1-1

บทท่ี 1

ความรูพื้นฐานเกี่ยวกับ

เซลลแสงอาทิตย

เซลลแสงอาทิตยเปนสิ่งประดิษฐอิเล็กทรอนิกสท่ีสามารถแปลงพลังงานแสงใหเปนพลังงานไฟฟาได

ดวยปรากฏการณโฟโตโวลทาอิก เซลลแสงอาทิตยชนิดแรกไดแกเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกซิลิคอนซึ่งไดรับ

การพัฒนาขึ้นใน ค.ศ. 1954 การใชงานเซลลแสงอาทิตยเริ่มจากการใชงานในยานอวกาศใน ค.ศ. 1958

และเม่ือเกิดเหตุการณวิกฤตน้ํามันในตนทศวรรษท่ี 1970 เซลลแสงอาทิตยจึงเร่ิมไดรับความ สนใจ ในการใช

งานเปนแหลงพลังงานทดแทนบนพ้ืนโลก ปจจุบันเซลลแสงอาทิตยไดเขามามีบทบาทตอชีวิตความเปนอยูของ

มนุษยอยางใกลชิด ความตองการเซลลแสงอาทิตยในแตละปก็เพ่ิมขึ้นเรื่อยๆ อัตราการเติบโตการใชงานเซลล

แสงอาทิตยในชวง ค.ศ. 2002 – 2003 สูงถึง 30-40% เฉพาะใน ค.ศ. 2002 มีการติดตั้งใชงานเซลล

แสงอาทิตยสูงถึง 540 MW ทางดานตนทุนการผลิตก็ไดลดลงเหลือประมาณ 2-3 ดอลลารสหรัฐตอวัตตแลว

สําหรับในประเทศไทยจนถึง ค.ศ. 2003 มีการติดตั้งใชงานเซลลแสงอาทิตยรวมแลวประมาณ 6

MW และกําลังเพ่ิมขึ้นเรื่อยๆ ทุกป

ในบทนี้จะกลาวถึง ความรูพ้ืนฐานเก่ียวกับเซลลแสงอาทิตย ซึ่งไดแกโครงสรางและหลักการทํางาน

ของเซลลแสงอาทิตย หลักการใชงานพ้ืนฐานเซลลแสงอาทิตย และประโยชนของเซลลแสงอาทิตย

1.1 ความสําคัญของเซลลแสงอาทิตย

เซลลแสงอาทิตย (solar cell) เปนสิ่งประดิษฐออปโตอิเล็กทรอนิกสท่ีสรางจากสารก่ึงตัวนํา

สามารถเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย (หรือแสงจากหลอดไฟ) ใหเปนพลังงานไฟฟาไดโดยตรง ทันทีท่ีมีแสงตก

กระทบ เซลลแสงอาทิตยก็จะผลิตไฟฟาไดทันที และไฟฟาท่ีไดนั้นจะเปนไฟฟากระแสตรง (DC current)

เซลลแสงอาทิตยเปนแหลงพลังงานทดแทนชนิดหนึ่ง (renewable energy) ท่ีเปนท่ียอมรับกันท่ัวไปวา สะอาด

และไมสรางมลภาวะเปนพิษใดๆ ขณะใชงาน ไมทําลายสภาพแวดลอม เพียงแตติดตั้งเซลลแสงอาทิตยไวกลาง

แสงอาทิตย ก็สามารถใชงานไดทันที เซลลแสงอาทิตยทํางานไดโดยไมสรางเสียงรบกวนหรือการเคลื่อนไหว

และไมเคยปรากฏวามีการคัดคานการผลิตกระแสไฟฟาดวยเซลลแสงอาทิตย เนื่องจากเซลลแสงอาทิตยทํางาน

โดยใชพลังงานแสงอาทิตยเทานั้น จึงเปนการประหยัดน้ํามัน และสามารถผลิตกระแสไฟฟาไดจากแสงอาทิตย

ซึ่งเปนพลังงานท่ีมนุษยไดมาฟรีและมีไมสิ้นสุด อายุการใชงานของเซลลแสงอาทิตยยาวนานกวา 20 ป ดังนั้น

เม่ือลงทุนติดตั้งเซลลแสงอาทิตยในครั้งแรก ก็แทบจะไมมีคาใชจายเพ่ิมขึ้นอีกตอไป

การผลิตกระแสไฟฟาดวยเซลลแสงอาทิตยเปนหนึ่งในนโยบายการผลิตพลังงานทดแทนของประเทศ

ไทย และเม่ือเปรียบเทียบกับพลังงานทดแทนอ่ืนๆ ท่ีมีการคนควาในประเทศไทย เชน พลังงานลม พลังงาน

ความรอนใตพิภพ ปรากฏเปนท่ีเดนชัดวา เทคโนโลยีเซลลแสงอาทิตยถูกนํามาใชงานไดอยางประสบ

ความสําเร็จมากท่ีสุด เชน มีการใชในหมูบานชนบทหางไกลท่ีสายไฟฟาไปไมถึง ใชสูบน้ําบาดาลในพ้ืนท่ี

ทุรกันดาร ใชในระบบสื่อสารถายทอดสัญญาณโทรศัพท ใชในการทหาร ฯลฯ ใน ค.ศ. 1998 ไดมีโครงการ

สาธิตการติดตั้งเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานในเขตกรุงเทพมหานคร (solar houses) จํานวน 10 หลังอีก

ดวย เซลล-แสงอาทิตยท่ีติดตั้งแลวในประเทศไทยท้ังหมดในขณะน้ีมีกําลังไฟฟาเอาตพุตรวมประมาณ 3.7

1-2

MW หรือประมาณ 92,500 แผง (กําลังไฟฟาท่ีเซลลแสงอาทิตยหนึ่งแผงผลิตไดมีคาประมาณ 40-50 W

พลังงานแสงอาทิตยท่ีตกกระทบพ้ืนโลกเรามีมากมหาศาล รอยละ 99.98 ของพลังงานท่ีโลกเรา

ไดรับมาจากดวงอาทิตย สวนท่ีเหลือรอยละ 0.02 เปนพลังงานความรอนใตพิภพ ปริมาณพลังงานของ

แสงอาทิตยท่ีเดินทางมาสูโลกมีมากถึง 1.77×1014

kW ซึ่งมีมากกวาปริมาณพลังงานท่ีมนุษยตองการ

(3.8×108 kW) ถึงกวาลานเทา ดังนั้นถามนุษยใชพลังงานแสงอาทิตยโดยตรงนี้ใหเปนประโยชน ก็จะชวย

ประหยัดน้ํามันไปไดมาก

สําหรับในประเทศไทย บนพ้ืนท่ี 1 ตารางเมตร เราไดรับพลังงานแสงอาทิตยประมาณ 1,000 W

หรือเฉลี่ย 4-5 กิโลวัตต-ชั่วโมงตอตารางเมตรตอวัน (kWh/m2/day) ซึ่งมีความหมายวา ในวันหนึ่งๆ บน

พ้ืนท่ีเพียง 1 ตารางเมตรนั้น เราไดรับพลังงานแสงอาทิตย 1 kW เปนเวลานานถึง 4-5 ชั่วโมงนั่นเอง ถา

เซลลแสงอาทิตยมีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานเทากับ 15% ก็แสดงวา เซลลแสงอาทิตยท่ีมีพ้ืนท่ี 1

ตารางเมตร จะสามารถผลิตพลังงานไฟฟาได 150 W หรือเฉลี่ย 600-750 kWh/m2/day นั่นเอง

ในเชิงเปรียบเทียบ ในวันหนึ่งๆ ประเทศไทยเรามีความตองการพลังงานไฟฟาประมาณ 250 ลาน

kWh/day ดังนั้นถาเรามีพ้ืนท่ีประมาณ 1,500 ตารางกิโลเมตร (0.3% ของประเทศไทย) เราก็จะสามารถผลิต

พลังงานไฟฟาจากเซลลแสงอาทิตยไดเพียงพอกับความตองการท้ังประเทศ

1.2 หลักการทํางานพ้ืนฐานของเซลลแสงอาทิตย

รูปท่ี 1.1 แสดงโครงสรางและหลักการทํางานพ้ืนฐานของเซลลแสงอาทิตย โครงสรางของเซลล

แสงอาทิตยท่ีนิยมใชกันมากท่ีสุดไดแก รอยตอพีเอ็น (p-n) ของสารก่ึงตัวนํา และวัสดุสารก่ึงตัวนําท่ีราคาถูก

ท่ีสุดและมีมากท่ีสุดบนพ้ืนโลกไดแก ซิลิคอน ซึ่งถลุงไดจากแรควอตไซตหรือทราย และผานข้ันตอนการทําให

บริสุทธ์ิตลอดจนการทําใหเปนผลึก เซลลแสงอาทิตยหนึ่งแผนอาจมีรูปรางเปนแผนวงกลม (เสนผาน

ศูนยกลาง 5 นิ้ว) หรือแผนสี่เหลี่ยมจัตุรัส (ดานละ 5 นิ้ว) มีความหนา 200-400 μm (0.2-0.4 mm) และ

ตองนํามาแพรซึมสารเจือปนในเตาอุณหภูมิสูง (ประมาณ 1,000 °C) เพ่ือสรางรอยตอ p-n ท่ีมีความลึก

ประมาณ 0.3-0.5 μm ขั้วไฟฟาดานหลังเปนผิวสัมผัสโลหะเต็มแผน สวนข้ัวไฟฟาดานหนาท่ีรับแสงมีลักษณะ

เปนลายเสนคลายกางปลา

เม่ือมีแสงอาทิตยตกกระทบเซลลแสงอาทิตย จะเกิดการสรางพาหะนําไฟฟาชนิดประจุลบและประจุ

บวกขึ้นซึ่งไดแก อิเล็กตรอน และ โฮล โครงสรางรอยตอ p-n จะทําหนาท่ีสรางสนามไฟฟาภายในเซลล

แสงอาทิตยเพ่ือแยกอิเล็กตรอนใหไหลไปท่ีขั้วลบและแยกโฮลไหลไปท่ีขั้วบวก ดวยเหตุนี้ทําใหเกิด

แรงดันไฟฟาแบบกระแสตรงขึ้นท่ีขั้วท้ังสอง เม่ือเราตอเซลลแสงอาทิตยเขากับเคร่ืองใชไฟฟาชนิดกระแสตรง

(เชน หลอดแสงสวาง มอเตอรกระแสตรง ฯลฯ) ก็จะมีกระแสไฟฟาไหลในวงจร

รูปที่ 1.1 โครงสรางและหลักการทํางานพ้ืนฐานของเซลลแสงอาทิตย

1-3

เซลลแสงอาทิตยท่ีมีเสนผานศูนยกลาง 5 นิ้ว จะใหกระแสไฟฟาลัดวงจรประมาณ 3 A และให

แรงดันไฟฟาวงจรเปดประมาณ 0.5 V ถาตองการใหไดกระแสไฟฟามากๆ ทําไดโดยการนําเซลลแสงอาทิตย

หลายเซลลมาตอขนานกัน หรือถาตองการใหไดแรงดันไฟฟาสูงๆ ก็ทําไดโดยการนําเซลลแสงอาทิตยหลาย

เซลลมาตออนุกรมกัน เซลลแสงอาทิตยท่ีมีขายท่ัวไปจะถูกออกแบบใหอยูในกรอบอะลูมิเนียมสี่เหลี่ยมผืนผาซึ่ง

เรียกวา แผง หรือมอดูล (module) แผงเซลลแสงอาทิตยมีขนาดประมาณ 1.2 × 0.5 ตารางเมตร ภายใน 1

แผงจะมีเซลลแสงอาทิตยจํานวนมากตออนุกรมกัน (เชน 32-40 เซลล) เซลลแสงอาทิตยหนึ่งแผงให

แรงดันไฟฟาวงจรเปดประมาณ 16-20 V กระแสไฟฟาลัดวงจรประมาณ 3-4 A และใหกําลังไฟฟาประมาณ

40-50 W ในกรอบอะลูมิเนียมนี้จะออกแบบปดผนึกดานหนาดวยแผนกระจกใส และดานหลังปดผนึกดวย

วัสดุกันความชื้นและฝุนละอองไมใหเขาไปสูเซลลแสงอาทิตย

เนื่องจากกระแสไฟฟาท่ีไหลออกจากเซลลแสงอาทิตยเปนชนิดกระแสตรง ดังนั้นถาผูใชตองการนํา

เซลลแสงอาทิตยไปจายพลังงานไฟฟาใหกับอุปกรณไฟฟาชนิดกระแสสลับ ตองตอเซลลแสงอาทิตยเขากับ

อินเวอรเตอร (inverter) ซึ่งเปนอุปกรณแปลงกระแสไฟฟาจากกระแสตรงใหเปนกระแสสลับกอนท่ีจะตอเซลล

แสงอาทิตยเขากับอุปกรณไฟฟากระแสสลับดังกลาว

ปจจุบันเซลลแสงอาทิตยท่ีนิยมใชงานบนพ้ืนโลกมากท่ีสุดมี 3 ชนิดซึ่งไดแก เซลลแสงอาทิตยชนิด

ผลึกเดี่ยวซิลิคอน เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอน และเซลลแสงอาทิตยชนิดฟลมบางอะมอรฟสซิลิคอน

รูปท่ี 1.2 แสดงภาพถายตัวอยางเซลลแสงอาทิตยท้ัง 3 ชนิดนี้

รูปที่ 1.2 ภาพถายตัวอยางเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน เซลลแสงอาทิตยชนิด

ผลึกโพลีซิลิคอน และเซลลแสงอาทิตยชนิดฟลมบางอะมอรฟสซิลิคอน

1-4

1.3 ทฤษฎีพ้ืนฐานและหลักการทํางานของเซลลแสงอาทิตย

1.3.1 ผลตอบสนองเชิงสเปกตรัมและประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะ

เม่ือสองแสงอาทิตยเขาสูเซลลแสงอาทิตย คากระแสไฟฟาโฟโต (photocurrent) ท่ีเซลลแสงอาทิตย

จะผลิตได จะข้ึนกับลักษณะของสเปกตรัมของแสงอาทิตยและผลตอบสนองเชิงสเปกตรัมของเซลลแสงอาทิตย

ผลตอบสนองเชิงสเปกตรัม (spectral response) หมายถึง อัตราสวนของกระแสไฟฟาโฟโตลัดวงจร

Jsc(λ) ตอพลังงานแสง P(λ) ท่ีเซลลแสงอาทิตยไดรับ ซึ่งท้ัง Jsc(λ) และ P(λ) เปนฟงกชันของความยาวคล่ืน

ของแสงอาทิตย ผลตอบสนองเชิงสเปกตรัมมีหนวยเปนแอมแปร/วัตต (A/W) คําวา ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะ (collection efficiency) หมายถึงอัตราสวนของจํานวน

อิเล็กตรอนท่ีเซลลแสงอาทิตยผลิตตอจํานวนโฟตอนท่ีตกกระทบเซลลแสงอาทิตย ประสิทธิภาพการรวบรวม

พาหะเปนฟงกชันของความยาวคล่ืนแสงและมีนิยามอีก 2 ชนิดดังนี้

ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะภายใน (internal collection efficiency: ηin) หมายถึง ประสิทธิภาพ

การรวบรวมพาหะในกรณีท่ีสมมติวาผิวดานรับแสงของเซลลแสงอาทิตยไมมีการสะทอนแสง

ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะภายนอก (external collection efficiency: ηext) หมายถึง

ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะในกรณีท่ีผิวดานรับแสงของเซลลแสงอาทิตยมีการสะทอนแสง

ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะภายในและภายนอกดังกลาวเขียนเปนสูตรไดดังนี้ [1]

η λλλ

λλ λin

sc scJP

JqF R

( )( )

( )( )

( )[ ( )]= =

−1 (1.1)

η λ η λ λλ

λext inscR

J

qF( ) ( )[ ( )]

( )

( )= − =1 (1.2)

โดยท่ี R(λ) คือสัมประสิทธ์ิการสะทอนแสงท่ีผิวของเซลลแสงอาทิตย

F(λ) คือโฟตอนฟลักซ ซึ่งหมายถึงจํานวนโฟตอนตอหนวยพ้ืนท่ีและหนวยเวลาท่ีตกกระทบ

เซลลแสงอาทิตย

q คือประจุอิเล็กตรอน

โดยท่ัวไป ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะภายในจะมีคามากกวาประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะ

ภายนอกเสมอ และประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะท้ัง 2 ชนิดนี้จะมีคานอยกวาหนึ่งเสมอ ผลรวมท้ังหมดของ

ηext สามารถคํานวณไดจากสมการท่ี (1.2) คือ

ηλ

λextscJ

q F=∑∑

( )

( ) (1.3)

ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยรอยตอ p-n

เราจะลองพิจารณาประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยท่ีมีรอยตอ p-n โดย

กําหนดใหวาความหนาแนนของสารเจือปนในชั้น p และ n เทากัน รูปท่ี 1.3 แสดงโครงสรางของเซลล

แสงอาทิตยและแผนภาพของแถบพลังงาน ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะคํานวณไดโดยการแบงเซลล

แสงอาทิตยออกเปนชั้น n ชั้นปลอดพาหะ และชั้น p และคํานวณกระแสไฟฟาลัดวงจรไดโดยการแกสมการ

แพรกระจาย ซึ่งมีวิธีคํานวณดังตอไปน้ี

1-5

ในสถานะคงตัว (steady state) สมการตอเนื่องของพาหะขางนอยชนิดโฮลท่ีถูกผลิตโดยแสงในชั้น n

แสดงไดดังนี้

dJdx

p pq

g xh n no

h+

−− =

τ( ) 0 (1.4)

J q p E qDdpdxh h n h

n= −μ (1.5)

และสมการตอเนื่องของพาหะขางนอยชนิดอิเล็กตรอนท่ีถูกผลิตโดยแสงในชั้น p แสดงไดดังนี้

รูปที่ 1.3 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยและแผนภาพของแถบพลังงาน

dJ

dx

n n

qg xe p no

e−

−+ =

τ( ) 0 (1.6)

J q n E qDdndxe e p e

p= +μ (1.7)

โดยท่ี Je : กระแสไฟฟาของอิเล็กตรอนตอหนวยพ้ืนท่ี μe : ความคลองตัวของอิเล็กตรอน

Jh : กระแสไฟฟาของโฮลตอหนวยพ้ืนที μh : ความคลองตัวของโฮล

τe : อายุของอิเล็กตรอน τh : อายุของโฮล

np : จํานวนอิเล็กตรอนตอพ้ืนท่ีในชั้น p pn : จํานวนโฮลตอพ้ืนท่ีในชั้น n

De : สัมประสิทธ์ิการแพรซึมของอิเล็กตรอน Dh : สัมประสิทธ์ิการแพรซึมของโฮล

g(x) : อัตราการผลิตพาหะในหนึ่งวินาที (generation rate)

q : ประจุของอิเล็กตรอน 0 : สภาพสมดุลเชิงความรอน

E : สนามไฟฟา x : ตําแหนง

1-6

ในการแกสมการท่ี (1.4)~(1.7) นี้ เราจะกําหนดเงื่อนไขขอบ (boundary conditions) ดังนี้

p p qV kTn no= exp( / ) ณ x x j= (1.8)

n n qV kTp po= exp( / ) ณ x x wj= + (1.9)

S p p Ddp

dxp Eh n no h

nh n( )− = − μ ณ x = 0 (1.10)

S n n Ddndx

n Ee p po ep

e p( )− = − − μ ณ x H= (1.11)

โดยท่ี Se : ความเร็วในการรวมตัว (surface recombination velocity) ของอิเล็กตรอนท่ีผิวของ

เซลลแสงอาทิตย

Sh : ความเร็วในการรวมตัวของโฮลท่ีผิวของเซลลแสงอาทิตย

w : ความกวางของชั้นปลอดพาหะ

ในชั้นปลอดพาหะ จะมีศักยไฟฟาภายใน (built-in potential) ซึ่งเกิดจากประจุปริภูมิ (space

charge) แตในชั้น p และ n นั้นจะมีศักยไฟฟานอยมาก ถาเราไมพิจารณาศักยไฟฟาในชั้น p และ n เราจะ

เขียนสมการตอเนื่องในชั้น n โดยใชสมการท่ี (1.4) และ (1.5) ไดวา

Dd p

dxg x

p ph

n n noh

2

20+ −

−=( )

τ (1.12)

โดยท่ีอัตราการผลิตพาหะ g (x) มีคาเทากับ

g x F R x( ) ( ) exp( )= − −α α1 (1.13)

ผลเฉลยท่ัวไปของสมการท่ี (1.12) คือ

p p Ax

LB

xL

F R

Lxn no

h hh

h− = + −

−

−−cosh sinh

( )exp( )

α τ

αα

1

12 2 (1.14)

โดยท่ี Lh : ระยะทางแพรซึมของโฮล และ Lh = (Dh τh )½ α : สัมประสิทธ์ิการดูดกลืนแสง

R : สัมประสิทธ์ิการสะทอนแสง

สําหรับ A และ B คือ คาคงตัวซึ่งสามารถคํานวณไดโดยการกําหนดเงื่อนไขขอบ 2 กรณีดังนี้

1. ในบริเวณพรมแดนท่ีขอบของชั้นปลอดพาหะ ณ x = xj พาหะสวนเกิน (excess carriers) มี

จํานวนนอยมาก นั่นคือ

p pn no− = 0 ณ x x j= (1.15)

2. ท่ีบริเวณผิวดานหนาของเซลลแสงอาทิตย พาหะมีการรวมตัวกัน ดังนั้นจึงไดวา

1-7

Dd p p

dxS p ph

n noh n no

( )( )

−= − ณ x = 0 (1.16)

เม่ือกําหนดเงื่อนไขขอบ 2 ขอนี้ดังกลาวขางตนไดแลว เราจึงเขียนสมการท่ี (1.14) ไดวา

p pF R

Ln noh

h

− =−

−[

( )]

α τ

α

1

12 2

×

+−

+ − +

+

− −[

( ) sinh exp( )( sinh cosh )

sinh coshexp( )]

S L

DL

x x

Lx

S L

D

x

L

x

LS L

D

x

L

x

L

x

h h

hh

j

hj

h h

h h h

h h

h

j

h

j

h

α α

α (1.17)

ดังนั้น ณ ตําแหนง x = xj ซึ่งเปนบริเวณขอบของชั้นปลอดพาหะนั้น กระแสไฟฟาโฟโตของโฮล (Jh)

ท่ีผลิตไดในชั้น n จะมีคาเทากับ

J qDdp

dx

qF R L

Lh hn h

h

= − =−

−[

( )]

1

12 2

α

α

×

+ − − +

+

− −[

exp( )( cosh sinh )

sinh coshexp( )]

S L

DL x

S L

D

x

L

x

LS L

D

x

L

x

L

L x

h h

hh j

h h

h

j

h

j

h

h h

h

j

h

j

h

h j

α α

α α (1.18)

ในทํานองเดียวกันกระแสไฟฟาโฟโตของอิเล็กตรอน (Je) ท่ีผลิตไดในชั้น p จะคํานวณไดจากสมการ

ท่ี (1.6) และ (1.7) โดยกําหนดเงื่อนไขขอบวา

1) n np po− = 0 ณ x x wj= + (1.19)

2) −−

= −Dd n n

dxS n ne

p poe p po

( )( ) ณ x H= (1.20)

ผลการคํานวณจะไดวา Je มีคาดังนี้

J qDdn

dx

qF R L

Lx we e

p e

ej= =

−

−− +

(1 )exp[ ( )]

α

αα2 2 1

× −

′− − ′ +

′+ − ′

′+

′[

(cosh exp( )) sinh exp( )

sinh cosh]α

α α αL

S LeD

HL

HHL

L H

S LD

HL

HL

e

ee e e

e

e ee e e

(1.21)

โดยท่ี ′ = − +H H x wj( )

1-8

จากสมการท่ี (1.18) และ (1.21) เราไดขอมูลวา “กระแสไฟฟาโฟโตของโฮล (Jh) และของ

อิเล็กตรอน (Je ) มีคาแปรผันโดยตรงกับผลคูณของสัมประสิทธ์ิการดูดกลืนแสง (α ) และระยะทางแพรซึมของ

พาหะ (Le , Lh )”

ตอไปเราจะคํานวณหาคากระแสไฟฟาโฟโตท่ีผลิตในชั้นปลอดพาหะ พาหะท่ีถูกแสงกระตุนในชั้น

ปลอดพาหะนั้น จะถูกสนามไฟฟาภายในของรอยตอ p-n พัดพาใหไหลออกสูวงจรภายนอก พาหะเหลานี้จึง

ไมมีการรวมตัวกันในชั้นปลอดพาหะหรือรวมตัวกันนอยมาก กระแสไฟฟาท่ีไหลเชนนี้เรียกวา กระแสไฟฟาพัด

พา (drift current: Jdr) และมีคาเทากับ

J qF R x wdr j= − − − −( ) exp( )[ exp( )]1 1α α (1.22)

โดยท่ี w คือ ความหนาของชั้นปลอดพาหะและมีคาเทากับ

wq

V VN N

N Ns

da d

a d

= −+⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥

21 2

ε( )

/

(1.23)

โดยท่ี εs : คาคงตัวไดอิเล็กทริกของสารก่ึงตัวนํา

Na , Nd : ความหนาแนนของแอกเซ็ปเตอรและโดเนอรตามลําดับ

Vd : แรงดันไฟฟาภายในท่ีเกิดจากรอยตอ p-n

V : แรงดันไฟฟาไบแอส (ถามี)

ท้ังหมดนี้เราสรุปไดวา กระแสไฟฟาโฟโตลัดวงจรท่ีผลิตได ณ ความยาวคลื่นแสงใดๆ (Jsc (λ)) ใน

รอยตอ p-n จะเปนผลรวมของกระแสไฟฟาตางๆ ดังนี้

J J J Jsc h e dr( ) ( ) ( ) ( )λ λ λ λ= + + (1.24)

ηin และ ηext สามารถคํานวณไดจากสมการท่ี (1.1) และ (1.2) การคํานวณท่ีกลาวมาท้ังหมดใชใน

กรณีแสงอาทิตยสองเขาทางดานชั้น n ของเซลลแสงอาทิตย ถาแสงสองเขาทางดานชั้น p ก็คํานวณไดทํานอง

เดียวกัน เพียงแตเปลี่ยนตัวอักษรหอยในสมการตางๆ ท่ีกลาวมาแลว

รูปท่ี 1.4 แสดงตัวอยางผลการคํานวณประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยชนิด Si

รอยตอ p-n [2]

รูปที่ 1.4 ผลการคํานวณประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยชนิด Si รอยตอ p-n [2]

1-9

ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสรางชอตตกีแบรเรียร และ

MIS

รูปท่ี 1.5 (ก) และ (ข) แสดงโครงสรางและแผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยท่ีมี

โครงสรางชอตตกีแบรเรียร (Schottky barrier) และ MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) ตามลําดับ ใน

เซลลแสงอาทิตยท้ัง 2 ชนิดนี้ แสงอาทิตยสองเขาทางดานชั้นโลหะบางๆ และทะลุผานเขาสูชั้นสารก่ึงตัวนํา

ดังนั้นพาหะท่ีถูกแสงกระตุนจึงเกิดขึ้นในบริเวณชั้นปลอดพาหะและชั้นสารก่ึงตัวนํา

กระแสไฟฟาโฟโตท่ีผลิตในชั้นปลอดพาหะ จะมีคาเหมือนสมการท่ี (1.22) คือ

J qT F wdr = − −( ) ( )[ exp( )]λ λ α1 (1.25)

โดยท่ี T (λ) : สัมประสิทธ์ิการทะลุผานของแสงในชั้นโลหะหรือชั้นโลหะ/ฉนวน

w : ความหนาของชั้นปลอดพาหะ และมีคาเทากับ

wqN

V Vs

dd= −

⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥

21 2

ε( )

/

(1.26)

สารก่ึงตัวนําท่ีอยูในชั้นถัดไป จะผลิตกระแสไฟฟาโฟโตของโฮลซึ่งมีคา

รูปที่ 1.5 โครงสรางและแผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยท่ีมีโครงสราง

(ก) ชอตตกีแบรเรียร และ (ข) MIS (Metal-Insulator-Semiconductor)

JqF L

LT wh

h

h

=+

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ −

α

αλ α

1( ) exp( ) (1.27)

ท้ังนี้สมมติใหวา αLh >>1

ดังนั้นผลรวมของกระแสไฟฟาลัดวงจร Jsc (λ) จึงมีคาเทากับ

1-10

J J Jsc dr h( ) ( ) ( )λ λ λ= +

= − − + −+

T qF w wL

Lh

h

( ) ( )[ exp( ) exp( ) ]λ λ α αα

α1

1 (1.28)

ดังนั้น ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะ ηin (λ) จึงมีคาดังนี้

η λλ

λ λinscJ

qF T( )

( )

( ) ( )= (1.29)

รูปท่ี 1.6 แสดงผลการคํานวณประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะ (ηin) ของเซลลแสงอาทิตยท่ีมี โครง

สรางชอตตกีแบรเรียร จะเห็นไดวาผลกระทบจากการรวมตัวของพาหะท่ีบริเวณผิวดานหนามีนอย ดังนั้น

ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะ (ηin) ของเซลลแสงอาทิตยชนิดชอตตกีแบรเรียรจึงมีคามากกวากรณีของเซลล

แสงอาทิตยชนิดรอยตอ p-n [2]

รูปที่ 1.6 ผลการคํานวณประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยท่ีมีโครงสราง

ชอตตกีแบรเรียร

ประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโร

เซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอเฮเทโร (heterojunction solar cell) ไดแก เซลลแสงอาทิตยซึ่ง

ประกอบดวยสารก่ึงตัวนําท่ีมีชองวางพลังงานไมเทากันมาประกอบกันเปนรอยตอ p-n รูปท่ี 1.7 แสดง

ตัวอยางโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยซึ่งชองวางพลังงานของชั้น n กวางกวาชั้น p และแสงอาทิตยตกกระทบ

ดานชั้น n ในเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้ พาหะท่ีถูกผลิตในชั้นลึกคือชั้น p จะมีอิทธิพลตอประสิทธิภาพของเซลล

แสงอาทิตยมาก ถาแผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยมีลักษณะดังท่ีแสดงในรูปท่ี 1.7

กระแสไฟฟาของอิเล็กตรอนท่ีผลิตในชั้น p จะคํานวณไดจากสมการท่ี (1.6), (1.7), (1.19) และ (1.20)

