เทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าของแผงโซล่าเซลล์ในช่วง 18 เดือนที่ผ่านมา มีการพัฒนาขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยที่ผู้ผลิตรายต่างๆ ได้มีการเปิดตัวแผงโซลาร์เซลล์ที่มีการออกแบบและนวัตกรรมเซลล์ ขั้นสูงที่หลากหลายซึ่งช่วยทั้งในเรื่อง การเพิ่มประสิทธิภาพ ลดการเสื่อมสภาพ และ ปรับปรุงความน่าเชื่อถือของแผงโซล่าเซลล์ ในบทความนี้ เราจะอธิบายวิธีที่เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ใหม่เหล่านี้เพิ่มประสิทธิภาพ ปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวม และเพิ่มอายุการใช้งานของแผงโซลาร์เซลล์
จากการติดตามการพัฒนาประสิทธิภาพของโซล่าเซลล์มาอย่างต่อเนื่อง ปัจจุบันเราพบว่าแผงที่ดีที่สุด 20 อันดับแรก ล้วนแต่เป็นแผงที่มีประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นไฟฟ้าได้มากกว่า 20% ขึ้นไปทั้งสิ้น ซึ่งเทคโนโลยีการจัดเรียงเซลแสงอาทิตย์ใหม่ๆ ที่ผู้ผลิตแผงโซล่าเซลนำมาใช้อย่างแพร่หลาย ได้แก่
- IBC – Interdigitated Back Contact cells
- HJT – Heterojunction cells
- Gapless Cells – High-density cell construction
- Multi Busbar – Multi ribbon and micro-wire busbars
- Split cells – half-cut and 1/3 cut cells
- Shingled Cells – Multiple overlapping cells
นวัตกรรมเหล่านี้ได้เพิ่มประสิทธิภาพ ลดการเสื่อมสภาพ และ ปรับปรุงความน่าเชื่อถือของแผงโซล่าเซลล์ ทำให้ผู้ผลิตส่วนใหญ่สามารถขยายระยะเวลาการรับประกันผลิตภัณท์ (Product warrantee) เป็น 25 ปี และ การรับประกันประสิทธิภาพ (Performance guarantee) เป็นเวลา 25-30 ปีได้
แผงโซล่าเซลล์ที่มีประสิทธิภาพดีที่สุดในปัจจุบัน (Q1/2022) 20 อันดับแรกได้แก่
หมายเหตุ: กำลังการผลิตไฟฟ้าต่อแผงในตารางเป็นการเปรียบเทียบกันของแผง 60/66 เซลล์ (หรือ 120/132 เซลล์ กรณีเป็น half-cell) ซึ่งเป็นขนาดที่นิยมใช้ในงานติดตั้งตามบ้านเรือนในต่างประเทศ
IBC Cell Technology
รูปภาพแสดงเส้นตัวนำขนาดเล็กวางตัวอยู่ด้านหลังของเซลล์แสงอาทิตย์ Sunpower “Maxeon” ซึ่งเทคโนโลยี IBC จะใช้การวางเส้นตัวนำขนาดเล็กที่มากกว่า 30 ชุดเหล่านี้มาเป็นทางไหลของกระแสไฟฟ้าแทนที่ของ Busbar และ Ribbon ที่วางตัวอยู่ด้านหน้าของเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นการแก้ปัญหาการ Busbar บังและสะท้อนพลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างดี
นอกจากช่วยในการเพิ่มประสิทธิภาพการรับแสงที่ดีแล้ว IBC ยังช่วยเพิ่มความแข็งแรงของเซลล์แสงอาทิตย์ ลดการเกิดรอยแตกขนาดเล็ก (micro-cracking) ทำให้แผงมีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น
Heterojunction – HJT cells
เซลล์แสงอาทิตย์แบบ HJT ใช้เทคนิคการเพิ่มชั้นบางๆของ amorphous silicon ลงบนทั้งสองด้านของรอยต่อของสารกึ่งตัวนำ โดยชั้นของ amorphous silicon ที่เพิ่มขึ้นมานี้นั้น ช่วยลดการรวมตัวกลับของอิเลคตรอน (Recombination) ที่บริเวณ P-N junction ของเซลล์แสงอาทิตย์ เมื่ออิเลคตรอนที่เกิดขึ้นไม่มีการรวมตัวกลับและวิ่งผ่าน P-N junction ได้มากขึ้นก็หมายถึงพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้มากขึ้นนั่นเอง
