โซล่าเซลล์ชนิด N-type

2024-10-22 10:22:02 ใน Solarcell On Grid System » 0 45

จากบทความที่แล้วได้มีการพูดถึงการเปลี่ยนชนิดของเซลล์แสงอาทิตย์จากโซล่าเซลล์ชนิด  P-type เป็น โซล่าเซลล์ชนิด N-type ในแผง SunPower รุ่น P7 รวมถึงปัจจุบันผู้ผลิตแผงยี่ห้ออื่นๆ ก็เริ่มมีการนำแผง N-type มาขายในตลาดมากขึ้น ในบทความนี้ NextE จึงขอนำเสนอข้อมูลของเซลล์แสงอาทิตย์ขนิด N-type เปรียบเทียบกับ P-type ว่ามีหลักการทำงานรวมถึงข้อดี-ข้อเสียของเซลล์แสงอาทิตย์ทั้งสองแบบนี้

พัฒนาการด้านเทคโนโลยีการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์จาก P-Type เป็น N-Type

จากการติดตามเรื่องเทคโนโลยีของของแผงโซล่าเซลล์มาอย่างต่อเนื่อง NextE พบว่าในช่วง 2 ปีที่ผ่านมา แผงโซล่าเซลล์ ได้มีการเปลี่ยนแปลงในด้านเทคโนโลยีไปอย่างมากทั้งในส่วนของชนิดของสารกึ่งตัวนำที่มีการเปลี่ยนจาก P-Type ที่มีการเสื่อมสภาพของเซลล์ประมาณ 3% ในปีแรกและ 0.55% ในปีต่อๆไป เป็น N-Type ซึ่งมีอัตราการเสื่อมสภาพเหลือเพียงประมาณ 1% ในปีแรกและ 0.4% ในปีต่อๆไปเท่านั้น

ข้อแตกต่างหลักๆของเซลล์ชนิด P-Type และ N-Type คือธาตุที่มีการเติมเข้าไปในแผ่นซิลิคอนในระหว่างกระบวนการผลิตเซลล์ โดยส่วนใหญ่แล้วเซลล์ชนิด P-Type จะใช้ธาตุโบรอนเติมเข้าไปในกระบวนการผลิต โบรอนซึ่งจะมีอิเล็กตรอนน้อยว่า ซิลิคอน 1 ตัว ทำเกิดช่องว่างสำหรับรับอิเล็กตรอนได้ (หรือ “Hole” ซึ่งแสดงพฤติกรรมเป็นประจุบวก) จากนั้นจึงเติมฟอสฟอรัสเพื่อสร้างชั้นบนสุดของเซลล์ เนื่องจากฟอสฟอรัสมีอิเล็กตรอนมากกว่าซิลิคอน 1 ตัว ประจุลบจึงถูกสร้างขึ้นเป็นชั้นบนสุดของเซลล์ และอิเล็กตรอนในเซลล์นี้จะไหลจากบนลงล่าง เนื่องจากเซลล์ชนิดนี้จะเสมือนสร้างประจุไฟฟ้าบวก จึงเรียกเซลล์แสงอาทิตย์ขนิดนี้ว่า P-Type

ในทางกลับกัน เซลล์แสงอาทิตย์ประเภท N-type จะถูกเติมด้วยชั้นฟอสฟอรัสในชั้นฐาน และเมื่อฟอสฟอรัสมีอิเล็กตรอนมากกว่าซิลิคอน 1 ตัว ประจุลบจะถูกสร้างขึ้นในชั้นฐานของเซลล์ จากนั้นจึงเติมโบรอนเพื่อสร้างชั้นบนสุดของเซลล์ เนื่องจากโบรอนมีอิเล็กตรอนน้อยกว่าซิลิคอน 1 ตัว ประจุบวกจึงถูกสร้างขึ้นเป็นชั้นบนสุดของเซลล์ และอิเล็กตรอนในเซลล์นี้จะไหลจากล่างขึ้นบน การใช้ฟอสฟอรัสในเซลล์ชนิด N-Type ทำให้สามารถเลี่ยงปัญหาการเสื่อมสภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ที่เกิดจากปฏิกิริยาระหว่างโบรอนและออกซิเจน ส่งผลให้แผงชนิด N-Type ในการใช้งานจริง มีประสิทธิภาพที่สูงกว่า และเสื่อมสภาพช้ากว่า แผงชนิด P-Type

เซลล์ชนิด P-type และ N-type ไม่ได้มีความแตกต่างในกระบวนการผลิตมากนัก เนื่องจากใช้ Silicon เป็นวัสดุฐานเหมือนกัน แต่เซลล์ชนิด N-type มีข้อดีที่เหนือกว่า เซลล์ชนิด P-type ทำให้ผู้ผลิตแผงโซล่าเซลล์ต่างเร่งปรับปรุงกระบวนการผลิตและออกสินค้ารุ่นใหม่ๆเป็นแผงชนิด N-type กันมากขึ้น ผู้เชี่ยวชาญจาก International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) คาดการณ์ว่าส่วนแบ่งการตลาด N-type จะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 28% ในปี 2028