โดยพิจารณาวาแสงบางสวนถูกดูดกลืนในชั้น n จึงไดวา

JqF x w w L R

Le

i e

e( )

( ) exp[ ( )] exp( ) ( )λ

λ α α α

α=

− + − −

−

1 1 2 2 2 2

22

22

1

1

1-11

× −

′− − ′ +

′+ − ′

′+

′[

(cosh exp( )) sinh exp( )

sinh cosh]α

α α α

2 2

22 2 2

2 2

22 2 2

L

S LD

HL

HHL

L H

S LD

HL

HL

e

e ee e e

e

e ee e e

(1.30)

ในท่ีนี้ ชั้นปลอดพาหะท่ีบริเวณรอยตอ p-n ถูกแบงเปนยาน w1 และ w2 และตัวเลขหอย 1 และ 2

หมายถึงปริมาณท่ีเก่ียวของกับยานท่ี 1 และ 2 ตามลําดับ

สําหรับคากระแสไฟฟาของโฮลท่ีถูกผลิตในชั้น n เหมือนกับสมการท่ี (1.18) เชนเดิม

สําหรับคากระแสไฟฟาพัดพา Jdr (λ) จะมีคาเทากับ Jw1 + Jw2 โดยท่ี Jw1 มีรูปเหมือนสมการท่ี

(1.22) และ Jw 2 ก็มีรูปเหมือนสมการท่ี (1.22) เชนกัน โดยแทนคา xj + w1 แทน xj

รูปที่ 1.7 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยท่ีชั้น n มีชองวางพลังงานกวางกวาชั้น p และ

แสงอาทิตยตกกระทบดานชั้น n

รูปที่ 1.8 ตัวอยางผลการคํานวณประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโร

ของ GaP-Si [2]

รูปท่ี 1.8 แสดงตัวอยางผลการคํานวณคาประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะของเซลลแสงอาทิตยรอยตอ

เฮเทโรของ GaP-Si [2]

1-12

1.3.2 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย

พารามิเตอรท่ีสําคัญท่ีใชอธิบายลักษณะสมบัติเอาตพุต (output characteristics) ของเซลลแสงอาทิตย

มีดังนี้

1) ประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (Energy conversion efficiency) คืออัตราสวนของกําลังไฟฟา

เอาตพุตสูงสุดตอพลังงานของแสงท่ีตกกระทบเซลลแสงอาทิตย อาจเรียกสั้นๆ วาประสิทธิภาพของเซลล

แสงอาทิตยและใชสัญลักษณวา η เขียนเปนสูตรไดวา

ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย = กําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด × 100%

พ้ืนท่ีรับแสง × กําลังของแสงท่ีตกกระทบเซลล

η = P W

Area m P Win

max ( )( ) ( )2 100%

×× (1.31)

2) กระแสไฟฟาลัดวงจร (Short Circuit Current)

ถาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยอยูในสภาพลัดวงจร เราเรียกกระแสไฟฟาท่ีไหลในวงจรวา

กระแสไฟฟาลัดวงจร (short circuit current: Isc)

รูปท่ี 1.9 แสดงวงจรสมมูลของเซลลแสงอาทิตยท่ัวไป ถาเซลลแสงอาทิตยไมถูกสองดวยแสง

ความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟามืด I และแรงดันไฟฟา V ของเซลลแสงอาทิตยในสภาพมืดจะมีรูป

เหมือนกับสมการของกระแสไฟฟาของไดโอด กลาวคือ

[ ]I I qV nkT= −0 1exp( / ) (1.32)

โดยท่ี I qAD p

L

D n

Lh n

h

e p

e0 = +

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ เรียกวา กระแสไฟฟายอนอ่ิมตัว และ n คือคาแฟกเตอรอุดมคติของไดโอด

ดังนั้นกระแสไฟฟา Iout ท่ีไหลออกสูวงจรภายนอกจะเทากับผลตางระหวางกระแสไฟฟามืด I และ

กระแสไฟฟาโฟโต Iph (=Isc) ดังนี้

I I Iout ph= − (1.33)

ในท่ีนี้ Iph (=Isc) คํานวณไดจากสมการท่ี (1.2) และถาให A คือพ้ืนท่ีรับแสง จะไดวา

I qA F dsc exto=

∞∫ ( ) ( )λ η λ λ (1.34)

ถาพิจารณาความตานทานภายในของเซลลแสงอาทิตยซึ่งไดแก ความตานทานอนุกรม Rs และความ

ตานทานชันต Rsh ดวย จะทําใหกระแสไฟฟาเอาตพุต Iout มีคาดังนี้

I Iq V IR

nkTV IR

RIout

s s

shph=

−⎡⎣⎢

⎤⎦⎥−

⎧⎨⎩

⎫⎬⎭+

−−0 1exp ( )

(1.33’)

1-13

รูปที่ 1.9 วงจรสมมูลของเซลลแสงอาทิตยท่ัวไป

3) แรงดันไฟฟาวงจรเปด (Open Circuit Voltage)

ถาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยอยูในสภาพวงจรเปด (open circuit) แรงดันไฟฟาท่ีวัดไดเรียกวา

แรงดันไฟฟาวงจรเปด (open circuit voltage: Voc) คา Voc คํานวณไดจากสมการท่ี (1.33) โดยแทนคา Iout

= 0 ดังนั้นจึงไดวา

VnkT

qIIocsc= +

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ln

01 (1.35)

รูปท่ี 1.10 แสดงตัวอยางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย จุดท่ีกราฟตัดแกน

แรงดันไฟฟาคือแรงดันไฟฟาวงจรเปด จุดท่ีกราฟตัดแกนกระแสไฟฟาคือกระแสไฟฟาลัดวงจร ในการใชงาน

เซลล-แสงอาทิตย กําลังไฟฟาสูงสุด Pmax (maximum power) ท่ีเราจะไดจากเซลลแสงอาทิตยจะเทากับพ้ืนท่ี

สี่เหลี่ยมผืนผาท่ีใหญท่ีสุดภายในกราฟลักษณะสมบัตินี้ซึ่งแสดงดวยเสนไขปลาในรูปท่ี 1.10 ถาให Vmax

(maximum voltage) และ Imax (maximum current) คือแรงดันไฟฟาสูงสุดและกระแสไฟฟาสูงสุดตามลําดับท่ี

จะใหกําลังไฟฟาสูงสุด ดังนั้น

Pmax = Vmax × Imax (1.36)

เราสามารถคํานวณหาคา Vmax ไดดวยการหาคาอนุพันธของ Pmax เทียบกับ Vmax และกําหนดให

∂

∂

P

Vmax

max

= 0 ผลลัพธคือ

รูปที่ 1.10 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยท่ัวไป

1-14

exp( )( ) ( )max maxqV

nkT

qV

nkT

I

Isc1 10

+ = + (1.37)

ดวยวิธีการคํานวณในทํานองเดียวกัน Imax จะมีคาเทากับ

II I

qV

nkTqV

nkT

sc

max

max

max

( )=

+

+

0

1 (1.37’)

สมการท่ี (1.37) และ (1.37’) ชี้ใหเราทราบวา Pmax จะมีคามากเม่ือ I0 มีคานอย (นั่นก็คือ ชองวาง

พลังงานของสารก่ึงตัวนําควรมีคากวางพอสมควร) และ n มีคานอย

4) ฟลลแฟกเตอร (Fill Factor)

เอาตพุตพารามิเตอรท่ีสําคัญอีกตัวหนึ่งคือ ฟลลแฟกเตอร (fill factor) เขียนยอวา FF นิยามของ

FF คืออัตราสวนของพ้ืนท่ีของ Vmax × Imax ตอพ้ืนท่ีของ Voc × Isc

และเขียนเปนสูตรไดวา

FFP

V I

V I

V Ioc sc oc sc

=×

=×

×max max max

(1.38)

= −−

−

V

V

qV nkT

qV nkToc oc

max max[exp( /

exp( / )]1

1

1 (1.39)

ถาความตานทานอนุกรม Rs ในเซลลแสงอาทิตยมีคานอย จะทําใหฟลลแฟกเตอร FF มีคามาก

ถาเราทราบคาพารามิเตอรตางๆ ดังกลาวขางตน เราจะสามารถคํานวณคาประสิทธิภาพของเซลล-

แสงอาทิตยไดดังนี้

η = × =×

=× ×

×PP

V IP

V I FFPin in

oc sc

in

max max max100% 100% (1.40)

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

∞

∞

∫

∫

F d

F hc d

ext( ) ( )

( )( / )

λ η λ λ

λ λ λ

0

0

(1.41)

ในปจจุบัน ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกซิลิคอนท่ีผลิตในภาคอุตสาหกรรมมี

คาประมาณ 12~19% พลังงานแสงท่ีตกกระทบเซลลแสงอาทิตยบางสวนถูกนําไปใชประโยฃน บางสวน

สูญเสีย

1-15

รูปที่ 1.11 แผนภูมิการสูญเสียพลังงานในเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน

ไมไดใชเปนประโยชน เชน แสงบางสวนสะทอนกลับ รูปท่ี 1.11 แสดงแผนภูมิการสูญเสียพลังงานในเซลล-

แสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนท่ัวไป เนื่องจากผลึกเดี่ยวซิลิคอนมีชองวางพลังงานเทากับ 1.1 eV ดังนั้น

แสงท่ีมีพลังงานโฟตอนมากกวา 1.1 eV จึงจะถูกดูดกลืนและเกิดการผลิตคูของอิเล็กตรอนและโฮล ผลการ

คํานวณประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนคือ 25 %

ตัวอยางท่ี 1 เซลลแสงอาทิตยชนิด Si รอยตอ p-n มีพ้ืนท่ี 4 cm2 และมีพารามิเตอรตอไปน้ี

(ท่ี 300 K) ความเขมขนของสารเจือปนในชั้น n Nd = 1018

cm-3

ความเขมขนของสารเจือปนในชั้น p Na = 3 × 1017

cm-3

สัมประสิทธ์ิการแพรซึมของอิเล็กตรอน De = 15 cm2/sec

สัมประสิทธ์ิการแพรซึมของโฮล Dh = 7.5 cm2/sec

เวลาอายุพาหะขางนอยชนิดอิเล็กตรอน τe = 10-7

sec

เวลาอายุพาหะขางนอยชนิดโฮล τh = 10-7

sec

กระแสไฟฟาเอาตพุตลัดวงจร Jsc = 1.0 A

แฟกเตอรอุดมคติของไดโอด n = 1.25

จงหาคาแรงดันไฟฟาวงจรเปดโดยใชพารามิเตอรขางตน และถาใหฟลลแฟกเตอรเทากับ 0.75 จง

หาคากําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด

วิธีทํา I eAD p

L

D n

Lh n

h

e p

e0 = +

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

( ) ( ) ( ) ( )( )

( ) ( )( )= × ×

×

×+

×

×

⎛

⎝

⎜⎜

⎞

⎠

⎟⎟

−−

−

−

−16 10 4

7.5 2.25 10

2.73 10

15 7.5 10

1 22 1019 2

2 2 3

3

2 2 3

3.

/

.C cm

cm s cm

cm

cm s cm

cm

= × −6 3 10 12. A

Vn k T

e

I

IocB sc= +

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ln

0

1 ( ) ( )=×

+⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟−125 0 026

10

6 3 10112. . ln

.

.V = 0 84. V

( ) ( ) ( )P I V FF A Vsc ocmax . . .= × × = 1 0 0 84 0 75 = 0 63. W

1-16

ตัวอยางท่ี 2 เซลลแสงอาทิตยมีลักษณะเปนแผนวงกลมรัศมี r = 6 cm มีพารามิเตอรตอไปน้ี

I0 = 10-12

A, Isc = 3.0 A, Voc = 0.7 V, Vmax = 0.55 V, Imax = 2.85 A, วัดท่ีกําลังแสงอินพุต =

100 mW/cm2 จงหาคาฟลลแฟกเตอรและประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย

วิธีทํา พ้ืนท่ีรับแสงอาทิตย A r cm= =π 2 2113

ฟลลแฟกเตอร FFV I

V Ioc sc

=×

×

max max =

×

×

0 55 2.85

0 7 3 0

.

. .

V A

V A = 74%

ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย

η =P

Pin

max =×

×

0 55 2.85

113 012 2

.

. /

V A

cm W cm = 138%.

หรือ η =× ×V I FF

Poc sc

in

=× ×

×

0 7 3 0 0 74

113 012 2

. . .

. /

V A

cm W cm= 138%.

ตัวอยางท่ี 3 เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยว Si มีพ้ืนท่ี 113 cm2 ประสิทธิภาพ η = 15.0 %

วัดท่ีความเขมแสงอาทิตย 100 mW/cm2 จงคํานวณวาเซลลแสงอาทิตยนี้จะใหกําลังไฟฟาสูงสุดเทาไร

วิธีทํา η =p

Pin

max

∴ = × = × ×P P cm W cminmax . . /η 0 15 113 012 2 = 1 67. W

1.3.3 ทฤษฎีเกี่ยวกับเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโร

รอยตอท่ีเกิดจากการนําสารก่ึงตัวนําตางชนิดกันมาตอกันเรียกวา รอยตอเฮเทโร (heterojunction)

และถาสารก่ึงตัวนําท้ังสองชนิดนั้นมีพาหะชนิดเดียวกัน เชน รอยตอ n-n และ p-p เรียกวา รอยตอชนิดไอโซ

รูปที่ 1.12 แผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยรอยตอของ

p-Ga1-x

AlxAs/p-GaAs/n-GaAs

(isotype junction) ถาสารก่ึงตัวนําท้ังสองชนิดนั้นมีพาหะตางชนิดกัน เชน รอยตอ p-n และ รอยตอ n-p

เรียกวา รอยตอชนิดแอนไอโซ (anisotype junction)

1-17

รอยตอชนิดไอโซมีความสําคัญตอเซลลแสงอาทิตยชนิดเฮเทโรมาก รูปท่ี 1.12 แสดงตัวอยาง

แผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยรอยตอของ p-Ga1-x

AlxAs/p-GaAs/n-GaAs ถาไมมีชั้น

หนาตางของ p-Ga1-x

AlxAs ในเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้ อัตราการรวมตัวของอิเล็กตรอนท่ีผิวของ p-GaAs จะ

สูงมากกวา 106 cm/s ทําใหอิเล็กตรอนท่ีเกิดจากแสงจํานวนมากสูญเสียดวยการรวมตัวท่ีผิวของ p-GaAs

และไมสามารถไหลไปสูชั้น n-GaAs หรือออกสูวงจรภายนอกได

แตถาเราปลูกชั้น p-Ga1-x

AlxAs ทับชั้น p-GaAs จะทําใหอัตราการรวมตัวของอิเล็กตรอนท่ีผิวของ

p-GaAs ลดลงตํ่ากวา 104 cm/s และชั้น p-Ga

1-xAl

xAs ยังชวยทําใหเกิดกําแพงศักยสะทอน (ΔEc) และทําให

อิเล็กตรอนไหลไปทางชั้น n-GaAs ไดมากขึ้นอีกดวย ดังนั้นประสิทธิภาพการรวบรวมพาหะจึงมีคาสูงข้ึน คา

คงตัวแลตทิซ (lattice constant) ของ p-GaAlAs มีคาใกลเคียงกับ p- หรือ n-GaAs มากดังแสดงในตารางท่ี

