที่หนาตาง/หลังคารถยนต

ทางอากาศ

ดวงไฟสิ่งกีดขวางในที่สูง ดวงไฟนํารองขึ้นลง

การสื่อสาร

สถานีถายทอดวิทยุโทรทัศนบนภูเขาสูง เครื่องวัดพยากรณอากาศ วิทยุสื่อสาร กลองตรวจความปลอดภัยที่เขื่อน โทรศัพทมือถือ โทรศัพททหาร

การปองกันการสึกกรอน

ทอน้ํามัน ทอกาซ สะพานเหล็ก เขื่อนกั้นคลื่น แสงไฟทอกาซ

อุปกรณนอกอาคาร

โคมไฟถนน โคมไฟสนามหญา โคมไฟประตูรั้ว โคมไฟปายรถเมล โคมไฟตูโทรศัพท โคมไฟปายประกาศ โคมไฟปายลี้ภัย โคมไฟหอนาฬิกา หอนาฬิกา เครื่องขยายเสียง ปม สูบน้ํา ประตูรั้วไฟฟา ประตูบานไฟฟา ติดผนังอาคารเสริมงานสถาปตยกรรม ติดตั้งที่หลังคาสระวายน้ํา ติดตั้งที่หลังคาสนามกีฬา

การอวกาศ

ดาวเทียม สถานีอวกาศ ยานอวกาศเดินทางไกล

การปศุสัตว

รั้วไฟฟาปองกันสัตวหนี ปมน้ําดื่มน้ําใช แสงไฟจับกบจับแมลงตางๆ

การประมง

เครื่องกระตุนการแพรพันธุสัตวน้ําในทะเลดวยเสียงและแสงไฟ โคมไฟลอปลาในทะเล โคมไฟหาปลาในทะเล หองเย็นเก็บสัตวทะเล เปาลมลงบอเลี้ยงสัตวน้ํากระตุนการแพร พันธุ

การเกษตรกรรม

ปมสูบน้ํา แสงไฟกรีดยางพารา บานชาวสวนยาง หุนไลการองไลนก หองอบพืชใหแหง เครื่องนวดขาวกลางทุงนา การชลประทาน ระบบฉีดพนน้ํา

การวัดและรักษา สภาพแวดลอม

เครื่องวัดอุณหภูมิน้ําทะเล เครื่องวัดความเค็มน้ําทะเล เครื่องวัดความเร็วน้ําทะเล เครื่องวัดความสูงคลื่นทะเล เครื่องวัดฝุนในอากาศ เครื่องวัดระดับเสียง/ควัน เครื่องวัดละอองเกสรดอกไม(ปองกันโรคภูมิแพ) เปาลมลงบอน้ํา/คลอง

การแพทย

ตูเย็นเก็บยาและวัคซีน โคมไฟสถานีอนามัย วิทยุสื่อสาร

การบันเทิง

เรือมอเตอร โคมไฟแคมป วิทยุสื่อสาร โทรทัศน โคมไฟบานพักตากอากาศ เครื่องบิน เครื่องรอน รถยนตไฟฟา ของเลนไฟฟา รถไฟฟาสนามกอลฟ หมวกติดพัดลม

ระบบไฟฟา

ตอเขาระบบของการไฟฟา หมูบานหางไกล โรงเรียนหางไกล สถานีอนามัยหางไกล

ภายในอาคาร

เครื่องคิดเลข นาฬิกาขอมือ ของเลน ประตู-หนาตางผลิตไฟฟาได พัดลมระบายอากาศที่หนาตาง

ติดตั้งบนหลังคาบาน

จายไฟฟาตอนกลางวันใหเครื่องใชไฟฟาตางๆ ในบาน

1-119

รูปที่ 1.120 กราฟลักษณะสมบัติเอาตพุตและจุดทํางานของเซลลแสงอาทิตย รูปที่ 1.120 โดยทั่วไปจะเปลี่ยนแปลงตามความเขมของแสงและอุณหภูมิ ดังนั้นผูใชงานจึงควรทราบ สภาพแวดลอมเหลานี้ใหชัดเจนดวย ตารางที่ 1.11 แสดงตัวอยางผลิตภัณฑอิเล็กทรอนิกสและความเขมของ แสงที่เหมาะสม [110]

ตารางที่ 1.11 ตัวอยางเงื่อนไขความสวางของแสงที่ใชกับเซลลแสงอาทิตยในการใชงานตางๆ อุปกรณ เครื่องคิดเลข

นาฬิกาขอมือ วิทยุ เครื่องประจุแบตเตอรี่

ตนกําเนิดแสง ความสวางของแสง หลอดฟลูออเรสเซนต หรือ ต่ําสุด 50-100 lux แสงภายในหองทํางาน มาตรฐาน 200-800 lux สูงสุด ประมาณ 120,000 lux แสงภายในหอง หรือ มาตรฐาน 3,000-100,000 lux แสงอาทิตย สูงสุด 120,000 lux แสงภายในหอง หรือ มาตรฐาน 3,000-100,000 lux แสงอาทิตย สูงสุด 120,000 lux สวนมากเปนแสงอาทิตย มาตรฐาน 10,000-100,000 lux สูงสุด 120,000 lux

วงจรพื้นฐาน การใชงานเซลลแสงอาทิตยเพื่อปอนพลังงานไฟฟาใหผลิตภัณฑอิเล็กทรอนิกสมี 2 วิธีคือ 1. วิธีใชเซลลแสงอาทิตยเพียงอยางเดียวเปนแหลงกําเนิดพลังงาน เชน การใชเซลลแสงอาทิตยกับ เครื่องคิดเลข ซึ่งเรามักจะใชเครื่องคิดเลขเฉพาะเมื่อมีแสงเทานั้น 2. ใชแบตเตอรี่สําหรับประจุไฟฟาควบคูดวย เชน กรณีนาฬิกาขอมือ ซึ่งบางครั้งเราอาจเก็บนาฬิกา ไวในที่มืด จึงตองมีแบตเตอรี่หรือตัวเก็บประจุเก็บพลังงานไฟฟาไว กรณีการใชเซลลแสงอาทิตยเพียงอยางเดียวเปนตนกําเนิดพลังงานไฟฟา รูปที่ 1.121 แสดงวงจรพื้นฐานการใชเซลลแสงอาทิตยเพียงอยางเดียวเปนตนกําเนิดพลังงานไฟฟา ถาเราใชเซลแสงอาทิตยเพื่อปอนพลังงานไฟฟาใหเครื่องคิดเลขซึ่งมี LSI เปนโหลด ในวงจรจะตองมีไดโอด สําหรับควบคุมแรงดันไฟฟาไมใหสูงเกินขีดจํากัด (นิยมใชซีเนอรไดโอด) และตัวเก็บประจุสําหรับควบคุม

1-120

แรงดันไฟฟาใหคงที่ ตัวเก็บประจุนี้ชวยควบคุมมิใหการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟามากเกินไป (<± 10%) เชน กรณีที่ความเขมแสงเปลี่ยนแปลงมากๆ หรือเกิดแสงไฟกะพริบจามากๆ กรณีใชแบตเตอรี่สําหรับประจุไฟฟาควบคูดวย รูปที่ 1.122 แสดงวงจรการใชงานเซลลแสงอาทิตยซึ่งมีแบตเตอรี่สําหรับประจุไฟฟา จะตองมี ไดโอดที่ทําหนาที่ปองกันมิใหกระแสไฟฟาไหลยอนจากแบตเตอรี่กลับไปสูเซลลแสงอาทิตย และมีตัวตานทาน สําหรับควบคุมไมใหกระแสไฟฟาไหลเกินขีดจํากัด (หรืออาจใชวงจรควบคุมแรงดันไฟฟาแทนก็ได)

รูปที่ 1.121 วงจรพื้นฐานการใชเซลลแสงอาทิตยในกรณีที่มีเซลลแสงอาทิตยเปนตนกําเนิดพลังงาน เพียงอยางเดียว

รูปที่ 1.122 วงจรการใชงานเซลลแสงอาทิตยซึ่งใชแบตเตอรี่สําหรับประจุไฟฟา วงจรควบคุมแรงดันไฟฟาและกระแสไฟฟา ไดโอดสําหรับควบคุมแรงดันไฟฟาครอมโหลดไมใหสูงเกินขีดจํากัด ปกติการปอนพลังงานไฟฟาใหผลิตภัณฑอิเล็กทรอนิกสมักจะตองการใหแรงดันไฟฟาคงที่ หรือ ตองการไมใหแรงดันไฟฟาสูงเกินขีดจํากัด มิฉะนั้นผลิตภัณฑอิเล็กทรอนิกสอาจจะเสียหายได วิธีการควบคุม แรงดันไฟฟามี 2 วิธีคือ (1) วิธีการตอซีเนอรไดโอดแบบไบแอสยอน (กลับทิศทาง) กับเซลลแสงอาทิตย รูปที่ 1.123 แสดง กราฟลักษณะสมบัติ I-V ของซีเนอรไดโอด หลักการทํางานของซีเนอรนี้คือ ในกรณีที่แรงดันไฟฟาจากเซลล แสงอาทิตยสูงเกินแรงดันพังทลายของซีเนอรไดโอด กระแสไฟฟาจะไหลผานซีเนอรไดโอดทันที และ แรงดันไฟฟาที่ครอมโหลดจะไมสูงเกินกวาคาแรงดันพังทลายของซีเนอรไดโอด แรงดันพังทลายของซีเนอร ไดโอดที่มีขายมีหลายชนิด เชน ตั้งแตคาต่ําระดับ 1.5 V ไปจนถึงระดับ 100 V