ข้อดีอีกประการหนึ่งของ HJT คือการมีค่าสัมประสิทธิการลดลงของพลังงานไฟฟ้าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ต่ำกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ทั่วไป (ยิ่งต่ำยิ่งดี) โดยเซลล์แสงอาทิตย์แบบ mono crystalline ทั่วไปจะมีค่าสัมประสิทธิการลดลงของพลังงานอยู่ที่ 0.38% – 0.42% ส่วน HJT มีค่าสัมประสิทธิการลดลงอยู่ที่ 0.26% ทำให้แผงประเภท HJT เหมาะกับการใช้งานในพื้นที่ที่มีความเข้มของแสงแดดมากๆ
Gapless Cells – High-density cell construction
ในการเพิ่มประสิทธิภาพแผงให้มากยิ่งขึ้น ผู้ผลิตหลายรายเริ่มนำเทคนิคในการลดช่องว่างระหว่างเซลล์ ซึ่งโดยทั่วไปมาตรฐานอยู่ที่ประมาณ 2-3 มม. การลดช่องว่างระหว่างเซลล์ส่งผลให้พื้นที่ผิวแผงทั้งหมดสามารถดูดซับแสงแดดได้ และนำมาสร้างเป็นพลังงานไฟฟ้าซึ่งจะเพิ่มประสิทธิภาพแผงในภาพรวม เทคนิคนี้อาจดูเหมือนการปรับเปลี่ยนที่ค่อนข้างง่าย แต่การลดช่องว่างเป็นขนาดเล็กทำให้พื้นที่สำหรับบัสบาร์ที่จะงอและเชื่อมต่อเซลล์จากด้านหน้าของเซลล์หนึ่งไปยังด้านหลังของเซลล์ที่อยู่ติดกันทำได้ยากขึ้น
สำหรับบัสบาร์ขนาดใหญ่โดยทั่วไปจะต้องการระยะประมาณ 2 มม. สำหรับการงอ แต่การลดขนาดของบัสบารให้เป็นเส้นตัวนำที่เล็กและบางลง ประกอบกับการใช้เทคนิค multi-busbars ทำให้ช่วยลดระยะห่างที่ต้องการระหว่างเซลล์แสงอาทิตย์นี้ลงได้อย่างมาก
Multi Busbar – Multi ribbon and micro-wire busbars
บัสบาร์ในเซลล์แสงอาทิตย์เป็นวัสดุตัวนำเส้นเล็กๆ ที่เชื่อมต่อแต่ละเซลล์เข้าด้วยกัน และมองเห็นได้บนแผงโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่ บัสบาร์ทำหน้าที่หลักสองอย่าง คือการรวบรวมอิเล็กตรอนจาก Finger เล็กๆ บนพื้นผิวเซลล์ และเชื่อมต่อด้านหน้าของเซลล์กับด้านหลังของเซลล์ที่อยู่ติดกันเพื่อสร้างวงจรทั่วทั้งแผง และเนื่องจากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เซลล์แสงอาทิตย์ได้มีการพัฒนาให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น เซลล์จึงสร้างกระแสไฟมากขึ้น ผู้ผลิตส่วนใหญ่ได้เปลี่ยนจากบัสบาร์แบบมาตรฐาน 4 หรือ 5 บัสบาร์ เพิ่มขึ้นมาเป็น 6 หรือ 9 มัลติบัสบาร์ ซึ่งเซลล์รูปแบบที่ใหญ่กว่าของบางผู้ผลิต เช่น เซลล์ 210 มม. ที่พัฒนาโดย Trina Solar มี 12 บัสบาร์ ในขณะที่ REC Alpha มี 16 ไมโครบัสบาร์
ข้อดีอีกประการของเทคโนโลยี Multi-Busbar คือการลดการเกิดจุดความร้อน (hot spot) ในตัวเซลล์ ซึ่งเกิดจากรอยแตกขนาดเล็ก (micro-cracking) ที่อาจเกิดขึ้นเมื่อแผ่นโซล่าเซลล์ถูกกระทบ/กระแทกอย่างรุนแรง หรือมีการเหยียบบนแผง เนื่องจาก Multi-Busbar ช่วยเพิ่มเส้นทางการไหลของกระแสบนเซลล์ที่เกิดรอยแตกตามรูปด้านบน
Split cells – half-cut and 1/3 cut cells
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ผู้ผลิตชั้นนำส่วนใหญ่ได้เปลี่ยนไปใช้เซลล์แบบ half-cut หรือ half-size มากกว่าการใช้เซลล์สี่เหลี่ยมขนาดเต็มแบบดั้งเดิม เซลล์สี่เหลี่ยมจัตุรัสจะถูกตัดด้วยเลเซอร์ครึ่งหนึ่งและประกอบเป็นเซลล์สองกลุ่ม (บนและล่าง) ซึ่งทำงานร่วมกันแบบขนาน การจัดเซลล์แบบนี้มีประโยชน์หลายประการ รวมถึงประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากการสูญเสียความต้านทานที่ต่ำกว่าผ่านบัสบาร์ เนื่องจากเซลล์แต่ละกลุ่มทำงานที่แรงดันไฟฟ้าเท่ากันแต่กระแสไฟฟ้าลดลงครึ่งหนึ่ง กระแสไฟที่ต่ำกว่ายังส่งผลให้อุณหภูมิในการทำงานของเซลล์ลดลง ช่วยลดการก่อตัวและลดความรุนแรงของจุดความร้อนที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากการมีเงาบังเนื่องจากสิ่งสกปรก หรือมีความเสียหายของเซลล์