1.1

ตารางที่ 1.1 ความไมเขาคูของแลตทิซและความไมตอเนื่องของแถบพลังงานของสารก่ึงตัวนําท่ีใช

ประดิษฐเปนเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโรชนิดแอนไอโซ

สารกึ่งตัวนํา ความไมเขาคูของแลตทิซ

(%)

ความไมตอเน่ืองของ

แถบพลังงาน

p-Ga0.4

Al0.6

As/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

ชองวางพลังงานของ Ga1-x

AlxAs จะข้ึนอยูกับอัตราสวนผสมของ Al เชน ถา x = 0.7 ชองวาง

พลังงานจะมีคาประมาณ 2.5 eV ซึ่งแสงผานไดดี ดังนั้นถาเพ่ิมความหนาใหเปนประมาณ 10 μm จะชวยลด

ความตานทานแผน (sheet resistance) ของชั้น Ga1-x

AlxAs ลงได

เซลลแสงอาทิตยชนิดแอนไอโซ (anisotype) ไดแกเซลลแสงอาทิตยท่ีประกอบดวยสารก่ึงตัวนําชนิด

n (หรือ p) เปนตัวดูดกลืนแสง โดยมีสารก่ึงตัวนําชนิด p (หรือ n) ท่ีมีชองวางพลังงานกวางกวาเคลือบอยู

ดานหนา ตารางท่ี 1.1 แสดงตัวอยางเซลลแสงอาทิตยชนิดแอนไอโซท่ีประกอบดวยสารก่ึงตัวนําชนิดตางๆ ใน

ตารางน้ีไดแสดงคาความไมเขาคูของแลตทิซ (lattice mismatch) และความไมตอเนื่องของแถบพลังงาน (band

discontinuity) ไวดวย นิยามของ “ความไมเขาคูของแลตทิซ” คือ คาความแตกตางของคาคงตัวแลตทิซของ

สารก่ึงตัวนํา 2 ชนิดท่ีนํามาตอกัน [3]

ในเซลลแสงอาทิตยชนิดแอนไอโซ แสงอาทิตยสามารถทะลุผานชั้นสารก่ึงตัวนําท่ีมีชองวางพลังงาน

ดานหนาท่ีกวาง (เรียกวา ชั้นหนาตาง) ไดโดยถูกดูดกลืนนอยมาก

แสงท่ีเล็ดลอดผานชั้นหนาตางไปได จะถูกดูดกลืนในชั้นถัดไปซึ่งคูของอิเล็กตรอนและโฮลจะถูกผลิต

ในชั้นนี้ ผลตอบสนองแสงของเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้จะมีคาสูงในชวงพลังงานโฟตอนท่ีครอบคลุมชองวาง

พลังงานของสารก่ึงตัวนําท้ัง 2 ชั้นนี้ ความตานทานแผน (sheet resistance) ของชั้นหนาตางสามารถลดลงได

โดยการปลูกชั้นหนาตางใหหนา ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้สูงมาก และชั้นหนาตางนี้ยังชวยทํา

หนาท่ีเปนชั้นปองกันรังสีตางๆ ได จึงนิยมใชในงานดานอวกาศ เชน ใชเปนแหลงกําเนิดพลังงานไฟฟาของ

อุปกรณตางๆ ในดาวเทียม

ในการออกแบบเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอแอนไอโซเฮเทโร (anisotype heterojunction) สิ่งท่ี

สําคัญอันดับแรกไดแก การเลือกขนาดชองวางพลังงานของสารก่ึงตัวนําท้ัง 2 ชั้นใหมีผลตอบสนองทางแสง

ใกลเคียงกับสเปกตรัมของแสงอาทิตยใหมากท่ีสุด

1-18

โฟตอนฟลักซ (photon flux) Φ( )x ตอหนวยเวลาตอพ้ืนท่ีในสารก่ึงตัวนําชั้นท่ี 2 ณ จุดท่ีมีระยะหาง

จากรอยตอเชื่อมเฮเทโร (heterointerface) เทากับ x มีคาเทากับ

Φ Φ( ) exp( ) exp( )x x x j= − −0 2 1α α (1.42)

โดยท่ี Φ0 : โฟตอนฟลักซท่ีตกกระทบผิวเซลลแสงอาทิตย

α1, α2, : สัมประสิทธ์ิการดูดกลืนแสง ณ ความยาวคลื่น λ ของสารก่ึงตัวนําชั้นท่ีหนึ่งและชั้นท่ี

สอง

xj : ความหนาของสารก่ึงตัวนําชั้นหนาตาง

ถาใหประสิทธิภาพควอนตัม (quantum efficiency) ในการผลิตคูอิเล็กตรอนและโฮลเทากับ 1

จํานวนคูของอิเล็กตรอนและโฮลท่ีถูกผลิต ณ ตําแหนง x จะมีคาเทากับ

G xddx

( ) = −Φ

(1.43)

ดังนั้นกระแสไฟฟาโฟโตลัดวงจรจึงแสดงไดวา

J q Gx

Ldx= −

∞

∫ exp( )0

=+

−qL

Lx jΦ0

22

11αα

αexp( ) (1.44)

โดยท่ี L คือ ระยะทางแพรซึม (diffusion length) ของพาหะขางนอยในสารก่ึงตัวนําชั้นท่ีสอง

ในการคํานวณขางตนเราสมมติวา กระแสไฟฟาโฟโตไมไดผลิตในชั้นหนาตาง รูปท่ี 1.13 แสดง

ตัวอยางสเปกตรัมผลตอบสนองของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโรชนิด n-CdS/p-InP ในชวงโฟตอนท่ีมีคา

ระหวาง Eg1 และ Eg2 ผลตอบสนองลดนอยลงเม่ือความยาวคลื่นแสงยาวข้ึน ท้ังนี้เพราะเม่ือความยาวคลื่น

แสงยาวขึ้น คา α2 จะลดลง และเม่ือ α2 มีคาลดลง จากสมการท่ี (1.43) คา J ก็จะลดลงดวย แตสําหรับกรณี

รอยตอ p-n ชนิดโฮโม สเปกตรัมชวงท่ีความยาวคลื่นแสงยาว ผลตอบสนองจะเพ่ิมขึ้น ดังนั้นผลตอบสนอง

ในชวงความยาวคล่ืนสั้นของรอยตอเฮเทโรจึงดีกวากรณีรอยตอโฮโม [4]

ในการพิจารณาขางตนท้ังหมดเราไดสมมติวา สารก่ึงตัวนําชั้นท่ี 2 มีความหนามากเปนอนันตและ

ความหนาของชั้นปลอดพาหะมีคานอยกวาระยะทางแพรซึมของพาหะนอย ขอสมมตินี้ไมสามารถใชไดกับ

เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีหรืออะมอรฟสซึ่งมีคาระยะทางแพรซึมของพาหะสั้นมาก

รูปท่ี 1.14 แสดงแผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอแอนไอโซเฮเทโร

(anisotype heterojunction) ของ n-CdS/p-InP Anderson ไดพบวาความไมตอเนื่องของแถบพลังงาน

(band discontinuity) ของแถบคอนดักชัน ΔEc และของแถบเวเลนซ ΔEv แสดงไดดังนี้ [5]

ΔEc = −χ χ1 2 (1.45)

Δ ΔE E E Ev g g c= − −1 2 (1.46)

1-19

โดยท่ี χ1 และ χ2 คืออิเล็กตรอนแอฟฟนิตี (electron affinity) ของ n-CdS และ p-InP ตามลําดับ

ในรูปนี้ ΔEc มีคาเปนบวก ดังนั้นอิเล็กตรอนท่ีถูกผลิตในชั้น p-InP สามารถไหลลงสูชั้น n-CdS ได

เปนผลใหเกิดกระแสไฟฟาโฟโตได แตถา ΔEc ≤ -kT จะเกิดยอดแหลม (spike) ขึ้นท่ีรอยตอของ แถบ

คอนดักชัน ทําใหอิเล็กตรอนถูกกักไมใหเคลื่อนท่ีซึ่งจะสงผลทําใหกระแสไฟฟาโฟโตมีคาลดนอยลง

ในทํานองเดียวกัน ในรอยตอ p-n แบบเฮเทโร ถา ΔEv ≤ -kT ก็จะเกิดยอดแหลมขึ้นท่ีรอยตอของ

แถบเวเลนซ ทําใหโฮลท่ีถูกผลิตในชั้นท่ี 2 (n) ถูกกักไมใหเคลื่อนท่ี

รูปที่ 1.13 สเปกตรัมผลตอบสนองของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโรชนิด n-CdS/p-InP

รูปที่ 1.14 แผนภาพของแถบพลังงานของของเซลลแสงอาทิตยชนิดแอนไอโซเฮเทโรของ n-Cds-pInP

อยางไรก็ตามตองระวังอีกดวยวา ในเซลลแสงอาทิตยรอยตอ n-p ถา ΔEc มีคามากกวา kT มาก

หรือในเซลลแสงอาทิตยรอยตอ p-n ถา ΔEv มีคามากกวา kT มาก จะทําใหแรงดันไฟฟาภายใน VB ลดลง

ตามสูตรดังนี้ [5]

V E EB c g= − + − −Δ 2 1 2δ δ กรณีรอยตอ n-p (1.47)

V E EB v g= − + − −Δ 2 1 2δ δ กรณีรอยตอ p-n (1.48)

โดยท่ี δ1 : ความแตกตางของระดับพลังงานของแถบคอนดักชันและระดับพลังงานเฟรมีของสารก่ึงตัวนํา

1-20

ชนิด n (ชั้นท่ี 1)

δ2 : ความแตกตางของระดับพลังงานของแถบเวเลนซและระดับพลังงานเฟรมีของสารก่ึงตัวนํา

ชนิด p (ชั้นท่ี 2)

โดยสรุปแลว ในเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอเฮเทโรนั้น ΔEc และ ΔEv ควรมีคาดังนี้

ΔE kTc ≤ กรณีรอยตอ n-p (1.49)

ΔE kTv ≤ กรณีรอยตอ p-n (1.50)

ตารางท่ี 1.1 แสดงคา ΔEc , ΔEv ของรอยตอชนิดตางๆ [6-7]

ลักษณะความสัมพันธระหวางแรงดันและกระแสไฟฟาของรอยตอเฮเทโรในท่ีมืดมีอิทธิพลตอคา Voc

และ FF ของเซลลแสงอาทิตยมาก ตอไปจะอธิบายยอๆ เก่ียวกับกระบวนการขนสงพาหะในรอยตอเฮเทโร

ซึ่งมีดวยกันหลายชนิด เชน กระบวนการขนสงโดยอาศัยความรอนชวย กระบวนการรวมตัวของพาหะในชั้น

ปลอดพาหะ และกระบวนการทะลุอุโมงค (tunneling) ผานกําแพงศักย

ในเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโรซึ่งแถบพลังงานไมมียอดแหลมดังท่ีแสดงในรูปท่ี 1.14 นั้น

อิเล็กตรอนจะเปนพาหะสวนใหญท่ีกอใหเกิดกระแสไฟฟา ท้ังนี้เพราะวากําแพงศักย (barrier) ของอิเล็กตรอน

นั้นตํ่ากวากําแพงศักยของโฮลมาก ถากระแสรวมตัว (recombination current) ในยานปลอดพาหะมีคานอย

มาก กระแสไฟฟามืดจะแสดงไดวา

J qXND

D de

e

= 12

2τ exp[

( )]−

− −q E

kTg2 1 2δ δ

× −[exp( ) ]qV

kT1 (1.51)

โดยท่ี X : สัมประสิทธ์ิซึ่งแสดงความสามารถในการทะลุผานรอยตอของอิเล็กตรอน

Nd1 : ความหนาแนนของโดเนอรในสารก่ึงตัวนําชนิด n (ชั้นท่ี 1)

V : แรงดันไฟฟาท่ีปอนใหเซลลแสงอาทิตยแบบไบแอสตาม

De2, τe2 : สัมประสิทธ์ิการแพรซึมและอายุของอิเล็กตรอนตามลําดับในสารก่ึงตัวนําชนิด p

(ชั้นท่ี 2)

สมการท่ี (1.51) นี้มีรูปเดียวกับลักษณะความสัมพันธของกระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาในเซลล-

แสงอาทิตยรอยตอ n-p แบบโฮโมซึ่งความหนาแนนของโดเนอรสูงกวาความหนาแนนของแอกเซ็ปเตอร

ผลการทดลองจริงของเซลลแสงอาทิตยรอยตอ p-Ga1-x

AlxAs/n-GaAs ไดพิสูจนวาสมการท่ี (1.51) เปน

ความจริง [8]

ถากระแสรวมตัวของพาหะในชั้นปลอดพาหะมีคามาก ความสัมพันธของ J-V จะมีรูปเหมือนในเซลล

แสงอาทิตยรอยตอ p-n แบบโฮโมคือ

J JqV

nkTD =⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟−

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥0 1exp (1.52)

โดยท่ี J0 : กระแสไฟฟายอนอ่ิมตัวซึ่งจะมีคาเพ่ิมขึ้นถาอุณหภูมิสูงข้ึนและจํานวนแก็ปสเตต (gap states)

ในชั้นปลอดพาหะมีคามากขึ้น

1-21

n : มีคาอยูระหวาง 1 และ 2

สมการท่ี (1.52) ใชไดกับเซลลแสงอาทิตยชนิด n-GaAs/p-Ge และ n-CdS/ p-InP [9] แต ไม

สามารถใชกับเซลลแสงอาทิตยชนิด p-GaAs/n-Ge ซึ่งมีลักษณะของแถบพลังงานท่ีแตกตางไปจากชนิดแรก

ดังท่ีแสดงในรูปท่ี 1.15 จะสังเกตเห็นไดวาบริเวณรอยตอของแถบเวเลนซมียอดแหลม (ΔEv= -0.69 eV)

และเม่ือสังเกตกราฟ ln(J-V) จะพบวาความชันของกราฟจะไมลดลงแมอุณหภูมิจะสูงข้ึนซึ่งขัดแยงกับสมการ

ท่ี (1.52) ในเซลลแสงอาทิตยชนิด p-GaAs/n-Ge นี้ อิเล็กตรอนในแถบคอนดักชันของ n-Ge จะตกลงไป

ในแก็ปสเตต (gap states) ซึ่งมีอยูจํานวนมากท่ีรอยเชื่อมตอ (interface) ในแถบพลังงานตองหาม ตอจากนั้น

อิเล็กตรอนจึงจะทะลุอุโมงค (tunnel) เขาไปในแถบเวเลนซของ p-GaAs ซึ่งแสดงดวยเสนทางสาย A การ

ขนสงของอิเล็กตรอนเชนนี้ทําให J-V มีความสัมพันธดังนี้

J B V Vb B= − −exp[ ( )]α (1.53)

โดยท่ี B : คาคงตัว

VB : ศักยไฟฟาภายใน (built-in potential) ท่ีเกิดขึ้นในรอยตอ และ

αε

=⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

43

1

1

1 2

h

mN A

* /

(1.54)

โดยท่ี h : คาคงตัวของพลังคซึ่งหารดวย 2π แลว m* : มวลประสิทธิผลของอิเล็กตรอน

NA1 : ความหนาแนนของแอกเซ็ปเตอรใน p-GaAs ε1

: คาคงตัวไดอิเล็กทริก

รูปที่ 1.15 แผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชนิด p-GaAs/n-Ge

1-22

รูปที่ 1.16 ตัวอยางความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาและแรงดันของรอยตอชนิด p-Si1-x