1-121

(2) วิธีการตอไดโอดแบบไบแอสตามกับเซลลแสงอาทิตย เมื่อมีแรงดันไฟฟาจากเซลลแสงอาทิตย สูงเกินคาแรงดันเทรชโฮลดของไดโอดกระแสไฟฟาก็จะไหลผานไดโอด ตัวอยางกรณีถาใช LED ชนิด GaP เปนไดโอด แรงดันไฟฟาจะถูกจํากัดอยูที่ประมาณ 1.5 V ซึ่งเหมาะสมตอการใชวิธีกับ LSI รูปที่ 1.124 แสดง กราฟ I-V ของ LED ชนิด GaP เมื่อกระแสไฟฟาไหลผาน LED กระแสไฟฟาสวนเกินนี้ก็จะถูกเปลี่ยนเปน แสง จึงชวยกําจัดพลังงานสวนเกินจากเซลลแสงอาทิตยไดดวย เปนการรักษาไมให LSI เสียหาย ไดโอดสําหรับปองกันไมใหกระแสไฟฟาไหลยอนกลับเขาเซลลแสงอาทิตย ในสภาพที่เกิดความมืด เชน ตอนกลางคืนหรือ เซลลแสงอาทิตยวางอยูในที่มืด ถาแรงดันไฟฟา เอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยลดลงต่ํากวาแรงดันของแบตเตอรี่ จะทําใหกระแสไฟฟาไหลยอนจากแบตเตอรี่ ไปสูเซลลแสงอาทิตย วิธีการปองกันไมใหเกิดเหตุการณเชนนี้ จําเปนจะตองมีไดโอดตอเพิ่มเขาไปในวงจรดัง แสดงในรูปที่ 1.122 ไดโอดที่ทําหนาที่นี้เรี่ยกวา “บล็อกกิงไดโอด” (blocking diode) วิธีการตอบล็อกกิง ไดโอดคือ ใหตอแบบอนุกรมกับเซลลแสงอาทิตยโดยใหกระแสไฟฟาจากเซลลแสงอาทิตยไหลไดสะดวกขณะมี แสง (ไบแอสตาม) คุณสมบัติของบล็อกกิงไดโอดที่พึงปรารถนาไดแก กระแสไฟฟาไหลยอนกลับอิ่มตัวควรมี คานอยที่สุด และแรงดันไฟฟาครอมตอนไบแอสตามควรมีคานอยที่สุด รูปที่ 1.125 แสดงตัวอยางกราฟ I-V ของไดโอดชนิด Ge, Si และ ชอตตกีไดโอด เนื่องจากกระแสไฟฟาไหลยอนกลับอิ่มตัวของชนิด Ge คอนขาง มีคามาก ดังนั้นจึงนิยมใชบล็อกกิงไดโอดชนิด Si และชอตตกีแบเรียชนิด Si วงจรควบคุมอัตราการประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่ไมใหสูงเกินขีดจํากัด ในการประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่จะตองมีการควบคุมมิใหกระแสไฟฟาไหลเขาแบตเตอรี่ดวย อัตราที่สูงเกินขีดจํากัด อัตราการประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่มีหนวยเปนแอมแปร-ชั่วโมง (Ah) ตัวอยางเชน ถากําหนดวา อัตราการประจุเทากับ 40 Ah หมายความวาในการประจุเปนเวลา 1 ชั่วโมง จะตอง ควบคุมไมใหกระแสไฟฟาไหลเกิน 40 A วิธีการควบคุมอัตราการประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่สามารถทํา

ไดโดย

รูปที่ 1.123 กราฟลักษณะสมบัติ I-V ของซีเนอรไดโอด

1-122

รูปที่ 1.124 กราฟลักษณะสมบัติ I-V ของ LED ชนิด GaP

รูปที่ 1.125 กราฟลักษณะสมบัติ I-V ของไดโอดชนิด Ge, Si และ ชอตตกีไดโอด การตอตัวตานทานแบบอนุกรมเขากับแบตเตอรี่ รูปที่ 1.126 แสดงวิธีการกําหนดคาความตานทาน Rc สําหรับ ควบคุมอัตราการประจุกระแสไฟฟา ให A คือเสนกราฟลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยเมื่อมีแสงความเขมสูงมากที่สุด ให B คือเสนกราฟเมื่อมีการตอบล็อกกิงไดโอด ให Vb คือแรงดันไฟฟาครอมแบตเตอรี่ ดังนั้นกระแสไฟฟาที่ไหลเขาแบตเตอรี่คือ Iout ถาเราตองการลดกระแสไฟฟาที่ประจุเขาแบตเตอรี่ใหเหลือ Ilimit เราสามารถทําไดโดยการตอตัว ตานทาน Rc แบบอนุกรมกับแบตเตอรี่ และจะทําใหกราฟกลายเปนเสน C คา Rc กําหนดไดจากสมการ Rc =

โดยที่

ΔV

ΔV I limit

คือแรงดันไฟฟาที่ลดลงตามที่แสดงในรูป

วงจรปองกันไมใหประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่นานเกินขีดจํากัด

1-123

(1.133)

การประจุกระแสไฟฟาจากเซลลแสงอาทิตยเขาแบตเตอรี่นานเกินขีดจํากัด กลาวคือ แมวาแบตเตอรี่ จะเต็มแลว ยังปลอยใหกระแสไฟฟาไหลเขาเรื่อยๆ โดยไมสิ้นสุด จะทําใหแบตเตอรี่เสียหายได ดังนั้นจึง จําเปนจะตองมีวงจรที่ทําหนาที่ตัดแบตเตอรี่ออกจากเซลลแสงอาทิตยหรือทําการลัดวงจรของเซลลแสงอาทิตย

รูปที่ 1.126 วิธีการกําหนดคาตัวตานทาน Rc สําหรับควบคุมกระแสไฟฟา

รูปที่ 1.127 ตัวอยางวงจรปองกันการประจุแบตเตอรี่สูงเกินขีดจํากัด รูปที่ 1.127 แสดงตัวอยางวงจรปองกันการประจุแบตเตอรี่สูงเกินขีดจํากัด ถาแรงดันของแบตเตอรี่สูงเกิน ขีดจํากัด วงจรนี้จะทําใหเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยอยูในสภาพลัดวงจร จึงชวยรักษาแบตเตอรี่ไวได

การออกแบบขนาดของมอดูลของเซลลแสงอาทิตย คําวามอดูล หมายถึงชุดที่ประกอบดวยเซลลแสงอาทิตยจํานวนหลายแผนที่ถูกนํามาตอกัน เพื่อใหได แรงดันและกระแสไฟฟาตามที่ตองการ กําลังไฟฟาเอาตพุตที่จะไดจากมอดูลจะแปรผันตรงกับพื้นที่ของมอดูล การออกแบบมอดูลจะตองกําหนดชนิดของเซลลแสงอาทิตย และตองทราบเงื่อนไขสภาพการใชงาน เชน สเปกตรัมของแสง ความเขมของแสง อุณหภูมิการใชงาน กําลังไฟฟา แรงดันไฟฟาและกระแสไฟฟาที่ตองการ ตัวอยางในกรณีของเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอน สามารถดูดกลืนแสงจากหลอดไฟชนิด ฟลูออเรสเซนตไดดีกวาชนิดผลึกซิลิคอน ดังนั้นจึงนิยมใชเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนกับผลิต อิเล็กทรอนิกสที่ใชในหองสํานักงาน

(1) การกําหนดจํานวนของเซลลแสงอาทิตยที่จะตออนุกรม

1-124

เซลลแสงอาทิตยตางชนิดกัน จะใหแรงดันไฟฟาเอาตพุตแตกตางกัน ตัวอยางการใชงานภายใตแสง ความเขม 100 lux - 100,000 lux แรงดันไฟฟาสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ จะมีคาโดยประมาณ ดังนี้ ชนิดผลึก Si แรงดันไฟฟาสูงสุด (V) 0.3-0.4

ชนิดอะมอรฟสซิลิคอน (a-Si:H) 0.4-0.6

ชนิดผลึก GaAs 0.6-0.8

กรณีที่ใชเซลลแสงอาทิตยเปนตนกําเนิดไฟฟาใหโหลด จํานวนเซลลแสงอาทิตยที่ตออนุกรม = (แรงดันไฟฟาเอาตพุตที่ตองการ)÷(แรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุดของ 1 เซลล) (1.134) กรณีที่ใชเซลลแสงอาทิตยประจุกระแสไฟฟาใหแบตเตอรี่ จํานวนเซลลแสงอาทิตยที่ตออนุกรม = (แรงดันไฟฟาที่ตองใช+แรงดันไฟฟาครอมบล็อกกิงไดโอด)÷(แรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุดของ 1 เซลล) (1.135) (2) การกําหนดพื้นที่ของเซลลแสงอาทิตย กระแสไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยถูกกําหนดดวยพื้นที่ของเซลลแสงอาทิตย ในกรณีที่ความ ตองการกระแสไฟฟาไมสูงมากนัก ไมจําเปนตองตอเซลลแสงอาทิตยแบบขนาน แตถาความตองการแสไฟฟา สูงมาก เราก็จะตองตอเซลลแสงอาทิตยแบบขนานหลายๆ ตัว ถาให S คือพื้นที่ของเซลลแสงอาทิตย และ Imax คือกระแสไฟฟาเอาตพุตสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยตอหนวยพื้นที่ I คือความตองการกระแสไฟฟาที่จุดทํางาน ดังนั้นพื้นที่ของเซลลแสงอาทิตยที่ตองใชคือ S =

1 I m I max

(1.136)

โดยที่ m คือแฟกเตอรที่ขึ้นกับชนิดของเซลลแสงอาทิตย (3) การออกแบบขนาดของเซลลแสงอาทิตยที่ตอกับแบตเตอรี่ การประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่ มีแฟกเตอรหลายขอที่ควรระวัง เชน กําลังไฟฟาที่ประจุจะ เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาซึ่งขึ้นกับความจุของแบตเตอรี่ และเวลากลางคืนจะไมมีการประจุกระแสไฟฟา เปนตน ความเขมของแสงอาทิตยในเวลาวันมีคาประมาณ 100,000-200,000 lux และมีแสงประมาณ 5-7 ชั่วโมง คําวา “ความจุของแบตเตอรี่” หมายถึง “ปริมาณของกระแสไฟฟาที่สามารถนําไปใชงานได โดยเมื่อมี การประจุแบตเตอรี่จนเต็มแลวและใชงานดวยอัตรากระแสไฟฟาที่คงที่จนกระทั่งแรงดันของแบตเตอรี่ลดลง จนถึงคาต่ําสุด” มีหนวยคือ แอมแปร-ชั่วโมง (Ah) หรือ วัตต-ชั่วโมง (Wh) โดยทั่วไปนิยมใชหนวย Ah เพื่อปองกันมิใหแบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็ว จะมีการกําหนดคาการประจุกระแสไฟฟาสูงสุดที่ใชในการ ประจุเขาแบตเตอรี่ดวยตัวอักษร C เชน อัตราการประจุกระแสไฟฟาเทากับ 0.1C สําหรับแบตเตอรี่ขนาด 100 mAh หมายความวา จะตองประจุดวยกระแสไฟฟาที่ไมสูงกวา 10 mA (=0.1×100 mAh) ตารางที่ 1.12 แสดงคามาตรฐานของการประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่ชนิดตางๆ [110] ในกรณีการใชแบตเตอรี่ชนิด Ni-Cd กับวิทยุ การประจุที่อัตรา 0.1C จะทําใหไมเกิดการประจุมาก เกินไป หรือถาพิจารณาวา ความเขมของแสงไมสูงมากนักและมีแสงอาทิตยสั้นเพียง 3-4 ชั่วโมงตอวัน ก็อาจ