เมื่อไม่นานมานี้ ผู้ผลิตจำนวนหนึ่ง เช่น Trina Solar ได้เริ่มผลิตเซลล์สี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาดใหญ่พิเศษ 210 มม. ซึ่งสามารถตัดออกเป็นสามส่วนได้ ซึ่งเรียกว่า1/3 cut cell ซึ่งเซลล์รูปแบบขนาดใหญ่เหล่านี้ถูกนำไปใช้ในการผลิตแผงรุ่นใหม่ที่มีกำลังการผลิตไฟฟ้าสูงถึง 600W ต่อแผ่น
ข้อดีประการหนึ่งของแผงเซลล์แบบ Split cells คือเมื่อมีเงาบังบางส่วน หากส่วนบนหรือส่วนล่างของแผงถูกบังโดยเงา จะไม่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของแผงส่วนที่ไม่ได้โดนเงาบัง นี่เป็นเพราะสองส่วนของเซลล์เชื่อมต่อแบบขนานและทำหน้าที่เหมือนแผงเล็ก ๆ สองแผง ในระหว่างที่แผงถูกบังโดยเงาไปบางส่วน แรงดันไฟฟ้าจะยังคงอยู่และการสูญเสียกระแสไฟฟ้าจะลดลงเพียง 50% ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบดีมากขึ้น
Shingled Cells – Multiple overlapping cells
เซลล์แบบ Shingled เป็นเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่ ซึ่งใช้แถบเซลล์บางที่ทับซ้อนกันซึ่งสามารถประกอบในแนวนอนหรือแนวตั้งข้ามแผงได้ เซลล์แบบ Shingled สร้างขึ้นโดยการตัดเซลล์ขนาดเต็มปกติเป็น 5 หรือ 6 แถบ แล้วจัดวางเป็นชั้นๆ โดยใช้สารประกอบทำหน้าที่คล้ายกาวเป็นตัวยึดติดด้านหลัง การเหลื่อมกันเล็กน้อยของแต่ละแถบเซลล์จะซ่อนบัสบาร์เดียวที่เชื่อมต่อระหว่างแถบเซลล์ ซึ่งการออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์นี้จะทำให้เซลลครอบคลุมพื้นที่ผิวแผงมากขึ้น เนื่องจากไม่ต้องการการเชื่อมต่อบัสบาร์ด้านหน้าที่บังเซลล์บางส่วน ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพแผงเหมือนกับเซลล์ IBC ที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้
ข้อดีอีกประการของ Shingled cell ที่มีการวางเซลล์ขนาดเล็กซ้อนๆกัน (เหมือนการมุงหลังคา) และเชื่อมต่อแถวของ Shingled cell เหล่านี้เข้าด้วยกันแบบขนานคือการช่วยลดผลกระทบของการถูกบังโดยเงาได้เป็นอย่างดี เนื่องจากแต่ละเซลล์ทำงานแยกเป็นอิสระจากกัน นอกจากนี้ Shingled cell ยังมีราคาที่ค่อนข้างถูกในการผลิต (เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดประสิทธิภาพสูงประเภทอื่นๆที่กล่าวถึงมาก่อนหน้านี้) เทคโนโลยีนี้จึงเป็นตัวเลือกที่มีประสิทธิภาพสูงที่คุ้มค่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากเป็นพื้นที่ที่อาจมีการบังโดยเงาเกิดขึ้นบ่อยๆ
ปัจจุบันผู้ผลิตอย่าง Sunpower ได้ออกผลิตภัณท์ในรุ่น P series ซึ่งใช้เทคโนโลยี Shingled cell โดยแผงรุ่นดังกล่าวให้ความคุ้มค่าในด้านของประสิทธิภาพ การรับประกัน และเป็นที่นิยมมากในส่วนของงานโครงการขนาดใหญ่
อ้างอิง
https://www.cleanenergyreviews.info/blog/most-efficient-solar-panels
www.nexte.co.th/2021/08/12/sunpower-review-2021/
https://www.cleanenergyreviews.info/blog/2017/9/11/best-solar-panels-top-modules-review