Gex/n-Si

การขนสงของอิเล็กตรอนอาจเปนไปในลักษณะเสนทาง B และ C ในรูปท่ี 1.15 ก็ไดซึ่งก็จะใหผล

เหมือนสมการท่ี (1.53) ในกรณีเสนทาง B เร่ิมแรกอิเล็กตรอนจะทะลุอุโมงคเขาไปในแถบพลังงานตองหาม

แลวถูกจับดวยแก็ปสเตต ตอจากนั้นอิเล็กตรอนจะตกลงไปในแถบเวเลนซและไปรวมตัวกับโฮล สําหรับกรณี

เสนทาง C อิเล็กตรอนจะทะลุอุโมงคไปสูแก็ปสเตตหลายครั้ง (เรียกวา multiple tunneling) กอนท่ีจะรวมตัว

กับโฮล

ในรอยตอชนิดแอนไอโซเฮเทโร (anisotype heterojunction) ถาคาคงตัวแลตทิซของสารก่ึงตัวนําท้ัง

สองมีความแตกตางกันมาก จะทําใหจํานวนแก็ปสเตตท่ีบริเวณรอยเชื่อมตอเพ่ิมขึ้นอีกเปนลําดับซึ่งจะเปนผล

ทําใหกระแสรวมตัว (สมการท่ี 1.52) และกระแสทะลุอุโมงค (tunneling current) มีอิทธิพลมากขึ้น รูปท่ี

1.16 แสดงตัวอยางจริงของความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาและแรงดันของรอยตอชนิด p-Si1-x

Gex/ n-Si

ในรูปนี้ เม่ือคา x เพ่ิมมากขึ้น คาคงตัวแลตทิซของ Si1-x

Gex และ Si จะมีความแตกตางกันมากข้ึน ถาความ

แตกตางของคาคงตัวแลตทิซ (m) มีคามากกวา 0.3% คากระแสไฟฟาอ่ิมตัว J0 ในสมการท่ี (1.52) จะมาก

ขึ้น และเม่ือแรงดันไฟฟาสูงข้ึน กระแสไฟฟาจะไหลไมมากอีกตอไป ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยท่ีมี

ลักษณะความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาเชนนี้จะลดลง [10]

1.3.4 ขีดจํากัดของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย

ไดกลาวมาแลวในหัวขอท่ี 1.2.2 แลววาลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยสามารถแสดงได

ดวยพารามิเตอรท่ีสําคัญ 6 ชนิด คือ

1) กระแสไฟฟาลัดวงจร (Isc) 2) แรงดันไฟฟาวงจรเปด (Voc)

3) กระแสไฟฟาสูงสุด (Imax) 4) แรงดันไฟฟาสูงสุด (Vmax)

5) ฟลลแฟกเตอร (FF) และ 6) ประสิทธิภาพ (η)

ในจํานวนพารามิเตอรเหลานี้ Isc และ Voc เปนพารามิเตอรท่ีสําคัญท่ีสุดในการกําหนดขีดจํากัดของ

ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย ในหัวขอนี้เราจะวิเคราะหวาขีดจํากัดของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย

เปนอยางไรบาง

1) กระแสไฟฟาลัดวงจร

การคํานวณหาคากระแสไฟฟาสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยเปนสิ่งท่ีไมยาก ในเงื่อนไขอุดมคติ เราอาจ

สมมติใหวา เม่ือโฟตอนท่ีมีพลังงานมากกวาชองวางพลังงานของสารก่ึงตัวนําเดินทางเขาสูเซลลแสงอาทิตย โฟ

ตอนทุกตัวจะสามารถกระตุนใหเกิดคูของอิเล็กตรอนและโฮล และอิเล็กตรอนทุกตัวสามารถไหลออกจากเซลล

แสงอาทิตยไปสูวงจรภายนอกได การคํานวณคากระแสไฟฟาลัดวงจรเชนนี้ เราตองทราบโฟตอนฟลักซใน

สเปกตรัมของแสงอาทิตย รูปท่ี 1.17 และตารางท่ี 1.2 แสดงสเปกตรัมและขอมูลแจกแจงความเขมของ

พลังงานของแสงอาทิตยตามลําดับ จากรูปและตารางนี้ โฟตอนฟลักซคํานวณไดโดยการหารคาความเขมแสงใน

ตารางดวยคาพลังงานโฟตอน (hc/λ) ณ ท่ีความยาวคล่ืนแสงนั้น ผลการคํานวณสเปกตรัมของโฟตอนฟลักซ

ของแสงอาทิตยแสดงในรูปท่ี 1.18 หนวยของโฟตอนฟลักซคือ cm-2

/sec/μm

จากรูปท่ี 1.18 กระแสไฟฟาลัดวงจรสามารถคํานวณไดโดยการหาคาปริพันธของสเปกตรัมตั้งแต

ความยาวคลื่นตํ่าสุดไปจนถึงความยาวคลื่นแสงสูงสุดท่ีสารก่ึงตัวนําท่ีเราสนใจจะดูดกลืนแสงได ตัวอยางกรณี

ของ Si ซึ่งมีชองวางพลังงานเทากับ 1.1 eV ดังนั้นจึงหาปริพันธจากความยาวคล่ืน 1.13 μm ไปถึงประมาณ

0.2 μm รูปท่ี 1.19 แสดงผลการคํานวณคากระแสไฟฟาลัดวงจรสูงสุดในอุดมคติท่ีสารก่ึงตัวนําจะสามารถ

ผลิตได โดยท่ีแกนในแนวนอนคือชองวางพลังงานของสารก่ึงตัวนํา ตัวอยางในกรณีของเซลลแสงอาทิตยชนิด

1-23

Si จากรูปนี้ทําใหเราทราบวากระแสไฟฟาลัดวงจรสูงสุดมีคาประมาณ 35 mA/cm2 ท่ีแสงอาทิตย ความเขม

AM1.5 และถาสารก่ึงตัวนํามีชองวางพลังงานแคบ จะผลิตกระแสไฟฟาลัดวงจรไดมากขึ้น

รูปที่ 1.17 สเปกตรัมแจกแจงความเขมของพลังงานของแสงอาทิตย

รูปที่ 1.18 สเปกตรัมของโฟตอนฟลักซของแสงอาทิตย

รูปที่ 1.19 ผลการคํานวณคากระแสไฟฟาลัดวงจรสูงท่ีสุดในอุดมคติท่ีสารก่ึงตัวนําจะสามารถผลิตได

1-24

ตารางที่ 1.2 ขอมูลสเปกตรัมของแสงอาทิตย ท่ี Air Mass 1.5 (832 W/m2)

หนวยของความเขมแสงคือ W/m2-μm

ความยาว

คล่ืน

(μm)

ความเขม

แสง

ความยาว

คล่ืน

(μm)

ความเขม

แสง

ความยาว

คล่ืน

(μm)

ความเขม

แสง

ความยาว

คล่ืน

(μm)

ความเขม

แสง

ความยาว

คล่ืน

(μm)

ความเขม

แสง

0.295 0 0.595 1262.61 0.870 843.02 1.276 344.11 2.388 31.93

0.305 1.32 0.605 1261.79 0.875 835.10 1.288 345.69 2.415 28.10

0.315 20.96 0.615 1255.43 0.8875 817.12 1.314 284.24 2.453 24.96

0.325 113.48 0.625 1240.19 0.900 807.83 1.335 175.28 2.494 15.82

0.335 182.23 0.635 1243.79 0.9075 793.87 1.384 2.42 2.537 2.59

0.345 234.43 0.645 1233.96 0.915 778.97 1.432 30.06

0.355 286.01 0.655 1188.32 0.925 217.12 1.457 67.14

0.365 355.88 0.665 1228.40 0.930 163.72 1.472 59.89

0.375 386.80 0.675 1210.08 0.940 249.12 1.542 240.85

0.385 381.78 0.685 1200.72 0.950 231.30 1.572 226.14

0.395 492.18 0.695 1181.24 0.955 255.61 1.599 220.46

0.405 751.72 0.6983 973.53 0.965 279.69 1.608 211.76

0.415 822.45 0.700 1173.31 0.975 529.64 1.626 211.26

0.425 842.26 0.710 1152.70 0.985 496.64 1.644 201.85

0.435 890.55 0.720 1133.83 1.018 585.03 1.650 199.68

0.445 1077.07 0.7277 974.30 1.082 486.20 1.676 180.50

0.455 1162.43 0.730 1110.93 1.094 448.74 1.732 161.59

0.465 1180.61 0.740 1086.44 1.098 486.72 1.782 136.65

0.475 1212.72 0.750 1070.44 1.101 500.57 1.862 2.01

0.485 1180.43 0.7621 733.08 1.128 100.86 1.955 39.43

0.495 1253.83 0.770 1036.01 1.131 116.87 2.008 72.58

0.505 1242.28 0.780 1018.42 1.137 108.68 2.014 80.01

0.515 1211.01 0.790 1003.58 1.144 155.44 2.057 72.57

0.525 1244.87 0.800 988.11 1.147 139.19 2.124 70.29

0.535 1299.51 0.8059 860.28 1.178 374.29 2.156 64.76

0.545 1273.47 0.825 932.74 1.189 383.37 2.201 68.29

0.555 1276.14 0.830 923.87 1.193 424.85 2.266 62.52

0.565 1277.74 0.835 914.95 1.222 382.57 2.320 57.03

0.575 1292.51 0.8465 407.11 1.236 383.81 2.338 53.57

0.585 1284.55 0.860 857.46 1.264 323.88 2.356 50.01

1-25

2) แรงดันไฟฟาวงจรเปด

ขอจํากัดพ้ืนฐานท่ีเปนตัวกําหนดคาสูงสุดของแรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc ยังไมเปนท่ีทราบชัดเจน

อยางไรก็ตาม จากสมการท่ี (1.35) เราเคยทราบแลววา แรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc มีคาเทากับ

Vk T

q

I

Io csc= +

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ln

0

1 (1.55)

โดยท่ี I0 คือกระแสไฟฟายอนอ่ิมตัว และมีคาเทากับ

I qAD n

L N

D n

L Nn i

n A

p i

p D0

2 2

= +⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ (1.56)

I0 ควรมีคาต่ําท่ีสุดจึงจะทําใหได Voc สูงสุด ในกรณีของเซลลแสงอาทิตยชนิด Si ผลการคํานวณคา

สูงสุดของ Voc ไดผลประมาณ 700 mV และคาสูงสุดของฟลลแฟกเตอรไดประมาณ 0.84

ในสมการท่ี (1.56) พาราเตอรท่ีสําคัญอีกตัวหนึ่งคือ ความหนาแนนของพาหะ (ni ) ในกรณีของสาร

ก่ึงตัวนําชนิดบริสุทธ์ิ ni มีคาเทากับ

n N NE

k Ti C Vg2 = −

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟exp (1.57)

จากสมการท่ี (1.56) ผลการคํานวณความสัมพันธระหวาง I0 และ ชองวางพลังงาน Eg ท่ีพอจะเปนท่ี

ยอมรับกันมีคาดังนี้ [11]

IE

k TA cm

g0

5 215 10= × −⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟. exp / (1.58)

สมการท่ี (1.55) และ (1.58) ชี้ใหเราทราบวาถาชองวางพลังงานมีคามาก จะทําให Voc มีคามาก

ดวย ซึ่งผลการวิเคราะหนี้เปนสิ่งท่ีตรงขามกับกรณีของ Isc (ถาชองวางพลังงานมีคามาก จะทําให Isc

มีคา

ลดลง)

ผลการคํานวณความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยและชองวางพลังงานของ

สารก่ึงตัวนําชนิดตางๆ แสดงในรูปท่ี 1.20 จากรูปนี้เราไดขอมูลวา

ท่ีแสงอาทิตย AM1.5 ประสิทธิภาพท่ีสูงท่ีสุดมีคา 29% จะไดจากสารก่ึงตัวนําท่ีมีชองวางพลังงาน

ประมาณ 1.4 eV ถึง 1.6 eV

ท่ีแสงอาทิตย AM0 ประสิทธิภาพท่ีสูงท่ีสุดมีคา 26% จะไดจากสารก่ึงตัวนําท่ีมีชองวางพลังงาน

ประมาณ 1.4 eV ถึง 1.6 eV

สารก่ึงตัวนําท่ีมีชองวางพลังงานในชวงนี้ไดแก GaAs แมวาชองวางพลังงานของ Si จะมีคาเพียง

1.1 eV แตประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด Si ท่ีประดิษฐแลวในหองปฏิบัติการวิจัยมีคาสูงถึง 23% ซึ่ง

เขาใกลคาในอุดมคติเขาไปเรื่อยๆ แลว [12]

เหตุผลหนึ่งท่ีมีสวนทําใหประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยมีคานอยไดแก การท่ีเม่ือเกิดการ

ดูดกลืนโฟตอนท่ีมีพลังงานโฟตอนมากกวาชองวางงาน คูของอิเล็กตรอนและโฮลท่ีถูกกระตุนดวยพลังงานโฟ

ตอนสูง

1-26

รูปที่ 1.20 ผลการคํานวณความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยและ

ชองวางพลังงานของสารก่ึงตัวนําชนิดตางๆ

รูปที่ 1.21 การผอนคลายพลังงานความรอนของอิเล็กตรอนและโฮลในกรณีท่ีดูดกลืนพลังงานแสง

ท่ีมีพลังงานโฟตอนมากกวาชองวางพลังงานมาก

เชนนี้ จะมีระดับพลังงานท่ีสูงกวาขอบของแถบคอนดักชันและแถบเวเลนซมาก อิเล็กตรอนและโฮลจะผอน

คลายพลังงานใหโฟนอนในรูปของความรอน และอิเล็กตรอนจะตกลงมาอยูท่ีขอบของแถบพลังงานดังกลาว

ดังแสดงในรูปท่ี 1.21 และไมไดมีสวนรวมในการผลิตกระแสไฟฟา ปรากฏการณการผอนคลายโฟนอนน้ีมี

สวนในการจํากัดประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยไวถึง 44% [13]

นอกจากนี้ แฟกเตอรอีกตัวหนึ่งท่ีกําหนดขีดจํากัดของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยไดแก

แมวาอิเล็กตรอนจะถูกแสงกระตุนใหกระโดดขามชองวางพลังงานไปไดก็ตาม แตรอยตอ p-n นั้นจะให

แรงดันไฟฟาท่ีมีคานอยกวาชองวางพลังงานมาก เชน กรณีของ Si อัตราสวนระหวาง Voc/Eg มีคาเทากับ

0.7/1.1 = 60% เทานั้น

3) อิทธิพลของอุณหภูมิ

1-27

เซลลแสงอาทิตยท่ีเรานําไปวางรับแสงอาทิตยไวตลอดท้ังวันนั้น จะไดรับอิทธิพลจากแสงอาทิตยทํา

ใหอุณหภูมิสูงข้ึนมาก และการใชงานนั้น บางครั้งอาจตองไปติดตั้งในบริเวณที่สภาพแวดลอมมีอุณหภูมิต่ํา

มาก เชน บริเวณที่มีหิมะ หรือบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงมาก เชน ในทะเลทราย อุณหภูมิมีอิทธิพลตอการทํางาน