เซลล์ P-type กับเทคโนโลยี PERC (Passivated Emitter and Rear Contact)

เซลล์แสงอาทิตย์ PERC นั้นไม่แตกต่างกันมากกับการสร้างจากเซลล์แสงอาทิตย์แบบทั่วไป เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ทั้งสองชนิดใช้แผ่นซิลิคอนเพื่อสร้างการไหลของอิเล็กตรอนโดยใช้การแผ่รังสีแสงอาทิตย์และการผลิตโดยรวมของเซลล์ชนิดนี้จะคล้ายกันมาก ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเซลล์ PERC และ เซลล์แสงอาทิตย์ แบบ monocrystalline ทั่วไป คือการเพิ่มชั้น Passive layer ที่ผิวด้านหลังของเซลล์ซึ่งเป็นชั้นของวัสดุที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์จาก 3 ปัจจัยหลักๆ

1. การสะท้อนแสงจากด้านหลังของเซลล์

ชั้นฟิล์มเคลือบผิวด้านหลังช่วยสะท้อนแสงที่ผ่านเซลล์ซิลิกอนโดยไม่ถูกดูดซึมกลับเข้าไปในซิลิคอนทำให้เซลล์มีความสามารถในการดูดซับแสงได้เป็นครั้งที่สอง ทำให้เซลล์ทำงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

2. ลดการรวมตัวกันที่พื้นผิวด้านหลัง

การเพิ่มชั้นฟิล์มที่พื้นผิวด้านหลังช่วยลด“ การรวมตัวของอิเล็กตรอน (Electron Combination)” ซึ่งในโซล่าเซลล์ การรวมตัวของอิเล็กตรอนกับช่องว่าง (หรือ hole) เป็นแนวโน้มของอิเล็กตรอนที่จะรวมตัวกับช่องว่างในเซลล์แสงอาทิตย์โดยตรง ทำให้ลดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านขั้วบวก-ลบของโซล่าเซลล์ พลังงานที่ได้จากเซลล์ลดลง ประสิทธิภาพของเซลล์ลดลง ชั้นฟิล์มที่เพิ่มขึ้นที่ผิวด้านหลังช่วยให้อิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่เข้าสู่ขั้วบวก-ลบของโซล่าเซลล์ได้สะดวกขึ้น

3. ลดการดูดซึมความร้อน

ประโยชน์อีกประการของเซลล์แสงอาทิตย์ PERC คือการสะท้อนของความยาวคลื่นของแสง เพราะเมื่อเซลล์แสงอาทิตย์ถูกทำให้ร้อนพวกมันจะทำงานที่ประสิทธิภาพต่ำ ชั้นฟิล์มเคลือบผิวด้านหลังในเซลล์แสงอาทิตย์ PERC ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อสะท้อนแสงที่มีความยาวคลื่นมากกว่า 1,380 นาโนเมตร ลดพลังงานความร้อนในเซลล์แสงอาทิตย์และช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ

เซลล์ N-type กับเทคโนโลยี TOPcon (Tunnel Oxide Passivated Contact)

ในขณะที่เทคโนโลยี PERC ยังมีการใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตแผงโซล่าเซลล์ แต่ NextE คาดว่าในอีกไม่นาน เทคโนโลยี TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) จะเข้ามาเป็นเทคโนโลยีหลักโดยเฉพาะเมื่อเซลล์ชนิด N-Type เริ่มมีการผลิตและใช้งานอย่างแพร่หลาย แนวคิดของ TOPcon ถูกนำเสนอครั้งแรกในทศวรรษ 1980 โดยคณะของศาสตราจารย์ Martin Green ที่ UNSW อย่างไรก็ตาม มันไม่ได้รับความสนใจเท่าที่ควรในชุมชนการวิจัยมาเป็นเวลานาน แม้ว่า ผู้ผลิตอย่าง SunPower จะมีการใช้เทคโนโลยีนี้ไปแล้วตั้งแต่ปี 2010 แล้วก็ตาม

เวอร์ชั่นอุตสาหกรรมของเซลล์ TOPCon หรือที่เรียกกันว่า i-TOPCon ได้รับความสนใจมากขึ้น เนื่องจากเป็นการพัฒนาต่อยอดกระบวนการผลิตจากเซลล์ p-PERC ที่มีอยู่ในปัจจุบัน ทำให้ผู้ผลิตโซล่าเซลล์สามารถใช้ประโยชน์จากกระบวนการผลิตที่คล้ายคลึงกันกับเซลล์ PERC ดังนั้นสำหรับผู้ผลิตที่ผลิตเซลล์ PERC อยู่แล้ว จะมีขั้นตอนกระบวนการเพิ่มเติมเพียงไม่กี่ขั้นตอนเพื่อผลิตเซลล์ TOPcon ที่จะทำให้เซลล์มีประสิทธิภาพและประสิทธิผลมากขึ้น