1-125

ประจุที่อัตรา 0.2-0.4C ก็ได ในกรณีแบตเตอรี่ชนิด AgCl ซึ่งนิยมใชกับนาฬิกาขอมือนั้น ควรใชอัตราการ ประจุที่นอยมากๆ คือ 0.001C รูปที่ 1.128 แสดงตัวอยางการใชงานเซลลแสงอาทิตยจายกระแสไฟฟาใหอุปกรณอิเล็กทรอนิกสชนิด ตางๆ

รูปที่ 1.128 ตัวอยางการใชงานเซลลแสงอาทิตยจายกระแสไฟฟาใหอุปกรณอิเล็กทรอนิกสชนิดตางๆ

1.9.2 การออกแบบระบบเซลลแสงอาทิตยสําหรับไฟฟากําลัง เซลลแสงอาทิตยที่ใชงานสําหรับไฟฟากําลังในที่นี้หมายถึง การใชงานที่กําลังไฟฟาสูงระดับหลายสิบ วัตตขึ้นไปถึงระดับหลายกิโลวัตตหรืออาจถึงระดับเมกะวัตต เราสามารถแบงประเภทการใชงานออกเปน 2 ประเภท คือ 1) ระบบโดดเดี่ยว (Stand Alone System) และ 2) ระบบตอเขากริดของการไฟฟา (Grid Connected System) เริ่มแรกผูจะใชงานเซลลแสงอาทิตยตองเขาใจกอนวากระแสไฟฟาที่ไดจากเซลลแสงอาทิตยนั้นเปน ชนิดกระแสตรง และเซลลแสงอาทิตยผลิตไฟฟาไดเฉพาะชวงเวลากลางวันขณะมีแสงอาทิตยเทานั้น ถา ตองการใชเซลลแสงอาทิตยจายกระแสไฟฟาใหกับเครื่องใชไฟฟากระแสสลับ จะตองตออินเวอรเตอรดวย และถาตองการใชงานในตอนกลางคืน ก็ตองใชแบตเตอรี่เก็บสะสมไฟฟาไวในตอนกลางวันดวย ดังนั้นวิธีการ ออกแบบระบบเซลลแสงอาทิตยอยางงายๆ พอจะสรุปไดดังตอไปนี้ (สมมติใหวาแสงอาทิตยกระทบเซลล แสงอาทิตยแบบมุมฉาก) 1. ขั้นตอนการกําหนดองคประกอบของระบบ ผูใชตองกําหนดวาจะใชเซลลแสงอาทิตยจายไฟฟาใหเครื่องใชไฟฟาอะไร และตองการใชไฟฟาเวลา กลางวันหรือกลางคืน (ในทุกรูปแบบการใชงานจะตองมีไดโอดตอดังรูป เพื่อปองกันมิใหกระแสไฟฟาไหล ยอนกลับเขาเซลลแสงอาทิตย) ถาจายไฟฟาใหเฉพาะเครื่องใชไฟฟากระแสตรงในเวลากลางวัน เชน หลอดไฟกระแสตรง ระบบจะ เปนดังรูปที่ 1.129 ถาจายไฟฟาใหเครื่องใชไฟฟากระแสสลับในเวลากลางวัน เชน ตูเย็น เครื่องปรับอากาศ ในระบบจะมี อินเวอรเตอรดังรูปที่ 1.130

1-126

ถาตองการใชไฟฟาในเวลากลางคืนดวย จะตองมีแบตเตอรี่เพิ่มเขามาดังรูปที่ 1.131 กลอง ควบคุมการประจุไฟฟาทําหนาที่ 1) เลือกวาจะสงกระแสไฟฟาไปยังอินเวอรเตอรหรือสงไปยังแบตเตอรี่ หรือ 2) ตัดเซลลแสงอาทิตยออกจากระบบและตอแบตเตอรี่ตรงไปยังอินเวอรเตอร

รูปที่ 1.129 วิธีการตอเซลลแสงอาทิตยเพื่อจายไฟฟาใหเครื่องใชไฟฟากระแสตรงในเวลากลางวัน

รูปที่ 1.130 วิธีการตอเซลลแสงอาทิตยเพื่อจายไฟฟาใหเครื่องใชไฟฟากระแสสลับในเวลากลางวัน

รูปที่ 1.131

วิธีการตอเซลลแสงอาทิตยเพื่อจายไฟฟาในเวลากลางคืนดวย จะตองมีแบตเตอรี่สําหรับ เก็บพลังงานไฟฟา

2. ขั้นตอนการกําหนดขนาดของระบบ 1. กําหนดจํานวนของแผงเซลลแสงอาทิตย รายละเอียดจะกลาวถึงในหัวขอที่ 5 2. กําหนดขนาดและจํานวนของแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ที่ใชในระบบเซลลแสงอาทิตยจะตองเปนชนิด ที่สามารถประจุกระแสไฟฟาไดหลายครั้ง ซึ่งมีหลายชนิด เชน ชนิดนิกเกิลแคดเมียม (Ni-Cd) ชนิดตะกั่ว (Pb) (นิยมใชในระบบใหญๆ มากที่สุด) และชนิดนิกเกิลไฮไดรด (NiH) เริ่มแรกผูใชตองกําหนดขนาดของ แบตเตอรี่วาควรเปนเทาใด

ตัวอยางที่ 9 ถาตองการใชกระแสไฟฟา 20 Ah แรงดันไฟฟา 100 V ในกรณีแบตเตอรี่ชนิดตะกั่วซึ่งให แรงดัน 12 V จงออกแบบวาจะตองใชแบตเตอรี่ที่มีขนาดความจุเทาไร

1-127

วิธีทํา จํานวนแบตเตอรี่ที่ตองตออนุกรม = 100 V÷12 V= 9 ตัว (ปดเศษขึ้น) ความจุ B ของแบตเตอรี่แตละตัวคือ (B-20 Ah) ÷B = 70% (คา70% คือปริมาณที่ควรเหลือของ แบตเตอรี่) เพราะฉะนั้น แบตเตอรี่แตละตัวควรมีความจุมากกวา 66 Ah ขึ้นไป อนึ่งตารางที่ 1.12 ระบุวากระแสไฟฟาที่ควรใชประจุคือ 0.5-1 เทาของคาความจุของแบตเตอรี่ หมายความวา ถานําแบตเตอรี่ขนาด 66 Ahมาใชประจุ ก็ควรประจุกระแสไฟฟาที่ปริมาณไมเกิน 66×0.5 = 33-66 Ah ถาประจุกระแสไฟฟาดวยอัตรามากกวานี้จะทําใหแบตเตอรี่เสื่อมเร็ว สําหรับจํานวนครั้งของการใช งานนั้น ประมาณ 150-300 ครั้งตอแบตเตอรี่หนึ่งตัว

ตารางที่ 1.12 อัตรามาตรฐานของการประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่ ชนิดของแบตเตอรี่ นิกเกิลแคดเมียม (Ni-Cd) ตะกั่ว (Lead acid) นิกเกิลไฮไดรด (NiH) เงินคลอไรด (AgCl)

ประสิทธิภาพ 0.8-0.9

อัตรากระแสไฟฟา ที่ใชประจุ 0.1C-0.3C

ควรใชงานใหเหลือกี่เปอรเซ็นต ของคาความจุ จึงจะประจุครั้งตอไป 0% (ใชใหหมด)

0.85-0.95 0.7-0.9 0.9-1.0

0.5C-1C 0.1C 0.001C

70% 0% (ใชใหหมด) 70%

3. กําหนดขนาดของอินเวอรเตอร อินเวอรเตอรคืออุปกรณที่ใชสําหรับแปลงไฟฟากระแสตรงใหเปน ไฟฟากระแสสลับ ในการแปลงดังกลาวจะมีการสูญเสียเกิดขึ้นเสมอ โดยทั่วไปประสิทธิภาพของอินเวอร-เตอร มีคาประมาณ 0.85-0.9 หมายความวา ถาเราปอนกําลังไฟฟาเขาอินเวอรเตอร 100 W เราจะไดกําลังไฟฟา เอาตพุตออกจากอินเวอรเตอรมาใชประมาณ 85 -90 W นั่นเอง ดังนั้นถาเราทราบกําลังของไฟฟาที่ตองการ แลว เราจะตองเผื่อขนาดของอินเวอรเตอรไวดวย เชน ถาตองการใชไฟฟา 85-90 W เราควรเลือกใช อินเวอรเตอรที่มีเอาตพุตขนาด 100 W เปนตน ในทางปฏิบัติ อินเวอรเตอรที่มีขายในทองตลาดสําหรับใชกับ เซลลแสงอาทิตยนั้นมีขนาดมาตรฐานรุน 3 kW และ 5 kW เงื่อนไขสําคัญของสถานที่สําหรับติดตั้ง อินเวอรเตอรคือ จะตองอยูในที่รม อุณหภูมิไมสูงมากหรือต่ํามากเกินไป (ควรอยูในชวง -10°C และ 40°C) ความชื้นไมสูงเกิน 60% วางในที่ระบายอากาศไดดี ไมมีสัตว เชน หนู งู ซึ่งอาจกัดสายไฟฟาได มีพื้นที่ให บํารุงรักษาไดเพียงพอ เปนตน 3. ขั้นตอนการกําหนดสถานที่ติดตั้งแผงเซลลแสงอาทิตย สถานที่ติดตั้งแผงเซลลแสงอาทิตยควรเปนที่โลง ไมมีเงามาบังแผงเซลลแสงอาทิตย ไมอยูใกลสถานที่ เกิดฝุนมาก อาจติดตั้งแผงเซลลแสงอาทิตยบนพื้นดินก็ไดหรือบนหลังคาบานก็ได ควรวางใหแผงเซลลแสงอาทิตยมีความลาดเอียงประมาณ 10-15 องศา จากระดับแนวนอนและหันหนาไปทางทิศใต การวางแผงเซลล แสงอาทิตยใหมีความลาดดังกลาวจะชวยใหเซลลแสงอาทิตยรับแสงอาทิตยไดเฉลี่ยมากที่สุดและเกิดการระบาย น้ําฝนไดรวดเร็ว ตองออกแบบใหมีอุปกรณยึดแผงเซลลแสงอาทิตยไดอยางแข็งแรง สามารถทนตอแรงลม และฝนไดเพียงพอ และถาดานลางของแผงมีชองระบายลมไดดวยก็จะดีที่สุด