ของเซลลแสงอาทิตยมาก ซึ่งผูใชงานควรจะทราบดังตอไปน้ี

เม่ืออุณหภูมิของเซลลแสงอาทิตยสูงข้ึน จะทําให

1. กระแสไฟฟาลัดวงจรจะสูงข้ึน แตเพ่ิมไมมากนัก

2. แรงดันไฟฟาวงจรเปดและฟลลแฟกเตอรจะลดลง

ความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาลัดวงจรและแรงดันไฟฟาวงจรเปดคือ

I I es cqVoc kT

= −⎛⎝

⎞⎠0 1

/ (1.59)

ถาเราไมพิจารณาพจนท่ีมีคานอย เราจะไดคาใกลเคียงของ Isc วา

I AT e es c

Eg kT qVoc kT=

−γ 0 / / (1.60)

โดยท่ี A : พจนท่ีไมขึ้นกับอุณหภูมิ

Eg0 : ชองวางพลังงานของสารก่ึงตัวนําท่ีอุณหภูมิศูนยองศาสัมบูรณ

γ : พจนท่ีขึ้นกับอุณหภูมิและเปนพจนท่ีมีอิทธิพลตอ I0 และมีคาประมาณ 1-4

ผลการหาอนุพันธของสมการท่ี (1.60) คือ

d I

d T

A T e ATq

k T

d V

d T

V V

Te

s c

q Voc Vg k T o c o c g q Vo c Vg k T

=

+⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ −

−⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥

− − −⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

γ γ γ1 0 0 0( ) (1.61)

เนื่องจากพจน dI dTsc / มีคานอยมาก ดังนั้นจากสมการท่ี (1.61) จึงไดความสัมพันธวา

( )d V

d T

V V kT q

To c g o c

= −− +0 γ /

(1.62)

สมการท่ี (1.62) นี้บอกใหเราทราบวา Voc แปรผกผันกับอุณหภูมิในลักษณะคอนขางเปนเชิงเสน

นั่นคือ ถาอุณหภูมิสูงข้ึน Voc จะลดลง

ตัวอยางที่ 4 จงคํานวณอัตราการลดลงของคาแรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc ของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si

เม่ืออุณหภูมิสูงข้ึน 1 องศา กําหนดให Voc = 0.6V, γ = 3 ท่ี 300 K

วิธีทํา จากสมการท่ี (1.62)

d V

d TV C mV C

o c= −

− +° = − °

1 2 0 6 0 078

3002.3

. . ./ /

1-28

ผลการคํานวณนี้ไดผลใกลเคียงผลการทดลองพอสมควร ทําใหเราทราบวาในกรณีเซลลแสงอาทิตย

ชนิด Si Voc จะลดลงดวยอัตราประมาณ 0.4% เม่ืออุณหภูมิสูงข้ึน 1°C

เนื่องจากฟลลแฟกเตอร FF เปนฟงกชันของ Voc ดังนั้นฟลลแฟกเตอรจึงลดลงดวย เม่ืออุณหภูมิ

สูงข้ึน

จากการวิเคราะหขางตน สรุปไดวาการขึ้นกับอุณหภูมิของ Voc เปนสาเหตุหนึ่งท่ีทําใหประสิทธิภาพ

ของเซลลแสงอาทิตยลดลงเม่ืออุณหภูมิสูงข้ึน ตัวอยางในกรณีของเซลลแสงอาทิตยชนิด Si ประสิทธิภาพจะ

ลดลงประมาณ 0.4-0.5% เม่ืออุณหภูมิสูงข้ึน 1 °C

1.3.5 การสูญเสียในเซลลแสงอาทิตย

ในหัวขอกอนหนานี้ ไดกลาวถึงขีดจํากัดของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยแลววาควรมีคาเทาไร

แตอยางไรก็ตาม ในทางความเปนจริง จะมีแฟกเตอรอ่ืนๆ อีกมากมายท่ีเปนสาเหตุทําใหประสิทธิภาพของ

เซลลแสงอาทิตยลดลงไปจากคาในอุดมคติ ดังจะไดกลาวตอไปน้ี

1) การสูญเสียกระแสไฟฟาลัดวงจร

การสูญเสียกระแสไฟฟาลัดวงจรมีสาเหตุดังตอไปน้ี

1. การสะทอนแสงท่ีผิวของเซลลแสงอาทิตย เนื่องจากผิวท่ีรับแสงของสารก่ึงตัวนํานั้น โดยท่ัวไปมีคา

สัมประสิทธ์ิการสะทอนแสงท่ีสูงมาก ดังนั้นโฟตอนจํานวนมากจึงถูกสะทอนกลับ โดยไมไดเดินทางเขาไปใน

สารก่ึงตัวนํา วิธีการลดการสะทอนแสงวิธีหนึ่ง ไดแกการเคลือบฟลมปองกันการสะทอนแสง เชน SiO2 และ

Si3N

4

2. การสรางข้ัวไฟฟาบนผิวดานรับแสง เชน การเคลือบขั้ว Al เปนลายเสนดานผิวรับแสง ทําใหเกิด

การบังแสง พ้ืนท่ีท่ีบังแสงมีประมาณ 5-15% ของพ้ืนท่ีท้ังหมด

รูปที่ 1.22 ผลการคํานวณความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาลัดวงจรสูงสุดและความหนาของ

สารก่ึงตัวนําชนิด GaAs และ Si ท่ีใชผลิตเปนเซลลแสงอาทิตย

3. โฟตอนบางตัวไมถูกดูดกลืน แตสามารถเดินทางทะลุสารก่ึงตัวนําออกไปทางดานหลังของ เซลล

แสงอาทิตย ท้ังนี้เพราะสัมประสิทธ์ิการดูดกลืนแสงมีคาไมมาก วิธีการแกไขคือ การใชผลึกท่ีมีความหนาที่

เพียงพอ สารก่ึงตัวนําท่ีมีชองวางพลังงานชนิดไมตรงตองใชความหนามากกวาสารก่ึงตัวนําท่ีมีชองวางพลังงาน

1-29

ชนิดตรง รูปท่ี 1.22 แสดงผลการคํานวณความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาลัดวงจรและความหนาของสารก่ึง

ตัวนําชนิด GaAs และ Si ท่ีใชผลิตเปนเซลลแสงอาทิตย

4. มีการสูญเสียเนื่องจากอิเล็กตรอนและโฮลรวมตัวกันกอนท่ีจะออกสูภายนอกเซลลแสงอาทิตย การ

รวมตัวเกิดขึ้นมากท่ีบริเวณผิวของสารก่ึงตัวนําและในชั้นท่ีไมมีสนามไฟฟาภายใน ปกติพาหะโฟโตท่ีสามารถ

เดินทางออกสูภายนอกไดดีไดแกพาหะโฟโตท่ีเกิดขึ้นในยานปลอดพาหะซึ่งมีศักยไฟฟาภายใน (built-in

potential) ชวยพัดพาใหพาหะโฟโตไหลดวยสนามไฟฟา

2) การสูญเสียแรงดันไฟฟาวงจรเปด

กระบวนการท่ีเปนตัวกําหนดการสูญเสียของ Voc โดยพ้ืนฐานไดแก กระบวนการรวมตัวของพาหะใน

สารก่ึงตัวนํา การรวมตัวของพาหะทําใหกระแสไฟฟายอนอ่ิมตัวเพ่ิมขึ้นดังท่ีแสดงในสมการท่ี (1.55)

การรวมตัวอาจเกิดขึ้นไดท้ังภายในสารก่ึงตัวนําและท่ีผิวของสารก่ึงตัวนํา ระดับแทร็ป (trap levels)

ในยานปลอดพาหะมีอิทธิพลมากตอการรวมตัวของพาหะ อัตราการรวมตัวของพาหะท่ีระดับแทร็ปแสดงไดดวย

สมการ

( ) ( )Unp n

n n p pi

h e

=−

+ + +

2

0 1 0 1τ τ (1.63)

การรวมตัวท่ีระดับแทร็ปในยานปลอดพาหะ จะทําใหกระแสไฟฟามืดมีคามากขึ้นตามสมการดังนี้ [14]

( ) ( )I I e I eqV k TW

qV kT= − + −021 1 (1.64)

โดยท่ี IW มีคาเทากับ

Iq An kT

qWi

e h=

π

τ τ ξ2 0 0 max (1.65)

โดยท่ี ξmax คือสนามไฟฟาสูงสุดในรอยตอ p-n [15]

รูปท่ี 1.23 แสดงความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟามืดและแรงดันไฟฟาของรอยตอ p-n โดยการ

พิจารณากรณีมีการรวมตัวของพาหะในชั้นปลอดพาหะ พจนท่ีสองในสมการท่ี (1.64) จะมีอิทธิพลมากใน

ขณะท่ีกระแสไฟฟามีคานอย (ทําให n=2) และพจนท่ีหนึ่งในสมการท่ี (1.64) จะมีอิทธิพลมากในขณะท่ี

กระแสไฟฟามีคามาก (ทําให n=1)

เพ่ือความสะดวก เราอาจจะเขียนสมการท่ี (1.64) ใหอยูในรูปท่ีงายวา

I I eqV n k T= −⎛⎝

⎞⎠0 1' (1.66)

โดยท่ี แฟกเตอร n มีคาอยูระหวาง 1-2

1-30

รูปที่ 1.23 ความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟามืดและแรงดันไฟฟาของรอยตอ p-n โดยพิจารณา

กรณีมีการรวมตัวของพาหะในชั้นปลอดพาหะ

จากการท่ีกระแสไฟฟามืดมีคาเพ่ิมขึ้นเนื่องจากการรวมของพาหะดังกลาว จึงทําให Voc มีคาลดลง

3) การสูญเสียฟลลแฟกเตอร

การสูญเสียฟลลแฟกเตอรมีสาเหตุหลายขอดังตอไปน้ี

3.1 เกิดจากคาแฟกเตอร n และ Voc

รูปท่ี 1.24 แสดงความสัมพันธระหวางฟลลแฟกเตอรและแรงดันไฟฟาวงจรเปด จะเห็นไดวาถา

แรงดันไฟฟาวงจรเปดลดลง ก็จะทําใหฟลลแฟกเตอรลดลงดวย และจากการท่ีเราไดวิเคราะหมาแลวในหัวขอ

ท่ี 2) วาถาแฟกเตอร n เพ่ิมขึ้น ก็จะทําให Voc ลดลง ดังนั้นคาฟลลแฟกเตอรในรูปท่ี 1.24 ก็จะตองลดลง

ดวยถา n มีคาเพ่ิมขึ้น

ถาเราใหนิยามวา voc = Voc /(nkT/q) ดังนั้นเราจะสามารถเขียนสมการของฟลลแฟกเตอรใหอยูใน

รูปท่ัวไปไดวา

( )

FFv v

voc oc

oc

=− +

+

ln .0 72

1 (1.67)

3.2 เกิดจากคาความตานทานอนุกรมและความตานทานชันต

เซลลแสงอาทิตยท่ีดีควรมีความตานทานอนุกรม (series resistance) Rs นอยท่ีสุด แตในทางปฏิบัติ

ความตานทานอนุกรมนี้อาจเกิดขึ้นไดจากหลายสาเหตุ เชน ความตานทานอนุกรมของเน้ือสารก่ึงตัวนํา ความ

ตานของรอยตอ p-n ความตานทานของขั้วไฟฟา ความตานทานท่ีรอยตอของสารก่ึงตัวนําและข้ัวไฟฟา เปน

ตน

1-31

รูปที่ 1.24 ความสัมพันธระหวางฟลลแฟกเตอรและแรงดันไฟฟาวงจรเปด

รูปที่ 1.25 (ก) อิทธิพลของความตานทานอนุกรม และ (ข) อิทธิพลของความตานทานชันต

ท่ีมีตอลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย

เซลลแสงอาทิตยท่ีดีควรมีความตานทานชันต (shunt resistance) Rsh มากท่ีสุด แตในทางปฏิบัติ

ความตานทานชันตนี้อาจมีคาลดลง อันเนื่องจากการเกิดร่ัวของกระแสไฟฟาท่ีขอบของเซลลแสงอาทิตย หรือ

เกิดจากความไมสมบูรณของผลึก

รูปท่ี 1.25 (ก) และ (ข) แสดงอิทธิพลของความตานทานอนุกรมและอิทธิพลของความตานทานชันต

ตามลําดับท่ีมีตอลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย

1.4 การออกแบบเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน

ในหัวขอท่ี 1.3 ไดกลาวถึงหลักการทํางานพ้ืนฐานของเซลลแสงอาทิตยแลว ในหัวขอนี้จะกลาวถึงการ

ออกแบบเซลลแสงอาทิตยวาควรใหมีพารามิเตอรดานโครงสรางเปนอยางไรบาง ควรโดปสารเจือปนในชั้น n

1-32

และชั้น p ดวยความหนาแนนเทาไร รอยตอ p-n ควรอยูลึกเทาไร ขั้วไฟฟาดานบนท่ีรับแสงควรออกแบบ

อยางไร ชั้นปองกันการสะทอนแสงควรหนาเทาไรและมีดัชนีหักเหเทาไร

1.4.1 ความลึกของรอยตอ p-n

โดยท่ัวไป การรวมตัวของพาหะโฟโต (recombination of photocarriers) ท่ีบริเวณผิวหนาของ เซลล

แสงอาทิตยมักจะเกิดขึ้นไดงายและมีอัตราการรวมตัวท่ีสูง (high recombination surface velocity) และการ

รวมตัวของพาหะท่ีรอยตอของสารก่ึงตัวนําและข้ัวไฟฟาก็มีอัตราการรวมตัวท่ีสูงเชนกัน วิธีการลดอัตราการ

รวมตัวท่ีผิวดังกลาวท่ีใชไดผลวิธีหนึ่งไดแก การเพ่ิมชั้น back surface field (BSF) ขึ้นท่ีดานหลังของ เซลล

แสงอาทิตย ชั้น BSF นี้เปนชั้นท่ีโดปดวยความหนาแนนสูง ดังนั้นเซลลแสงอาทิตยจึงมีรอยตอ n-p-p+ แทน

การใชรอยตอ n-p

ความนาจะเปนของการรวบรวมพาหะท่ีเกิดจากแสงในเซลลแสงอาทิตย (collection probability)

นอกจากจะเปนฟงกชันของระยะทางจากผิวของเซลลแสงอาทิตยดวยดังแสดงในรูปท่ี 1.26 แลว ความนาจะ

เปนของการรวบรวมพาหะโฟโตมีคาสูงสุดท่ีบริเวณยานปลอดพาหะซึ่งอยูตรงกลางของรอยตอ p-n และลดลง

เม่ือหางออกไป ความนาจะเปนของการรวบรวมพาหะโฟโตท่ีผิวหนาดาน n มีคานอย เราสามารถปรับปรุงให

ความนาจะเปนของการรวบรวมพาหะโฟโตดานชั้น p มีคาสูงข้ึนดวยการโดปดานหลังสุดใหความหนาแนนของ

แอกเซ็ปเตอร (p+) มีคามากดังท่ีแสดงในรูป (ก) วิธีนี้จะสงผลใหกระแสไฟฟาลัดวงจรเพ่ิมขึ้นดวย

เม่ือเราพิจารณาอัตราการผลิตพาหะโฟโตดวยแสง เราพบวาอัตราการผลิตพาหะโฟโตดวยแสงจะมี

คาสูงสุดท่ีผิวดานรับแสงและจะลดลงแบบเอกซโพเนเชียลตามระยะทางความลึกดังแสดงในรูปท่ี 1.26 (ข)

ตามสมการ

( )G x R Ne x( ) = − −1 α α (1.68)