เทคโนโลยี PERC แบบธรรมดามีขีดจำกัดประสิทธิภาพทางทฤษฎีประมาณ 24% ดังนั้น เพื่อพัฒนาประสิทธิภาพในขั้นต่อไป ผู้ผลิตจึงใช้ เทคโนโลยี TOPcon มากขึ้น โดยผู้ผลิตอย่าง LONGi ประกาศในปี 2564 ว่าได้เซลล์ที่มีประสิทธิภาพถึง 25.21% สำหรับเซลล์ TOPCon แบบ N-Type Bifacial และไม่กี่เดือนต่อมา ผู้ผลิตอย่าง JinkoSolar ก็สามารถสร้างเซลล์ที่มีประสิทธิภาพสูงถึง 25.4%

ข้อดีของเซลล์แสงอาทิตย์แบบ TOPcon

1. การเปลี่ยนแปลงกระบวนการผลิตทำได้ง่าย เนื่องจากเซลล์ TOPCon สามารถผลิตได้โดยใช้อุปกรณ์ที่คล้ายคลึงกันกับเซลล์ PERC การเปลี่ยนมาใช้เทคโนโลยีใหม่นี้จากสายการผลิต PERC ที่มีอยู่จึงเป็นไปอย่างราบรื่นและคุ้มค่า ต้นทุนที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยทำให้สามารถอัพเกรดเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ TOPCon ได้ง่าย ทำให้เป็นตัวเลือกที่มีประสิทธิภาพและมีประสิทธิภาพสำหรับผู้ผลิต
2. ประสิทธิภาพสูงขึ้น เซลล์แสงอาทิตย์แบบ TOPCon มีประสิทธิภาพประมาณ 28% ซึ่งสูงกว่าประสิทธิภาพของเซลล์ PERC ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 22% อย่างมาก
3. เพิ่มประสิทธิภาพในสภาวะแสงน้อย เซลล์แสงอาทิตย์แบบ TOPCon แสดงประสิทธิภาพที่สูงกว่าในสภาพแสงน้อย ทำให้เซลล์สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้แม้ในขณะที่แสงแดดมีจำกัด
4. ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในสภาพอากาศร้อนเซลล์แสงอาทิตย์แบบ TOPCon มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำกว่าเซลล์ทั่วไป (น้อยกว่า -0.30 %/°C) ช่วยให้แผง TOPCon มีประสิทธิภาพเหนือกว่าแผง PERC แบบโมโนในสภาพอากาศร้อนด้วยการสร้างพลังงานมากขึ้น
5. การผลิตพลังงานเพิ่มขึ้นตลอดช่วงอายุการใช้งาน เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์แบบ PERC เซลล์แสงอาทิตย์แบบ TOPCon แสดงให้เห็นการเสื่อมสภาพของพลังงานที่ต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญทั้งภายในปีแรกและตลอดอายุการใช้งานที่ขยายออกไป 25 ถึง 30 ปี ด้วยเหตุนี้ เซลล์แสงอาทิตย์แบบ TOPCon จึงผลิตพลังงานได้มากขึ้นอย่างต่อเนื่องตลอดอายุการใช้งาน
6. เพิ่มความสามารถในการรับแสงทั้งสองด้านเซลล์แสงอาทิตย์แบบ TOPCon มีความสามารถในการรับแสงแดดจากทั้งสองด้านสูงกว่าเซลล์ PERC โดยทั่วไปคือ 80-85% ซึ่งหมายความว่าเซลล์เหล่านี้สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้นจากด้านหลังเซลล์

สรุปเกี่ยวกับ โซล่าเซลล์ชนิด N-type

1. N-type TOPcon กำลังจะกลายมาเป็นมาตรฐานใหม่ของเซลล์แสงอาทิตย์แทนที่เซลล์แบบ P-type PERC
2. N-type TOPcon จะมีประสิทธิภาพสูงกว่า P-type PERC
3. N-type จะมีการเสื่อมสภาพของเซลล์ที่ต่ำกว่า P-type ทำให้ผลิตไฟฟ้าได้มากกว่าในระยะยาว
4. N-type ในช่วงแรกอาจจะมีราคาที่สูงกว่า P-type แต่ไฟที่ผลิตได้เพิ่มขึ้นเราพบว่ามีความคุ้มค่ามากกว่าการใช้โซล่าเซลล์แบบ P-type ในระยะยาว

Reference

1. https://www.springers.com.au/blog/solar-updates-1/n-type-solar-panels-vs-p-type-solar-panels-78
2. https://www.alternergy.co.uk/blog/post/topcon-solar-cells
3. https://www.nexte.co.th/2024/05/02/sunpower-p7