1-128

4. การใชบล็อกกิงไดโอดและบายพาสไดโอดในระบบไฟฟากําลัง ดังไดกลาวขางตนแลววา การใชเซลลแสงอาทิตยกับแบตเตอรี่นั้น จะตองมีบล็อกกิงไดโอดเพื่อ ปองกันการไหลยอนกลับของกระแสไฟฟาจากแบตเตอรี่สูเซลลแสงอาทิตย ในระบบไฟฟากําลัง เชนเดียวกัน ก็จะตองมีบล็อกกิงไดโอดตออยูเสมอ รูปที่ 1.132 แสดงวิธีการตอบล็อกกิงไดโอดกับเซลล-แสงอาทิตย จํานวนมากๆ ที่ปลายดานหนึ่งของเซลลแสงอาทิตยที่ตออนุกรมแตละแถวจะมีบล็อกกิงไดโอด 1ตัว บางครั้ง ถาเกิดเงาบังเซลลแสงอาทิตยบางตัวหรือบางแถว จะทําใหแรงดันไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยแถวนั้น ลดลง ดังนั้นบล็อกกิงไดโอดจะเปนตัวปองกันมิใหกระแสไฟฟาจากแถวอื่นไหลมาผานแถวที่เกิดเงาซึ่งเปนการ ปองกันมิใหแรงดันไฟฟาเอาตพุตของระบบลดลงดวย

รูปที่ 1.132

วิธีการตอบล็อกกิงไดโอดกับเซลลแสงอาทิตยจํานวนมากๆ โดยมีบล็อกกิงไดโอด 1ตัว ตออยูที่ปลายดานหนึ่งของเซลลแสงอาทิตยในแตละแถว

นอกจากนี้สถานที่และมุมการติดตั้งระบบเซลลแสงอาทิตยก็มีความสําคัญตอกําลังไฟฟาเอาตพุตดวย ตัวอยางถาติดตั้งเซลลแสงอาทิตยในสถานที่มีเงาเปนแถบบังเซลลแสงอาทิตยดังที่แสดงในรูปที่ 1.133 นั้นถือ วาเปนกรณีที่ไมดี เพราะเงาเหลานั้นสามารถบังเซลลแสงอาทิตยจํานวนหลายแถว จะทําใหกําลังไฟฟาเอาตพุต ลดลงแทบจะไมมีเอาตพุตเลย วิธีการแกไขคือ ใหพยายามจัดวางเพื่อใหเงาเหลานั้นบังเซลลแสงอาทิตยเพียงแถวใดแถวหนึ่งดังที่ แสดงในรูปที่ 1.134 ในรูปนี้กําลังไฟฟาที่ลดลงจะมีมีคาเพียง 1/6 ของระบบทั้งหมดเทานั้น นอกจากบล็อกกิงไดโอดแลว การตอบายพาสไดโอดกับเซลลแสงอาทิตยก็มีความสําคัญดวยเชนกัน รูปที่ 1.135 แสดงวิธีการตอบายพาสไดโอดเขากับเซลลแสงอาทิตย บทบาทของบายพาสไดโอดคือ ในแผง หรือมอดูลของเซลลแสงอาทิตยที่ตออนุกรมกันนั้น เชน สมมติวาตออนุกรมกัน 10 เซลล ถามีเงาไปบังเซลล แสงอาทิตยตัวใดตัวหนึ่ง แรงดันไฟฟาจากเซลลที่เหลืออีก 9 เซลลก็จะไปตกครอมเซลลมืดตัวนั้น จะเปน สาเหตุทําใหเซลลที่มืดนั้นเกิดความรอนสูง และในที่สุดก็จะสงผลใหแผงหรือมอดูลทั้งหมดรอนและเสียหายได ดังนั้นบายพาสไดโอดนี้จึงทําหนาที่ใหกระแสไฟฟาจากเซลลอื่นไหลผานไดโอดไดสะดวก

รูปที่ 1.133 การเกิดเงาบนเซลลแสงอาทิตยตามรูปนี้จะทําใหไมไดกําลังไฟฟาเอาตพุตเลย

1-129

รูปที่ 1.134

การเกิดเงาบนเซลลแสงอาทิตยตามรูปนี้จะทําใหกําลังไฟฟาเอาตพุตลดลงเพียง 1/6 ของทั้งหมด

รูปที่ 1.135 วิธีการตอบายพาสไดโอดเขากับเซลลแสงอาทิตย

1.9.3 ตัวอยางการใชงานเซลลแสงอาทิตยในประเทศไทย สําหรับในประเทศไทยเราจากอดีตถึงปจจุบัน (พ.ศ 2546) มีการติดตั้งใชงานเซลลแสงอาทิตยแลว ทั่วประเทศประมาณ 6 MW สวนใหญเปนการติดตั้งในพื้นที่หางไกลที่สายไฟฟาเขาไปไมถึง ตัวอยางการใชงาน เชน ไฟฟาหมูบานหางไกล (โดยการไฟฟาสวนภูมิภาค) สถานีทวนสัญญาณสื่อสาร (โดยองคการโทรศัพทแหงประเทศไทย) ระบบสูบน้ําในที่ทุรกันดาน (โดยกรมโยธาธิการกระทรวงมหาดไทย และกระทรวง กลาโหม) สถานีประจุแบตเตอรี่ (โดยกรมพัฒนาและสงเสริมพลังงาน กระทรวงวิทยาศาสตร เทคโนโลยีและสิ่งแวดลอม และการไฟฟาสวนภูมิภาค) ในโรงเรียนประถมศึกษาพื้นที่หางไกล (โดยกระทรวงศึกษาธิการ) ระบบผลิตไฟฟาตอเขาระบบกริด (โดยการไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย) ฯลฯ ระบบเซลลแสงอาทิตยดังกลาวเหลานี้ ไดสรางความเจริญใหกับพื้นที่ไดเปนอยางดี บางพื้นที่ชวยทํา ใหเกิดอาชีพตางๆ เพิ่มขึ้นอันเปนประโยชนตอเศรษฐกิจ และบางพื้นที่ชวยทําใหเด็กไดมีโรงเรียน ในอดีตเมื่อ เกิดเหตุการณน้ําทวมในภาคใต เสาไฟฟาและสายโทรศัพทไดรับความเสียหาย เซลลแสงอาทิตยไดกลายเปน อุปกรณสําคัญในการกําเนิดไฟฟาสําหรับการติดตอวิทยุสื่อสาร ทําใหการชวยเหลือผูประสบอุทกภัยมี ประสิทธิภาพและมีความปลอดภัย

1-130

ผูเขียนไดทดลองนําเซลลแสงอาทิตย 4 แผงไปติดตั้งที่สวนยางพาราในอําเภอสะเดา จังหวัดสงขลา เพื่อใชประจุแบตเตอรี่สําหรับไฟฉายที่ใชในการกรีดยางพาราแทนการใชตะเกียงถานหิน พบวาชาวสวนยางมี ความพอใจ เพราะไมตองดมกลิ่นควันถานหินอีกตอไป และไดแสงสวางที่ดีกวาตะเกียงถานหิน รายละเอียดเกี่ยวกับการใชงานเซลลแสงอาทิตยในประเทศไทย จะกลาวถึงอีกครั้งในบที่ 46 ซึ่งจะ กลาวถึงสถานภาพการวิจัยและพัฒนาสิ่งประดิษฐออปโตอิเล็กทรอนิกสในประเทศไทย

1.9.4 การออกแบบขนาดของระบบเซลลแสงอาทิตยสําหรับติดตั้งบนหลังคาบาน ขั้นตอนที่ 1 การกําหนดกําลังไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยที่ควรติดตั้ง กอนจัดหาซื้อเซลลแสงอาทิตยมาใชงาน ผูใชควรพิจารณาวาจะใชเซลลแสงอาทิตยสําหรับผลิต กระแสไฟฟาใหกับเครื่องใชไฟฟาใดบาง ทั้งนี้เพื่อจะไดติดตั้งเซลลแสงอาทิตยไดเพียงพอกับความตองการและ ไมติดตั้งมากจนเกินความจําเปนซึ่งจะทําใหระบบมีราคาแพงโดยไมจําเปน จะขอยกตัวอยางวิธีคํานวณ กําลังไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยอยางงายๆ ดังตอไปนี้

ตัวอยางที่ 10 บานหลังหนึ่งมีเครื่องใชไฟฟาและจํานวนชั่วโมงของการใชงานดังตารางขางลางนี้ จงออกแบบระบบเซลลแสงอาทิตย เครื่องใชไฟฟา หลอดฟลูออเรสเซนต โทรทัศน เครื่องปรับอากาศ อื่นๆ

จํานวน (1) 2 1 1

กําลังไฟฟาตอชิ้น (W) (2) 30 100 1,500 100

จํานวนชั่วโมงที่ใชงานใน หนึ่งวัน (3) 6 3 4 1 รวม

Wh (1)×(2)×(3) 360 300 6,000 100 6,760

วิธีทํา จากตารางขางตนนี้ ไดขอมูลวาในหนึ่งวัน บานหลังนี้ใชไฟฟา 6,760 Wh กําลังไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยที่ควรติดตั้ง (Pcell) คํานวณไดจากสูตรดังตอไปนี้ Pcell

โดยที่

PL Q

A B C D

=

PL Q× A× B×C/ D

(1.137)