โดยท่ี x : ระยะทางจากผิวรับแสง

α : สัมประสิทธ์ิการดูดกลืนแสง

N : โฟตอนฟลักซท่ีตกกระทบเซลลแสงอาทิตย

R : สัมประสิทธ์ิการสะทอนแสง

รูปที่ 1.26 (ก) การเปล่ียนแปลงของความนาจะเปนของการรวบรวมพาหะเม่ือเทียบกับความลึก และ

(ข) การเปล่ียนแปลงของอัตราการผลิตพาหะเม่ือเทียบกับความลึกของเซลลแสงอาทิตย

1-33

ดังนั้นภายใตแสงอาทิตย ผลรวมของอัตราการผลิตพาหะโฟโตท่ีความยาวคล่ืนท้ังหมด คือ

( )[ ] ( ) ( ) ( )G x R N e dx( ) 'max= ∫ − −0 1λ α λλ α λ λ λ (1.69)

โดยท่ี N′ (λ) : โฟตอนฟลักซตอหนวยความยาวคล่ืนแสง

ตัวอยางผลการคํานวณสมการนี้แสดงในรูปท่ี 1.26 (ข) ถาเราเปรียบเทียบรูป (ก) (ข) เราจะพบวาท่ี

ผิวรับแสงนั้น ความนาจะเปนของการรวบรวมพาหะโฟโตมีคานอยมาก ในขณะท่ีอัตราการผลิตโฟโตมีคาสูงสุด

ดังนั้นจากการวิเคราะหดังกลาว เราจึงไดแนวทางวา “รอยตอ p-n ควรมีอยูในตําแหนงท่ีตื้นดานรับแสงมาก

ท่ีสุด”

1.4.2 ความตานทานในแนวระนาบของชั้นดานบนที่รับแสง

โดยท่ัวไป กระแสไฟฟาในเซลลแสงอาทิตยไหลในแนวตั้งฉากกับผิวของเซลล ดังแสดงในรูปท่ี 1.27

(ก) แตเนื่องจากท่ีดานผิวรับแสง เราออกแบบใหขั้วไฟฟาเปนรูปกริดอยูหางกันและปกคลุมผิวเพียงบางพ้ืนท่ี

เพราะฉะนั้นจะมีกระแสไฟฟาท่ีไหลในแนวระนาบกับแผนเซลลดวย ถาความหนาแนนของการโดปชั้น n

สมํ่าเสมอตลอดความลึก สภาพตานทานของชั้น n จะมีคาเทากับ

ρμ

=1

q Ne D

(1.70)

รูปที่ 1.27 แบบจําลองการไหลของกระแสไฟฟาในทิศทางระนาบและตั้งฉากกับผิวของเซลลแสงอาทิตย

นอกจากนี้ เรามีนิยามของคา “สภาพตานทานแผน” (sheet resistivity: ρs) ซึ่งไดจากการหารสภาพ

ตานทาน ρ ดวยความหนา t ดังนี้

ρμs

e Dq N t=

1 (1.71)

1-34

ถาความหนาแนนของการโดปไมสมํ่าเสมอตามความลึก ปริมาณของ μe ND t จะตองแทนคาดวยการ

หาคาปริพันธดังนี้

( ) ( )∫0t

e Dx N x dxμ (1.72)

หนวยของสภาพตานทานแผน คือ Ω/ (อานวา โอหมสแควร)

สภาพตานทานจะเปนตัวกําหนดระยะหางของข้ัวกริด การไหลของกระแสไฟฟาในแนวระนาบเปน

สาเหตุของการสูญเสียกําลังไฟฟา ถาพิจารณารูปท่ี 1.27 (ข) ซึ่งแสดงภาพมองจากดานบนของเซลลแสง-

อาทิตย จะพบวาการสูญเสียของกําลังไฟฟา dP ในระยะทาง dy สั้นๆ คือ [16]

dP I dR= 2 (1.73)

โดยท่ี dRs dy

b=ρ

S : ระยะหางของข้ัวกริด

I : กระแสไฟฟาท่ีไหลในแนวระนาบซึ่งมีคาเทากับ 0 ท่ีตําแหนง S/2 และเพ่ิมขึ้นเรื่อยๆ จนถึง

คาสูงสุดท่ีขั้วกริด

ดังนั้น I Jby= (1.74)

โดยท่ี J : ความหนาแนนของกระแสไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย (A/cm2)

ดังนั้น การสูญเสียกําลังไฟฟาท้ังหมดจึงไดจากการหาคาปริพันธของสมการท่ี (1.73) ดังนี้

P I dRJ b y dy

b

J b Sloss

ss s= = =∫ ∫22 2 2

0

22 3

24

ρ ρ/ (1.75)

ถาให Pmax, Imax และ Vmax คือกําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด กระแสไฟฟาเอาตพุตสูงสุด และ

แรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุดตามลําดับ ดังนั้นกําลังไฟฟาท่ีผลิตไดในพ้ืนท่ีระหวางขั้วกริด คือ Vmax JmaxbS/2

และอัตราสวนของกําลังไฟฟาสูญเสียตอกําลังไฟฟาสูงสุดคือ

pP

P

S J

Vloss s= =max

max

max

ρ 2

12 (1.76)

จากสมการท่ี (1.76) ถาเรากําหนดพารามิเตอรตางๆ เชน คารอยละของการสูญเสียกําลังไฟฟา เราก็

จะทราบวาระยะหางของข้ัวกริดควรเปนเทาไร ในวงการอุตสาหกรรมเซลลแสงอาทิตยชนิด Si นิยมผลิตใหขั้วก

ริดหางกันประมาณ 4 มิลลิเมตร และโดปชั้น n ดวยความหนาแนนมากท่ีสุดและสรางชั้น n ใหบางท่ีสุด

ตัวอยางท่ี 5 จงคํานวณวาจะตองออกแบบใหระยะหาง S ของข้ัวกริดดานรับแสงของเซลลแสงอาทิตยมีคาก่ี

มิลลิเมตร โดยกําหนดพารามิเตอรดังนี้ ρs = 40 Ω/ , Jmax = 30 mA/cm

2, Vmax = 450 mV, loss <

4%

1-35

วิธีทํา จากสมการท่ี (1.76) SpV

Js

2 12< max

maxρ

∴ <× ×

×

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ <S cm mm

12 0 04 0 45

40 0 034

12. .

.

1.4.3 ความหนาแนนของการโดปแผนฐาน

โดยท่ัวไป แผนฐานท่ีนํามาใชผลิตเปนเซลลแสงอาทิตยมีความหนาประมาณ 200~400 μm ซึ่งได

จากการตัด (slicing) แทงผลึก การโดปแผนฐานจะถูกกําหนดตั้งแตขั้นตอนการดึงผลึก ในหัวขอนี้เราจะ

พิจารณาวา ความหนาแนนของการโดปแผนฐานควรมีคาเทาไร

เม่ือเรากําหนดคาความลึกของรอยตอ p-n แลว คาระยะทางแพรซึมของพาหะขางนอย (diffusion

length of minority carriers) ในแผนฐานจะเปนพารามิเตอรท่ีสําคัญในการกําหนดคากระแสไฟฟาเอาตพุต

ลัดวงจร Isc คาระยะทางแพรซึมมีคาพ้ืนฐานตามสูตร L Dn n n= τ คาระยะทางแพรซึมนี้ไดรับอิทธิพลจาก

กลไกการรวมตัวของพาหะ 3 ชนิดดวยกัน ตัวอยางเชน ถาเราเพ่ิมปริมาณการโดปสารเจือปนจะทําใหเวลาอายุ

ของพาหะลดลง ตัวอยางความสัมพันธระหวางความหนาแนนของการโดปสารเจือปนและเวลาอายุของพาหะ

ขางนอยแสดงในรูปท่ี 1.28 เวลาอายุของพาหะดังกลาวจะยาวนานหรือสั้น จะถูกกําหนดดวยกลไกการ

รวมตัวของพาหะ กลไกการรวมตัวของพาหะท่ีสําคัญมี 3 ชนิดดังนี้

1. การรวมตัวของพาหะท่ีระดับแทร็ป (Recombination at Trap Centers)

เวลาอายุของพาหะท่ีถูกกําหนดดวยการรวมตัวท่ีระดับแทร็ป คือ

τ τnT nA

mN

= +⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟0

11 (1.77)

รูปที่ 1.28 ความสัมพันธระหวางความหนาแนนของการโดปสารเจือปนและเวลาอายุของพาหะขางนอย

1-36

2. การรวมตัวแบบ Auger (Auger Recombination)

เวลาอายุของพาหะท่ีถูกกําหนดดวยการรวมตัวแบบ Auger คือ

τ nAADN

=1

2 (1.78)

3. การรวมตัวชนิดเปลงแสง (Radiative Recombination)

เวลาอายุของพาหะท่ีถูกกําหนดดวยการรวมตัวชนิดเปลงแสง คือ

τ nRABN

=1

2 (1.79)

ดังนั้นถาการรวมตัวของพาหะมีสาเหตุจากกลไกหลายๆ ชนิดจะทําใหเวลาอายุของพาหะมีคาเทากับ

1 1 1 1

τ τ τ τn nT nA nR

= + + (1.80)

จากขอมูลท้ัง 3 สมการนี้ ทําใหเราทราบวา ถาเพ่ิมความหนาแนนของการโดปแอกเซ็ปเตอร จะทําให

เวลาอายุของพาหะขางนอย (อิเล็กตรอน) ลดลง นั่นคือ จะทําใหกระแสไฟฟาเอาตพุตลัดวงจร Isc ลดลงดวย

รูปที่ 1.29 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยท่ีประดิษฐโดยเปล่ียนความหนาแนนของ

แอกเซ็ปเตอร โดยท่ี (ก) เปนกรณีไมมีชั้น BSF และ (ข) เปนกรณีมีชั้น BSF [16]

1-37

ในขณะเดียวกัน กระแสไฟฟายอนอ่ิมตัว I0 แปรผกผันกับความหนาแนนของการโดปตามสมการ

I qAD nL N

D nL N

n i

n A

p i

p D0

2 2

= +⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ (1.81)

เราเคยทราบจากสมการท่ี (1.55) แลววา ถา I0 ลดลง จะทําใหแรงดันไฟฟาเอาตพุตวงจรเปด Voc

เพ่ิมขึ้น ดังนั้นการเพ่ิมความหนาแนนของการโดปแอกเซ็ปเตอร NA และโดเนอร ND จะทําให Voc เพ่ิมขึ้น

ถาเราใชสารก่ึงตัวนําชนิด p เปนแผนฐาน ปกติเราจะโดปชั้น n ดวย ND ท่ีความหนาแนนสูงมากเพ่ือลดสภาพ

ตานทานแผน ดังนั้นพจนท่ีสองในสมการท่ี (1.81) จึงมีคานอย ดังนั้นจากสมการท่ี (1.81) นี้ เราจึงสรุปได

วา Voc จะเพ่ิมขึ้นถาเราเพ่ิมความหนาแนนของ NA

จากท่ีเราไดวิเคราะหมานี้ เราไดพบวา Isc และ Voc ไดรับอิทธิพลจาก NA ในลักษณะท่ีตรงขามกัน

กลาวคือ เม่ือเพ่ิม NA จะทําให Voc เพ่ิมขึ้น แตจะทําให Isc ลดลง รูปท่ี 1.29 แสดงตัวอยางลักษณะสมบัติ

เอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยท่ีประดิษฐโดยเปล่ียนความหนาแนนของแอกเซ็ปเตอร โดยท่ีรูป (ก) เปนกรณี

ไมมีชั้น BSF และรูป (ข) เปนกรณีมีชั้น BSF [16] จากรูปนี้เราไดขอมูลท่ีสําคัญวา ประสิทธิภาพของเซลล

แสงอาทิตยจะมีคาสูงสุดท่ีความหนาแนนของแอกเซ็ปเตอรท่ีเหมาะสมคาๆ หนึ่ง

1.4.4 การสรางสนามไฟฟาที่ดานหลังของเซลลแสงอาทิตย

(Back Surface Field)

ไดกลาวมาแลววา การโดปใหดานหลังสุดของเซลลแสงอาทิตยมีความหนาแนนสูง จะสงผลชวยทํา

ใหกระแสไฟฟาลัดวงจรและแรงดันไฟฟาวงจรไฟฟาเปดมีคาเพ่ิมขึ้น กระแสไฟฟาลัดวงจรเพ่ิมขึ้นเพราะวา

ประสิทธิภาพของการรวบรวมพาหะท่ีดานหลังของเซลลดีขึ้น และแรงดันไฟฟาวงจรเปดเพ่ิมขึ้นเพราะวา

กระแสไฟฟายอนอ่ิมตัวลดลงนั่นเอง กระแสไฟฟายอนอ่ิมตัวในเซลลแสงอาทิตยท่ีมีชั้น BSF นี้มีคาดังนี้ [17]

IqD n

L N

W

Lpe i

e A

p

e0

2

=⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟tanh (1.82)

ถาความหนาของแผนฐานชนิด p มีคานอยกวาระยะทางแพรซึมของอิเล็กตรอน (Wp<<Le) จะทําให

สมการท่ี (1.82) มีรูปท่ีงายขึ้นดังนี้

Iqn W

Nopi p

e A

=2

τ (1.83)

เนื่องจากการลดความหนาแนนของ NA ทําให τe เพ่ิมขึ้น ดังนั้นในกรณีของเซลลแสงอาทิตยท่ีมี

ชั้น BSF แรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc จึงไมคอยไดรับอิทธิพลจาก NA มากนักซึ่งแนวโนมเชนนี้จะสังเกตไดใน

รูปท่ี 1.29 (ข)

1.4.5 อิทธิพลของชั้นดานบน

1-38

1) ชั้นตาย (Dead Layer)

ไดกลาวในหัวขอท่ี 1.4.3 แลววาอัตราการรวมตัวของพาหะท่ีผิวดานรับแสงมีคาสูง ดังนั้นในการ

ออกแบบเซลลแสงอาทิตย จึงพยายามใหชั้น n ท่ีรับแสงมีความบางท่ีสุด และขณะเดียวกันก็โดปชั้น n ดวย

ความหนาแนนท่ีสูงๆ เพ่ือมิใหสภาพตานทานแผนของชั้น n มีคาสูง ในชวง ค.ศ. 1960 ความหนาของชั้น n

ในเซลลแสงอาทิตยท่ีใชงานในอวกาศมีเพียงประมาณ 0.5 μm เทานั้น การออกแบบเชนนี้ มิไดมีเพียงแต

ขอดี แตความจริงแลวมีขอเสียอยูดวยดังจะกลาวตอไปน้ี

ในทางทฤษฎี การโดปสารเจือปนดวยกระบวนการแพรซึมดวยความรอนสูง ตัวอยางเชน การโดป

ฟอสฟอรัส P เขาสูผลึก Si นั้น จะสงผลใหความหนาแนนของ P เปลี่ยนแปลงแบบฟงกชันเกาสเชียน

(Gaussian) ตามความลึก [18] รูปท่ี 1.30 (ก) แสดงผลการวัดความสัมพันธระหวางความหนาแนนของแอก

เซ็ปเตอรท่ีแอกทิฟใน Si และความลึก โดยท่ีพารามิเตอรคือเวลาที่ใชในการแพรซึม ท้ังนี้ไดกําหนดให