: ความตองการพลังงานไฟฟาในหนึ่งวัน : พลังงานแสงอาทิตยในหนึ่งวัน (Wh/m2) สําหรับประเทศไทยเทากับ 4,000 Wh/m2 โดย ประมาณ : คาชดเชยการสูญเสียของเซลลแสงอาทิตย โดยทั่วไปกําหนดคาประมาณ 0.8 : คาชดเชยการสูญเสียเชิงความรอน โดยทั่วไปกําหนดคาประมาณ 0.85 : ประสิทธิภาพของอินเวอรเตอร โดยทั่วไปกําหนดคาประมาณ 0.85-0.9 : ความเขมแสง โดยปกติความเขมแสงประมาณ 1,000 W/m2

เพราะฉะนั้น บานหลังนี้ตองใชเซลลแสงอาทิตยที่มีกําลังเอาตพุตเทากับ

1-131

Pcell =

6,760 400 × 0.8 × 0.85 × 0.85 / 1,000

= 2,923 W หรือประมาณ 2.9 kW

ขั้นตอนที่ 2 การกําหนดจํานวนแผงของเซลลแสงอาทิตย เมื่อทราบกําลังไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยที่จะตองติดตั้งแลว ขั้นตอนตอไปคือ จะตองคํานวณวา จะตองใชเซลลแสงอาทิตยกี่แผง จํานวนแผงของเซลลแสงอาทิตยคํานวณไดโดยใชกําลังไฟฟาของระบบหาร ดวยกําลังไฟฟาที่เซลลแสงอาทิตยหนึ่งแผงผลิตได เมื่อทราบคาจํานวนแผงแลว ขั้นตอนตอไปคือ จะตอง คํานวณวา จะตองนําเซลลแสงอาทิตยจํานวนหลายเซลลมาตออนุกรมหรือขนานกันอยางไร จึงจะได แรงดันไฟฟาที่เพียงพอตอการใชงาน จํานวนของแผงเซลลแสงอาทิตยที่จะตองตออนุกรมกันนั้น คํานวณได โดยการใชคาแรงดันไฟฟาที่ตองการหารดวยแรงดันเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยหนึ่งแผง

ตัวอยางที่ 11

จากตัวอยางขางตน ทราบวาจะตองติดตั้งเซลลแสงอาทิตยเทากับ 2.9 kW และ แรงดันไฟฟากระแสตรงที่ตองปอนใหอินเวอรเตอรคือ 200 V ถามวาจะตองใชแผงเซลลแสงอาทิตยกี่แผง และควรตอเรียงกันอยางไร กําหนดใหแผงเซลลแสงอาทิตยมีลักษณะสมบัติดังนี้ กําลังเอาตพุตสูงสุด 50 W แรงดันไฟฟาสูงสุด 17 V กระแสไฟฟาสูงสุด 2.94 A แรงดันไฟฟาวงจรเปด 21.3 V และกระแสไฟฟา ลัดวงจร 3.15 A

วิธีทํา ประมาณการเริ่มแรกของจํานวนของแผงเซลลที่ตองติดตั้งทั้งหมด = 2,900 W ÷50 W = 58 แผง จํานวนของแผงเซลลที่ตออนุกรม = 200 V ÷ 17 V = 12 แผง (ปดเศษขึ้น) จํานวนแถวที่ตองตอขนาน = 58 ÷12 = 5 แถว (ปดเศษขึ้น) ดังนั้น กรณีบานหลังนี้ จะใชแผงเซลลแสงอาทิตยทั้งหมด = 12×5 = 60 แผง โดยตออนุกรมแถวละ 12 แผง และตอขนานจํานวน 5 แถว หมายเหตุ ถาในการใชงาน เมื่อเซลลแสงอาทิตยรับแสงอาทิตยเปนเวลานาน อุณหภูมิของเซลลแสงอาทิตยจะ สูงขึ้น และจะสงผลใหแรงดันไฟฟาลดลง ดังนั้นในการออกแบบ จึงควรใชคาแรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุด ณ ที่ อุณหภูมิที่ใชงานจริงในการคํานวณ ตัวอยางการติดตั้งระบบเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานในประเทศไทย การไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย (กฟผ.) เปนหนวยงานหนึ่งของประเทศไทยที่มีความสนใจและ กระตือรือรนในการนําเซลลแสงอาทิตยมาใชงานเปนเวลานาน และไดติดตั้งระบบเซลลแสงอาทิตยไปแลวหลาย แหงรวมเกือบ 100 kW “โครงการสาธิตการติดตั้งเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบาน” เปนโครงการที่กฟผ. กําลังใหความสนใจมาก ตัวอยางที่ติดตั้งไปแลวไดแก ที่อําเภอสันกําแพง จังหวัดเชียงใหม มีแผงเซลลแสงอาทิตย 44 แผง รวมกําลังไฟฟาเอาตพุต 2.5 kW เซลลแสงอาทิตยทั้งหมดผลิตไฟฟากระแสตรงในชวง ที่ มีแสงอาทิตยผานอินเวอรเตอรใหเปนกระแสสลับขนาด 220 V ความถี่ 50 Hz และผานระบบปองกันแลวจึง นํามาใชภายในบาน กระแสไฟฟาสวนเกินจะสงขายเขาระบบ สําหรับใน พ.ศ. 2541 นี้ กฟผ. ยังไดรับงบสนับสนุนจากสํานักงานคณะกรรมการนโยบายพลังงานแหงชาติ (สวทช.) ใหดําเนินการติดตั้งเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานเพิ่มอีก 10 หลังคาเรือนในเขต กรุงเทพมหานคร จากการประกาศรับสมัครประชาชนผูสนใจ มีผูเสนอชื่อขอเขารวมโครงการกวา 200 ราย

1-132

แตตองคัดเลือกเหลือเพียง 10 ราย คาใชจายซึ่งสํานักงานนโยบายพลังงานแหงชาติใหการสนับสนุนหลังละ ประมาณ 2 แสนบาทเศษ และเจาของบานรับผิดชอบเองอีกประมาณ 2 แสนบาทเศษ ลักษณะเดนของ โครงการนี้คือ 1. ไมมีการใชแบตเตอรี่ ทําใหลดราคาของระบบลงไดมาก 2. กระแสไฟฟาที่ผลิตไดจากเซลลแสงอาทิตยจะถูกนําไปใชในบานทันที และถามีไฟฟาเหลือ ไฟฟาที่ เหลือนั้นจะถูกสงออกไปสูระบบของการไฟฟานครหลวงอยางอัตโนมัติ นั่นคือ มีการขายไฟฟาที่เหลือใช 3. มีวัตตมิเตอร ซึ่งสามารถวัดไฟฟาที่ซื้อจากการไฟฟานครหลวง อีกวัดไฟฟาที่ขายใหการไฟฟานคร หลวง ทําใหเจาของบานทราบปริมาณไฟฟาที่ซื้อและที่ขายไดอยางถูกตอง รูปที่ 1.136 แสดงสวนประกอบที่สําคัญของชุดสาธิตระบบเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานซึ่งมี 5 สวนคือ

รูปที่ 1.136

แผนภูมิแสดงสวนประกอบที่สําคัญของชุดสาธิตระบบเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบาน (ภาพเอื้อเฟอจากการไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย)

1. ชุดแผงเซลลแสงอาทิตย (Photovoltaic arrays) ในโครงการนี้ บานจํานวน 8 หลังใชแผงเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนซึ่งมีกําลังไฟฟา เอาตพุตสูงสุด 75 W/แผง บานแตละหลังใชเซลลแสงอาทิตยจํานวน 30 แผงโดยตออนุกรมกัน 15 แผง จํานวน 2 แถว ทําใหไดกําลังสูงสุดหลังละ 2,250 W แรงดันไฟฟาสูงสุด 255 V กระแสไฟฟาสูงสุด 8.8 A ใชพื้นที่ติดตั้งทั้งระบบ 20 m2 เซลลแสงอาทิตยทั้งหมดมีน้ําหนักรวม 228 kg นอกจากนี้บานอีก 2 หลังใชแผงเซลลแสงอาทิตยชนิดฟลมบางอะมอรฟสซิลิคอนซึ่งมีกําลังไฟฟา เอาตพุตสูงสุด 64 W/แผง บานหนึ่งหลังใชเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟส 45 แผงโดยตออนุกรมกัน 15 แผง จํานวน 2 แถว ทําใหไดกําลังสูงสุดหลังละ 2,880 W แรงดันไฟฟาสูงสุด 240 V กระแสไฟฟาสูงสุด 12 A ใชพื้นที่ติดตั้งเซลลแสงอาทิตยทั้งหมด 46 m2 เซลลแสงอาทิตยทั้งหมดมีน้ําหนักรวม 418 kg 2. กลองรวมสาย (Junction box) กลองรวมสายเปนกลองที่ใชเปนที่พักสายไฟฟาจากแผงเซลลและเปนที่พักสายไฟฟากระแสสลับ กอนที่จะตอเขากับอินเวอรเตอร และภายในกลองจะมีอุปกรณมิเตอรสําหรับวัดแรงดันและกระแสไฟฟา

1-133

กระแสตรงที่ผลิตไดจากเซลลแสงอาทิตย รวมทั้งมีฟวสและสวิตชเบรกเกอร เพื่อปองกันการเกิดไฟฟาลัดวงจร และสามารถปดเมื่อเกิดเหตุการณฉุกเฉิน 3. อินเวอรเตอร (Inverter) อินเวอรเตอรที่ใชในโครงการมีกําลังเอาตพุตสูงสุด 5,000 W แรงดันไฟฟากระแสตรงขาเขา อินเวอรเตอร 170-230 V แรงดันไฟฟากระแสสลับขาออก 220 V ความถี่ 50 Hz ประสิทธิภาพในการแปลง กระแสไฟฟาสูงกวา 90% ฮารมอนิกต่ํากวา 5% มีระบบปองกันใหอินเวอรเตอรหยุดทํางานในกรณีที่ แรงดันไฟฟาอินพุตมีการเปลี่ยนแปลงมากคาที่กําหนด 4. มิเตอรผลิตไฟฟาและมิเตอรขายไฟฟา (Product kWh meter & Export KWh meter) มิเตอรผลิตไฟฟาจะทําหนาที่บันทึกขอมูลที่อินเวอรเตอรจายกําลังไฟฟาที่ผลิตไดออกมาเปน kWh ซึ่ง จะทําใหเราทราบวาใน 1 วันหรือ 1 เดือนสามารถผลิตไฟฟารวมไดเทาไร มิเตอรผลิตไฟฟานี้จะติดตั้งไวที่ กลองรวมสาย มิเตอรขายไฟฟาจะทําหนาที่บันทึกขอมูลที่ไดจากปริมาณการใชไฟฟาที่เหลือใชภายในบาน แลว สงขายผานระบบจําหนายของการไฟฟาฯ (อาจใชมิเตอรเพียง 1 เครื่องที่สามารถหมุนได 2 ทิศทาง) 5. ระบบบันทึกขอมูล (Data acquisition system) การบันทึกขอมูลอยางละเอียดจะกําหนดสําหรับบาน 2 หลัง เพื่อใชประเมินผลตอไป โดยมีการติดตั้ง เครื่องวัดความเขมของแสงอาทิตย (pyrometer) เครื่องวัดอุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยและกําลังผลิตเปน ตน

ผลที่คาดวาจะไดรับจากโครงการสาธิตติดตั้งเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานนี้ไดแก 1) ชวยผลิตพลังงานทดแทนในชวงเวลากลางวันซึ่งใชไฟฟามาก 2) ทําใหประชาชนมีสวนรวมในการผลิตไฟฟา และสรางจิตสํานึกในการใชไฟฟาอยางประหยัด 3) ลดผลกระทบที่ทําลายสิ่งแวดลอม 4) ชะลอการกอสรางโรงไฟฟาและขยายระบบสายสง 5) ชวยลดการสูญเสียพลังงานไฟฟาในระบบสายสง เปนตน รูปที่ 1.137 แสดงตัวอยางภาพบานที่ติดตั้งแผงเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานในโครงการ 10 หลังคาแรกของประเทศไทยใน พ.ศ. 2541 บานในรูป (ก) อยูในเขตดอนเมือง กรุงเทพมหานคร ใชเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน จํานวน 30 แผงใหกําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด 2.25 kW บานในรูป (ข) อยูในหมูบานเมืองเอก ปทุมธานี ใชเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนจํานวน 45 แผงใหกําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด 2.88 kW

1.9.5 การบํารุงรักษาเซลลแสงอาทิตยและอายุการใชงาน อายุการใชงานเซลลแสงอาทิตยโดยทั่วไปยาวนานกวา 20 ป และบริษัทผูผลิตเซลลแสงอาทิตย รับประกันในระยะเวลาที่นานหลายป ดังนั้นผูใชจึงไมจําเปนตองกังวลเกี่ยวกับอายุการใชงาน การบํารุงรักษา ก็งาย เพียงแตคอยดูแลวามีสิ่งสกปรกตกคางบนแผงเซลลแสงอาทิตยหรือไม เชน ฝุน มูลนก ใบไม ถาพบวามี สิ่งสกปรก ก็ใชน้ําลางทําความสะอาดบางเปนครั้งคราว เชน ปละ 1-2 ครั้งก็เพียงพอ หามใชน้ํายาพิเศษลาง

1-134

หรือใชกระดาษทรายขัดผิวกระจกโดยเด็ดขาด เมื่อฝนตก น้ําฝนจะชวยชําระลางแผงเซลลแสงอาทิตยไดตาม ธรรมชาติ ในบางครั้งเซลลแสงอาทิตยที่ประกอบไมดี เมื่อใชงานไปนานๆ ความชื้นจากอากาศอาจซึมเขาสู ภายในแผง และจะทําใหแผงเซลลแสงอาทิตยมีสีเหลืองน้ําตาลซึ่งเปนสีที่แสดงวาแผนโพลิเมอรในแผงเซลล แสงอาทิตยเสื่อมคุณภาพลง หรือบางครั้งอาจพบวาฉนวนอิปอกซีซึ่งถูกอัดอยูที่ขอบของแผงมีน้ําขังหรือเปราะ ในกรณีเหลานี้ใหผูใชติดตอบริษัทผูผลิตเพื่อขอแลกเปลี่ยนแผงเซลลแสงอาทิตยที่ชํารุด สําหรับในระบบที่มีการใชแบตเตอรี่ชนิดใชน้ํากลั่น (lead acid) หามใชไฟฟาจนแบตเตอรี่หมด แต ควรใชไฟฟาเพียง 30-40% และเริ่มประจุไฟฟาใหมใหเต็มกอนใชงานครั้งตอไป และตองคอยหมั่นเติมน้ํา กลั่นและเช็ดทําความสะอาดขั้วของแบตเตอรี่ ในกรณีที่มีการใชอินเวอรเตอร ก็ควรสังเกตวามีเสียงดังผิดปกติ หรือเกิดความรอนผิดปกติหรือไม ถาพบความผิดปกติที่อินเวอรเตอร ใหตัดหยุดการปอนกระแสไฟฟาเขา อินเวอรเตอรและติดตอบริษัทผูจําหนายหรือผูเชี่ยวชาญ สุดทายนี้ ขอแนะนําตัวอยางแนวความคิดในการประยุกตใชงานเซลลแสงอาทิตยในลักษณะตางๆ ดังที่แสดงในรูปที่ 1.138-1.152

รูปที่ 1.137 ตัวอยางภาพบานที่ติดตั้งแผงเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานในกรุงเทพมหานคร (ก) อยูในเขตดอนเมือง กรุงเทพมหานคร ใชเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน จํานวน 30 แผง ใหกําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด 2.25 kW (ข) อยูในหมูบานเมืองเอก ปทุมธานี ใชเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอน จํานวน 45 แผง ใหกําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด 2.88 kW (ภาพเอื้อเฟอจาก การไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย)

1-135

รูปที่ 1.138

ระบบลอปลาดวยแสงไฟพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย แผงเซลลวางอยูบนทุนลอยกลางทะเล หลอดไฟอยูใตน้ํา ชาวประมงจะออกไปจับปลาเมื่อเห็นภาพฝูงปลาปรากฏบนจอโทรทัศน

รูปที่ 1.139

ระบบปมอากาศ (ออกซิเจน) ดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย เปาลมลงไปใตน้ําเพื่อเลี้ยง สัตวน้ํา เชน ปลา กุง และลอสัตวน้ําใหเขาใกล แผงเซลลวางอยูบนทุนลอยกลางทะเลหรือ กลางบอ

รูปที่ 1.140

ระบบปอนอาหารแบบอัตโนมัติใหสัตวน้ําดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย แผงเซลลแสงอาทิตยวางอยูบนทุนลอย กอนปอนอาหาร จะสรางเสียงใตน้ํา เพื่อเรียกปลาใหเขาใกล ทําใหปอนอาหารไดอยางมีประสิทธิภาพ

1-136

รูปที่ 1.141

ระบบการตรวจวัดสภาพแวดลอมแบบอัตโนมัติดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย ประกอบดวย เครื่องวัดความเร็วลม เครื่องวัดความเร็วกระแสน้ํา เครื่องวัด อุณหภูมิและความลึก และเครื่องวัดระดับน้ําขึ้นน้ําลง เปนตน

รูปที่ 1.142 ระบบสูบน้ําบาดาลดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย มีถังเก็บน้ําไวใชอยางเพียงพอ

รูปที่ 1.143

ระบบชลประทานดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย เครื่องสูบน้ําจากคลองใหไหลไป ตามทางสงน้ําขนาดเล็กเพื่อการเพาะปลูก

1-137

รูปที่ 1.144 ระบบฉีดโปรยน้ําดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย เพื่อการเพาะปลูกพืชผัก

รูปที่ 1.145

รูปที่ 1.146

การใชงานแบบผสมระหวางระบบทําความรอนและระบบผลิตกระแสไฟฟาดวย เซลลแสงอาทิตยเพื่อการกสิกรรม

ระบบอบแหงธัญพืชดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย โดยใชพัดลมเปาอากาศแหง และรอนเขาไปในหองอบที่อยูกลางทุงนา

1-138

รูปที่ 1.147 เครื่องนวดขาวพลังงานเซลลแสงอาทิตย สามารถติดตั้งที่กลางทุงนา

รูปที่ 1.148 สถานีอนามัยทํางานดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย ในชนบทหางไกล

รูปที่ 1.149 สถานีผลิตกระแสไฟฟาดวยเซลลแสงอาทิตยสําหรับหมูบานชนบทหางไกล

1-139

รูปที่ 1.150

สถานีสังเกตอุตุนิยมวิทยา ในที่หางไกล เชน วัดปริมาณน้ําฝน วัดความเร็วลม พรอมดวยชุดเตือนอุทกภัย

รูปที่ 1.151 สถานีถายทอดสัญญาณวิทยุโทรทัศนดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตยบนภูเขาสูงหางไกล

รูปที่ 1.152

ชุดโทรศัพทมือถือพลังงานเซลลแสงอาทิตย จุดเดนอยูที่การใชเซลลแสงอาทิตยชนิด อะมอรฟสซิลิคอนซึ่งผลิตบนแผนโลหะที่เบาและโคงงอได สามารถพับแผนเซลลได ไมแตกหักแมจะทําหลน มีน้ําหนักเบา ทําใหพกติดตัวไดสะดวก [111]

1-140

เอกสารอางอิง [1] [2] [3] [4]

C. Hu and R.M. White, Solar Cells, McGraw-Hill (1983).

H.J. Hovel, Semiconductors and Semimetals, 11, Academic Press (1975).

B.L. Sharma, R.K. Purohit, Semiconductor Heterojunctions, Pergamon Press (1974).

K. Ito and T. Ohsawa, “Photovoltaic Effect at n-CdS/p-InP Heterojunctions”, Jpn. J. Appl.

Phys., 14, 1259 (1975).

[5] R.L. Anderson, Solid State Electron., 5, 341 (1962).

[6] A.L. Farenbruch, J. of Crystal Growth, 39, 73 (1977).

[7] A. Rothwarf and A.M. Barnett, “Design Analysis of the Thin-Film CdS-Cu2S Solar Cell”, IEEE Trans. on Electron Devices, ED24, 381 (1977).

[8] Z.I. Alferov, V.M. Andrev and D.N. Tretyakov, Sov. Phys. Semicond., 4, 132 (1970).

[9] M. Bettini and K.J. Bachmann, “CdS/InP and CdS/GaAs Heterojunctions by Chemical-Vapor Deposition of CdS”, J. Appl. Phys., 49, 865 (1978).

[10] K. Ito, “Effect of Lattice Misfit on pn Junction Characteristics”, Appl. Phys. Lett., 36, 577 (1980).

[11] M.A. Green, Solar Cells, Prentice-Hall, 88 (1982).

[12] A.W. Blakers, A. Wang, A.M. Milne, J. Zhao and M.A. Green, “22.8% Efficient Silicon Solar Cell”, Appl. Phys. Lett., 55, 1363 (1989).

[13] W. Shockley and H.J. Queisser, “Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells”, J. Applied Physics, 32, 510 (1961).

[14] C.T. Sah, “Carrier Generation and recombination in p-n Junctions”, Proc. IRE, 45, 1228 (1957).

[15] A.S. Grove, Physics and Technology of Semiconductor Devices, Wiley, New York, 158 (1967).

[16] M.A. Green, Solar Cells, Prentice-Hall, 146 (1982).

[17] J.G. Fossum et al., “Physics Underlying the Performance of Back-Surface Filed Solar Cells”, IEEE Trans. Electron Devices, ED-27, 785 (1980).

[18] A.S. Grove, Physics and technology of Semiconductor Devices, New York, Wiley, 44 (1967).

[19] J.C. Tsai, Proc. IEEE-Photovoltaic Specialists Conf., U.S.A., 1499 (1969).

[20] J. Lindmayer and J.F. Allison, Proc. 9th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., U.S.A. 83 (1972).

[21] J.G. Fossum, F.A. Lindholm and M.A. Shibib, “The Importance of Surface recombination and Energy Gap Narrowing in pn Junction Silicon Solar Cells”, IEEE Trans. Electron Devices, ED26, 1294 (1979).

[22] H.B. Serreze, “Optimizing Solar Cell Performance by Simultaneous Consideration of Grid Pattern Design and Interconnect Configurations”, Proc. 13th IEEE Photovoltaic Specialists Conf, Washington D.C., 609 (1978).

[23] G.A. Landis, “Optimization of Tapered Busses for Solar Cell Contacts”, Solar Energy, 22, 401 (1979).

[24] R.S. Scharlack, “The Optimization Design of Solar Cell Grid Lines”, Solar Energy, 23, 199 (1979).

1-141

[25] E.S. Heavens, Optical Properties of Thin Solid Films, Buterworths, London (1955).

[26] M.A. Green, Solar Cells, Prentice-Hall, 163 (1982).

[27] E.Y. Wang et al., “Optimal Design of Antireflection Coatings for Silicon Solar Cells”, Proc.

10th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Palo Alto, U.S.A., 168 (1973).

[28] M.A. Green, Solar Cells, Prentice-Hall, 96 (1982).

[29] M.A. Green, A.W. Blakers, J. Shi, E.M. Keler and S.R. Wenham, “19.1% Efficient Silicon Solar Cell”, Appl. Phys. Lett., 44, 1163(1984).

[30] M.A. Green, A.W. Blakers and C.R. Osterwald, “Characterization of High-Efficiency Silicon Solar Cells”, J. Appl. Phys., 58, 4402 (1985).

[31] M.A. Green, A.W. Blakers, S.R. Wenham, S. Narayanan, M.R. Willison, M. Taouk and T. Szpitalak, “Improvements in Silicon Solar Cell Efficiency”, Proc. 18th IEEE PVSC, 39 (1985).

[32] A.W. Blakers and M.A. Green, “20.9% Efficiency Silicon Solar Cells”, Appl. Phys. Lett., 48, 215 (1986).

[33] M.A. Green, Z. Jianhua, A.W. Blakers, M. Taouk and S. Narayanan, “25% Efficient Low Resistivity Silicon Concentrator Solar Cells”, IEEE Elec. Dev. Lett., EDL-7, 583 (1986).

[34] A. Wang, J. Zhao and M.A. Green, “24% Efficient Silicon Solar Cells”, Appl. Phys. Lett., 57, 602 (1990).

[35] C.M. Chong, S.R. Wenham and M.A. Green, “High-Efficiency, Laser Grooved, Buried Contact Silicon Solar Cells”, Appl. Phys. Lett., 52, 407 (1988).

[36] A.K. Ghosh, C. Fishman and T. Feng, “Theory of the Electrical and Photovoltaic Properties of Polycrystalline Silicon”, J. Appl. Phys. 51, 44 (1980).

[37] Ishikawa, et al., Proc. 3rd High Efficiency Solar cell Workshop, Toyama, Japan, 24 (1992).

[38] G.E. Pike and C.H. Seager, “The DC Voltage Dependence of Semiconductor Grain-Boundary Resistance”, J. Appl. Phys., 50, 3414 (1979).

[39] P.H. Robinson and R.V. D’Aiello, “The Effect of Atomic Hydrogen Passivation on Polycrystalline Silicon Epitaxial Solar Cells”, Appl. Phys. Lett., 39, 63 (1981).

[40] D.S. Ginley and D.M. Haaland, “Observation of Grain Boundary Hydrogen in Polycrystalline Silicon with Fourier Transform Infrared Spectroscopy”, Appl. Phys. Lett., 39, 271 (1981).

[41] B.L. Sopori and S. Tsuo, “Hydrogen in Si: Diffusion and Defect Passivation”, Proc. 22nd IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Las Vegas, U.S.A., 833 (1991).

[42] T. Machida and T. Tsuji, “Efficiency Improvement in Polcrystalline Si Solar Cell with Grooved Surface”, Proc. 22nd IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Las Vegas, U.S.A., 1033 (1991).

[43] T. Warabisao, K. Matsukuma, S. Kokunai and H. Yagi, Proc. 11th European PVSEC (1992).

[44] A. Takayama, Proc. 3rd High Efficiency Solar cell Workshop, Toyama, Japan, 28 (1992).

[45] D. E. Carlson and C. R. Wronski, “Amorphous Silicon Solar Cell”, Appl. Phys. Lett., 28, 671(1976).

[46] D. E. Carlson and C. R. Wronski, “Amorphous Silicon Solar Cells”, U.S. Patent No. 4,064,521.

[47] D. E. Carlson, “Amorphous Silicon Solar cells”, IEEE Trans. Elec. Dev., ED-24, 449 (1977).

1-142

[48] Y. Hattori, D. Kruangam, K. Katoh, Y. Nitta, H. Okamoto and Y. Hamakawa, “Highly Conductive Wide Band Gap p-type a-SiC:H Prepared by ECR CVD and Its Application to High Efficiency a-Si Basis Solar Cell”, Proc. 19th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., New Orleans, U.S.A., 689 (1986).

[49] Y. Hattori, D. Kruangam, T. Toyama, H. Okamoto and Y. Hamakawa, “High Efficiency Amorphous Heterojunction Solar Cell Employing ECR CVD Produced p-type Microcrystalline SiC Film”, Technical Digest of 3th Int. Photovoltaic Science & Engineering Conf. (PVSEC-3), Tokyo, Japan, 171 (1987).

[50] D.Kruangam, P. Siamchai, W. Boonkosum and S. Panyakeow, “Integrated Type a-Si:H Solar Cells Having Simple Configurations”, Technical Digest of 7th Int. Photovoltaic Science and Engineering Conf. (PVSEC-7), Nagoya, Japan, 217 (1993).

[51] D. Kruangam and S. Panyakeow, “Study of Hydrogenated Amorphous Silicon for Optoelectronic Devices”, Proc. 2nd Regional Symp. Optoelectronics, Jakarta, Indonesia, 11 (1989).

[52] ดุสิต เครืองาม และคณะ, รายงานการวิจัยฉบับสมบูรณเรื่อง “เซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอน”, หองปฏิบัติการวิจัยสิ่งประดิษฐสารกึ่งตัวนํา ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย เสนอสํานักงานคณะกรรมการวิจัยแหงชาติ (1990) 181 หนา.

[53] ดุสิต เครืองาม และคณะฯ, รายงานการวิจัยฉบับสมบูรณ, เซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอน, หองปฏิบัติการวิจัยสิ่งประดิษฐสารกึ่งตัวนํา, ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา, คณะวิศวกรรมศาสตร, จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย เสนอศูนยเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกสและคอมพิวเตอรแหงชาติ (1993) 130 หนา.

[54] ดุสิต เครืองาม และคณะฯ, “เซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอน”, การประชุมวิชาการของเนคเทค ครั้งที่ 4, โรงแรมอโนมา, กรุงเทพมหานคร, 190 (1992).

[55] Y. Hamakawa, “Recent Advance in PV Technology”, The Japan Industrial Journal, 9, 10(1996).

[56] ดุสิต เครืองาม, “สถานภาพเทคโนโลยีและอุตสาหกรรมเซลลแสงอาทิตยในปจจุบัน”, วิศวกรรมสารป ที่ 42 เลมที่ 2, 65 (1989).

[57] H. Okamoto, Y. Nitta, T. Adachi and Y. Hamakawa, “Glow Discharge Produced Amorphous Silicon Solar Cells”, Surface Scince, 86, 486 (1979).

[58] Y. Hamakawa editor, Japan Annual Reviews in Electronics, Computers & Telecommunications (JARECT), Amorphous Semiconductor, North-Holland-OHM, 134 (1982).

[59] D. M. Pai and R. C. Enck, “Onsager Mechanism of Photogeneration in Amorphous Selenium”, Phys. Rev. Lett., 11, 5163 (1975).

[60] Y. Hamakawa and H. Okamoto, Report of Special Research Project on Amorphous material and Physics, 2, 196 (1980).

[61] I. Mort, A. Troup, M. Morgan, S. Grammatica, J. C. Knights and R. Lujan, “Geminate Recombination in a-Si:H”, Appl. Phys. Lett., 38, 277 (1981).

[62] J. Dresner, B. Goldstein and D. Szostak, “Diffusion Length of Holes in a-Si:H by the Surface Photovoltage Method”, Appl. Phys. Lett., 38, 998 (1981).

1-143

[63] R. S. Crandall, “Modeling of Thin Film Solar cells: Uniform Field Approximation”, J. Appl.

Phys., 54, 7176 (1983).

[64] M. Hack and M. Shur, “Physics of Amorphous Silicon p-i-n Solar cells”, J. Appl. Phys., 58, 997 (1985).

[65] R. J. Swartz, J. N. Park and G. B. Turner, “Numerical Modeling of a-Si:H Thin Solar cells”, Technical Digest of 4th PVSEC, Sydney, Australia, 607 (1989).

[66] M. Shur, W. Czubatyj and A. Madan, J. Non-Crystalline Solids, 35 & 36, 731 (1980).

[67] T. Yamaguchi, H. Okamoto, S. Nonomura and Y. Hamakawa, “Study of Drift Type Photovoltaic Effect in Amorphous Silicon p-i-n Junction Structure”, Proc. 2nd Photovoltaic Sci. & Eng. Conf., Tokyo (1980), and Jpn. J. Appl. Phys., 20-2, 191 (1981).

[68] H. Okamoto, T. Yamaguchi and Y. Hamakawa, “A Study of Geminate Recombination Process in Terms of p-i-n Basis Drift Type Photovoltaic Effects”, Proc. 15th Int. Conf. on the Physics of Semiconductors, Kyoto (1980), and J. Phys. Soc. Japan, 49A, 1213 (1980).

[69] Electrical Society of Japan, Solar Cell Handbook, 72 (1985).

[70] J. H. Thomas and A. Catalano, “AES and XPS Analysis of the a-Si:H/SnO2 Interface: Evidence of Plasma Induced Reaction”, Appl. Phys. Lett., 43, 101 (1983).

[71] C. Gianetti et al. “SnO2 Reduction by H-Bombardment and its Effects on SnO2/a-Si Interfaces”, J. Non-Cryst. Solid, 115, 204 (1989).

[72] A. Catalano, B. W. Faughnan and A. R. Moore, “Effects of Low Level Boron Doping of the ilayer Performance of a-SiC:H p-i-n Devices”, Solar Energy Materials, 13, 65 (1986).

[73] D. Kruangam, K. Hanaki, S. Nonomura, H. Okamoto and Y. Hamakawa, “Characterization of Undoped Microcrystalline Silicon for Solar Cell Application”, Technical Digest of Int. Photovoltaic Science & Engineering Conf. (PVSEC-1), Kobe, Japan, 437 (1984).

[74] A. Matsuda, “Formation Kinetics and Control of Microcrystalline in μc-Si:H From Glow Dischrage Plasma”, J. Non-Cryst. Solids, 59&60, 767 (1983).

[75] Y. Tawada, M. Kondo, H. Okamoto and Y. Hamakawa, “Hydrogenated Amorphous Silicon Carbide As a Window Material for High Efficiency a-Si Solar Cells”, Solar Energy Materials, 6, 299 (1982).

[76] Y. Tawada, M. Kondo, H. Okamoto and Y. Hamakawa, “a-SiC:H as a Window Material for High Efficiency a-Si Solar Cells”, Solar Energy Materials, 6, 299 (1982).

[77] Y. Hamakawa and Y. Tawada, “Valency Control of Glow Discharge Produced a-SiC:H and Its Application to Heterojunction Solar Cells”, Int. J. Solar Energy, 1, 125 (1982).

[78] Y. Kashima, S. Nonomura, H. Kida, K. Fukumoyo, H. Okamoto and Y. Hamakwa, “High Quality a-Si Film Produced by Horizontal Plasma Furnace”, J. Non-Crys. Solids, 59&60, 755 (1983).

[79] Y. Kuwano, “A New Integrated Type Amorphous Si Solar Cell”, Jpn. J. Appl. Phys., supplement 20-2, 213 (1981).

[80] Y. Hamakawa, chapter 3 in Current Topics in Photovoltaics, T. H. Coutt, editor, Academic Press, 111 (1985).

1-144

[81] D. Kruangam, W. Boonkosum and P. Siamchai, “Development of Amorphous Si:H High-Voltage Solar Cell Based upon p-i-n MultiLayered Structrues”, Proc. 16th Conf. on Electrical Engineering, King Mongkut Institute of Technology (Ladkrabang), Bangkok, 482 (1993).

[82] Y. Kuwano, M. Ohnishi, H. Nishiwaki, S. Tsuda, T. Fukatsu and H. Tarui, “Multi-Gap Amorphous Si Solar Cells Prepared by the Consecutive Seperated Reaction Chamber Method”, Proc. 16th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., New York, 1338 (1982).

[83] A. Catalano et al., “Research on Stable, High-Efficiency, Amorphous Silicon Multijunction Modules”, SERI/TP-214-4405 (1991).

[84] J. Yang and S. Guha, “High Efficiency Multijunction Solar Cells Using a-Si and a-SiGe Alloys”, Proc. 20th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., New York, 241 (1988).

[85] J. Yang, A. Banerjee and S. Guha, “An Amorphous Silicon Alloy Triple-Junction Solar Cell with 14.6% Initial and 13.0% Stable Efficiencies”, Proc. Materials Research Society, Vol. 467: Amorphous and Microcrystalline Silicon Technology, San Francisco, 693 (1997).

[86] S. Terazono, T. Ishihara and M. Aiga, “Amorphous SiGe Alloy Film and Its Application to High Efficiency Triple Junction Solar Cells”, Optoelectronics-Devices and Technologies-, 2, 115 (1987).

[87] S. R. Ovshinsky, “Roll to Roll Mass Production Process for a-Si Solar Cell Fabrication”, Technical Digest of 1st Int. Photovoltaic Science & Engineering Conf. (PVSEC-1), Kobe, 577 (1984).

[88] Y. Kuwano, H. Tarui, T. Takahama, M. Nishikuni, Y. Hishikawa, N. Nakamura, S. Tsuda, S. Nakano and M. Ohnishi, “High Effiency a-Si Solar Cell with a Superlattice Structure p-Layer and Stable a-Si Solar Cells with Reduced Si-H2 Bond Density”, J. Non-Crystalline Solids, 97&98, 289 (1987).

[89] S. Fujikake, H. Ohta, P. Sichanugrist, M. Ohsawa, Y. Ichikawa and H. Sakai, “a-SiO:H Films and Their Applications to Solar Cells”, Optoelectronics-Devices and Technologies-, 9, 379 (1994).

[90] Y. Kishi, H. Inoue, H. Tanaka, M. Morizane, H. Shibuya, M. Ohnishi and T. Yazaki, “Development of See-Through a-Si:H Solar Cell and Its Applications”, Technical Digest of 3rd Int. Photovoltaic Science & Engineering Conf. (PVSEC-3), Tokyo, Japan, 569 (1988).

[91] M. Yamaguchi and Y. Itoh, “Efficiency Considerations for Polycrystalline GaAs Thin-Film Solar Cells” J. Appl. Phys., 60, 413 (1986).

[92] L.C. Stuerke, Proc. 13th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., 551 (1978).

[93] T.J. Coutts and M. Yamaguchi, “Current Topics in Photovoltaics”, Vol. 3, J. Coutts and J.D. Meakin editors, Academic Press, 79 (1988).

[94] J.R. Tuttle, M. Contreras, D.S. Albin and R. Noufi, “Physical, Chemical and Structural Modifications to Thin Film CuInSe2 Based Phovoltaic Devices”, Proc. 22nd IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Las Vegas, U.S.A., 1062 (1991).

[95] D.A. Jenny, J.J. Loferski and P. Rappaport, “Photovoltaic Effect in GaAs p-n Junctions and

1-145

Solar Energy Conversion”, Phys. Rev., 101, 1208 (1956).

[96] J.C.C. Fan, C.O. Bozler and R.L. Chapman, “Simplified Fabrication of GaAs Homojunction Solar Cells with Increased Conversion Efficiencies”, Appl. Phys., 32, 390 (1978).

[97] J.M. Woodall and H.J. Hovel, “High Efficiency GaAlAs/GaAs Solar Cells”, Appl. Phys., 21, 379 (1972).

[98] S.R. Kurtz, J.M. Olson and A.E. Kibbler, Proc. 21st IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Orlando, U.S.A., 138 (1990).

[99] M. Yamaguchi, C. Uemura and A. Yamamoto, “Radiation Damage in InP Single Crystals and Solar Cells”, J. Appl. Phys., 55, 1429 (1984).

[100] S.M. Vernon and T.M. Dixon, “III-V Solar Cell Research at Spire Corporation”, Solar Cells, 27, 107 (1989).

[101] Y. Kadota, M. Yamaguchi, and Y. Ohmachi, “GaAs-on-Si Solar Cells”, Proc. of 4th Int. Photovoltaic Science and Engineering Conference (PVSEC-4), Australia, 873 (1989).

[102] J.A. Bragagnolo, A.M. Barnett, J.E. Philips, R.B. Hall, A. Rothwarf and J.D. Meakin, “The Design and Fabrication of Thin Film CdS/Cu2S Solar Cells of 9.15% Conversion Efficiency”, IEEE Trans. Electron Devices, ED-27, 645 (1980).

[103] N. Suyama, N. Ueno, K. Omura, and H. Takada, National Technology Report, Matsushita Techno-Research, 32, 667 (1986).

[104] M. Konagai, “Present Status and Perspectives of Thin Film Solar Cells”, 2nd ASEAN Renewable Energy Conf., Phuket, Thailand (1997).

[105] ดุสิต เครืองาม, “สถานภาพของเทคโนโลยีเซลลแสงอาทิตย”, วิศวกรรมสาร เลมที่ 2, 65 (1989).

[106] D. Kruangam, T. Endo, M. Deguchi, W.G. Pu, H. Okamoto and Y. Hamkawa, “Amorphous Silicon Carbide Thin Film Light Emitting Diodes”, Optoelectronics Devices and Technologies, 11, 67 (1986).

[107] Y. Hattori, D. Kruangam, K. Katoh, Y. Nitta, H. Okamoto and Y. Hamakawa, “HighlyConductive Wide Band Gap p-type a-SiC:H Prepared by ECR CVD and Its Application to High Efficiency a-Si Basis Solar Cells”, Proc. 19th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., New Orleans, U.S.A., 689 (1987).

[108] Y. Kuwano, M. Ohnishi, H. Nishiwaki, S. Tsuda, S. Fukatsu, T. Enomoto, K. Nakashima and H. Tarui, Proc. 16th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., New York, U.S.A., 1338 (1982).

[109] L.D. Partain editor, Solar Cells and Their Applications, John Wiley & Sons, New York, 173 (1995).

[110] Y. Hamakawa and Y. Kuwano editors, Solar Energy Engineering, chapter 6, Baifukan, Japan (1995).

[111] D. Kruangam, B. Ratwises, T. Sujaridchai and S. Panyakeow, “Novel Application of Amorphous Silicon Flexible Solar Cell as Battery Charger for Personal Mobile Telephone”, Proc.

9th Int. Photovoltaic Science and Engineering Conf., Japan, 829 (1996).

1-146