อุณหภูมิของการแพรซึมคงท่ีตลอดทุกการทดลอง [19] รูปท่ี 1.30 (ข) แสดงการเปลี่ยนแปลงของความนาจะ

เปนของการรวบรวมพาหะและความลึก จากผลการทดลองพบวาการแพรซึมอะตอม P เขาสู Si ดวย

รูปที่ 1.30 (ก) ผลการวัดความสัมพันธระหวางความหนาแนนของแอกเซ็ปเตอรท่ีแอกทิฟใน Si และ

ความลึก พารามิเตอรในรูปคือเวลาที่ใชในการแพรซึม

(ข) การเปล่ียนแปลงความนาจะเปนของการรวบรวมพาหะตามความลึก [19]

ความหนาแนนสูงเกินไปนั้น จริงๆ แลวอะตอม P มิไดเขาไปใน Si ในฐานะสารเจือปนชนิดแอกเซ็ปเตอรหมด

ทุกตัว แตอะตอม P สวนเกินบางตัวจะเขาสู Si ในฐานะอะตอมอัลลอย และอะตอมสวนเกินเหลานี้จะทําให

เวลาอายุของพาหะขางนอย (อิเล็กตรอน) ลดลง

ในเซลลแสงอาทิตย อะตอมฟอสฟอรัส P สวนเกินเหลานั้นสวนมากจะสะสมอยูท่ีบริเวณใกลผิวหนา

ดานรับแสง เราเรียกบริเวณชั้นท่ีมีฟอสฟอรัสสะสมอยูมากเกินความจําเปนเชนนี้วา “ชั้นตาย” (dead layer)

เหตุผลท่ีเรียกเชนนี้ เพราะวาในชั้นตายนั้น เวลาอายุของพาหะขางนอยมีคานอยมาก และความนาจะเปนของ

การรวบรวมพาหะก็มีคานอยมาก รูปท่ี 1.30 (ข) แสดงความสัมพันธระหวางความนาจะเปนของการรวบรวม

พาหะขางนอยและความลึกของเซลลแสงอาทิตยเม่ือมีชั้นตายเกิดขึ้น ในรูปนี้เราจะเห็นวาความนาจะเปนของ

การรวบรวมพาหะขางนอยในชั้นตายนั้นมีคานอยมาก [20]

1-39

การแกปญหาไมใหเกิดชั้นตาย อาจทําไดโดยการควบคุมมิใหความหนาแนนของการโดปมากเกินไป

และพยายามทําใหรอยตอ p-n มีความต้ืนมากท่ีสุด และออกแบบใหขั้วกริดอยูใกลกัน เปนตน

อนึ่งการโดปสารเจือปนดวยความหนาแนนท่ีสูงเกินไป มีผลทําใหชองวางพลังงานของสารก่ึงตัวนํา

ลดลงไดดวย [21]

1.4.6 การออกแบบข้ัวไฟฟาดานบน

การออกแบบลักษณะของข้ัวไฟฟาดานท่ีเซลลแสงอาทิตยรับแสงมีความสําคัญมากตอประสิทธิภาพ

ของเซลลแสงอาทิตย รูปท่ี 1.31 แสดงตัวอยางการออกแบบขั้วไฟฟาดานรับแสงแบบตางๆ โดยท่ัวไปมีกลไก

หลายชนิดท่ีเปนสาเหตุของการเกิดการสูญเสียของกําลังไฟฟาท่ีบริเวณขั้วไฟฟาดานบนดังกลาว เชน

1. การสูญเสียอันเนื่องจากการไหลของกระแสไฟฟาในแนวระนาบของเซลล (ไดกลาวแลวในหัวขอท่ี

1.4.2)

2. ความตานทานอนุกรมของข้ัวไฟฟา

3. ความตานทานอนุกรมท่ีรอยตอระหวางข้ัวไฟฟาและสารก่ึงตัวนํา

4. การสูญเสียอันเนื่องจากเกิดเงาบังโดยขั้วไฟฟา

ในหัวขอนี้จะกลาวถึงหลักการออกแบบเบ้ืองตนเก่ียวกับลักษณะของข้ัวไฟฟาดานรับแสง โดยจะ

ยกตัวอยางกรณีท่ีแผนเซลลแสงอาทิตยมีรูปเปนแผนสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือสี่เหลี่ยมผืนผา อยางไรก็ตามแนวทาง

ในหัวขอนี้ยังสามารถประยุกตใชกับแผนเซลลท่ีมีรูปรางอ่ืนๆ ไดดวย

โดยท่ัวไป ขั้วไฟฟาดานรับแสง มีลักษณะเปนลวดลายเสนท่ีเวนชองวางไวเพ่ือใหแสงสามารถกระทบ

สารก่ึงตัวนําไดมากท่ีสุด เราแบงเสนข้ัวไฟฟาออกเปน 2 ชนิดคือ

1. เสนนิ้ว หรือ เสนฟงเกอร (Fingers) ไดแก เสนท่ีมีขนาดเล็ก มีจํานวนมาก ทําหนารวบรวม

กระแสไฟฟาเพ่ือสงตอไปยังเสนบัสบาร เสนฟงเกอรนี้อาจแตกแยกเปนเสนฟงเกอรยอยๆ ไดอีก

2. เสนบัสบาร (Bus Bars) ไดแก เสนท่ีมีขนาดคอนขางอวน มีจํานวนไมมาก มักจะออกแบบใหตั้ง

ฉากกับเสนฟงเกอร ทําหนาท่ีรวบรวมกระแสไฟฟาจากเสนฟงเกอรเพ่ือสงตอไปยังโหลดภายนอกเซลลหรือตอ

อนุกรมกับแผนเซลลขางเคียง

ระยะหางของเสนฟงเกอรและเสนบัสบารแตละเสน อาจมีคาคงท่ี หรือเปล่ียนแปลเปนข้ันๆ หรือ

คอยๆ เปลี่ยนก็ได

รูปที่ 1.31 ตัวอยางการออกแบบขั้วไฟฟาดานรับแสงแบบตางๆ

1-40

สมมติวาขั้วกริดมีรูปรางดังท่ีแสดงในรูปท่ี 1.32 (ก) ถาเราพิจารณาพ้ืนท่ีเล็กๆ ท่ีมีความยาวเทากับ

A และความกวางเทากับ B ดังท่ีแสดงในรูป (ข) กําลังไฟฟาสูงสุดท่ีจะไดจากพ้ืนท่ีเล็กๆ นี้คือ ABJmaxVmax

ดังนั้นกําลังไฟฟาท่ีสูญเสียอันเนื่องความตานทานของเสนฟงเกอรในสภาพเชนนี้คือ [22]

pm

BJ

V

S

Wrf smfF

=1 2 ρ max

max

(1.84)

ในทํานองเดียวกัน กําลังไฟฟาสูญเสียอันเนื่องจากความตานทานของเสนบัสบารคือ

pm

A BJ

V Wrb smbB

=1 12 ρ max

max

(1.85)

โดยท่ี ρsmf : สภาพตานทานแผน (sheet resistivity) ของเสนฟงเกอร

ρsmb : สภาพตานทานแผนของเสนบัสบาร

m : แฟกเตอรซึ่งถาขั้วกริดกวางสมํ่าเสมอ จะทําให m=3 และถาข้ัวกริดมีรูปแบบ

ปลายแหลมคม (taper) จะทําให m=4

WF , WB : ความกวางเฉลี่ยของเสนฟงเกอรและเสนบัสบารตามลําดับ

S : ระยะพิตชของเสนฟงเกอรตามนิยามในรูป (ข)

รูปที่ 1.32 (ก) ภาพมองจากดานบนของเซลลแสงอาทิตยซึ่งแสดงการออกแบบขั้วบัสบารและ

ขั้วฟงเกอร (ข) ภาพขยายเพ่ือแสดงขนาดตางๆ สําหรับใชในการคํานวณ

1-41

ทางดานกําลังไฟฟาสูญเสียอันเนื่องจากเงาของเสนฟงเกอรและเสนบัสบารคือ

pW

SsfF= (1.86)

pW

BsbB= (1.87)

เนื่องจากเสนฟงเกอรมีพ้ืนท่ีสัมผัสกับสารก่ึงตัวนํานอยกวาเสนบัสบารมาก ดังนั้นกําลังไฟฟาสูญเสีย

อันเนื่องจากรอยตอระหวางข้ัวและสารก่ึงตัวนําจึงเกิดขึ้นท่ีเสนฟงเกอรเปนสวนใหญ ดังนั้นกําลังไฟฟาสูญเสีย

อันเนื่องจากรอยตอระหวางเสนฟงเกอรและสารก่ึงตัวนําคือ

pJ

V

S

Wcf cF

= ρ max

max

(1.88)

โดยท่ี ρc : สภาพตานทานของรอยตอ

อยางไรก็ตามในกรณีเซลลแสงอาทิตยชนิด Si กําลังไฟฟาสูญเสียอันเนื่องจากรอยตอระหวางข้ัวและ

สารก่ึงตัวนํานี้มีคาไมมาก

สาเหตุของกําลังไฟฟาสูญเสียชนิดตอไปไดแก การไหลของกระแสไฟฟาในแนวระนาบของแผนเซลล

ซึ่งมีคาเทากับ (จากสมการท่ี (1.76))

pJ

VStl

s=ρ

122max

max

(1.89)

โดยท่ี ρs : สภาพตานทานแผนของชั้นสารก่ึงตัวนําดานบน

H.B. Serreze ไดวิเคราะหวากําลังไฟฟาสูญเสียท่ีนอยท่ีสุดท่ีเก่ียวของกับเสนบัสบารนั้น เกิดขึ้นใน

กรณีท่ีกําลังไฟฟาสูญเสียอันเนื่องจากความตานของเสนบัสบารมีคาเทากับกําลังไฟฟาสูญเสียท่ีเกิดจากเงาของ

บัสบาร จากผลเชนนี้ ความกวางเฉลี่ยท่ีเหมาะสมของเสนบัสบารคือ [22]

W ABm

J

VBsmb=

ρ max

max

(1.90)

และกําลังไฟฟาสูญเสียท่ีนอยท่ีสุดโดยเสนบัสบารคือ

( )p p Am

J

Vrb sbsmb+ =

minmax

max

2ρ

(1.91)

ขอท่ีนาสังเกตในสมการท่ี (1.91) นี้คือ ถาเสนบัสบารมีรูปรางปลายแหลมคม (taper) (ซึ่งเปนกรณี

ท่ี m=4) จะทําใหกําลังไฟฟาสูญเสียมีคานอยกวากรณีเสนบัสบารมีรูปรางกวางสมํ่าเสมอ (ซึ่ง m=3) อยูถึง

13% [23-24]

1-42

การคํานวณหาคาจํานวนชุดของเสนฟงเกอรวาจะตองมีก่ีระดับเปนสิ่งท่ีคอนขางยุงยาก อยางไรก็ตาม

สิ่งท่ีควรคํานึงถึงคือ ระยะหางของเสนฟงเกอรควรจะนอยท่ีสุดเพ่ือใหการสูญเสียท่ีเกิดจากการไหลของ

กระแสไฟฟาในแนวระนาบมีคานอยท่ีสุด นั่นคือเราอาจพิจารณาใหวา

S → 0 (1.92)

W

SB

m B

m

J

VF smf c

=+ρ ρ / max

max

2

(1.93)

( )ρ ρ ρ ρρ ρ

rf cf sf tlsmf c

Bm B

m

J

V+ + + =

+

min

max

max

/2

2

(1.94)

ในทางปฏิบัติจะเปนการยากลําบากท่ีจะสรางข้ัวกริดใหไดตามเงื่อนไขเหลานี้ ดังนั้นความกวางท่ีนอย

ท่ีสุดของ WF และ S จึงเปนเร่ืองของขีดจํากัดทางเทคโนโลยีและผลิตผล (yield)

ตัวอยางท่ี 6 จงคํานวณคาความกวางเฉลี่ยของเสนบัสบาร WB และคาระยะหางท่ีเหมาะสมของเสนฟง

เกอรของเซลลแสงอาทิตยตามท่ีแสดงในรูปท่ี 1.33 โดยกําหนดพารามิเตอรพ้ืนฐานดังนี้

ขนาดของแผนเซลลแสงอาทิตย 10cm×10 cm

แรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุด 450 mV

กระแสไฟฟาเอาตพุตสูงสุด 30 mA/cm2

สภาพตานทานแผนของชั้น n ดานรับแสง 40 Ω /

ความกวางของเสนฟงเกอร 150 μm (ผลิตโดยการชุบทางเคมี)

สภาพตานทานของเสนฟงเกอร 15 μΩ.cm

บนเสนฟงเกอรมีชั้นข้ัวตะก่ัวบัดกรีหนา 42 μm

บนเสนบัสบารมีชั้นข้ัวตะก่ัวบัดกรีหนา 80 μm

สภาพตานทานท่ีรอยตอของข้ัวกริดและสารก่ึงตัวนํา 370 μΩ.cm2

รูปที่ 1.33 ตัวอยางการออกแบบขั้วบัสบารและข้ัวฟงเกอรสําหรับใชในการคํานวณในตัวอยางท่ี 6

1-43

วิธีทํา

สภาพตานทานแผนของชั้นข้ัวตะก่ัว = สภาพตานทานของตะก่ัว/ความหนาของตะก่ัว

ดังนั้น ρsmf = 0 00357. /Ω ρsmb = 0 00188. /Ω

เนื่องจาก ρ ρsmb smf< ดังนั้นเสนบัสบารจึงควรยาวและเสนฟงเกอรจึงควรสั้นกวา กําหนดใหการ

แบงพ้ืนท่ียอยมีความยาว A (100mm) และมีความกวาง B (25mm) ขนาดของเสนบัสบารสามารถคํานวณ

ไดจากสมการท่ี (1.90) และออกแบบใหเสนบัสบารเปนรูป taper (ปลายแหลม) ดังนั้นความกวางเฉลี่ย WB

จึงมีคาเทากับ

W cm cmB = × ××

×

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟ =10 2.5

0 00188 0 03

4 0 45014

. .

..

เนื่องจากเสนบัสบารแตละเสนวางคาบอยูบนพ้ืนท่ียอย 2 ดาน ดังนั้นความกวางของเสนบัสบารจึง

ตองมีคาเปน 2 เทาของ WB และเนื่องจากเสนบัสบารมีลักษณะเปน taper ดังนั้นเม่ือคํานวณความลาดของ

taper จึงพบวาสวนกวางท่ีสุดของเสนบัสบารคือ 0.56 mm

จากสมการท่ี (1.91) ผลรวมของกําลังไฟฟาสูญเสียท่ีเก่ียวของกับเสนบัสบารมีคาเทากับ

ρ ρrb sb+ = 0 112.

จากโจทย กําหนดวาความกวางเฉลี่ยของเสนฟงเกอร = WF = 150 μm (0.015 cm) ซึ่งถือวาเปน

เสนท่ีคมมากและในทางปฏิบัติคงยากท่ีจะผลิตใหคมกวานี้อีกแลว ดังนั้นสิ่งท่ีเราจะคํานวณตอไปคือคา

ระยะหางของเสนฟงเกอร S ซึ่งคํานวณไดจากสมการท่ี (1.93) และหารดวย 2 อีกครั้งหนึ่ง นั่นคือ

S cm p p

p p

rf cf

sf t l

= = =

= =

0 3286 0 0109 0 0005

0 0456, 0 0240

. , . , .

. .

1.4.7 การลดการสูญเสียของแสงสะทอน

การเคลือบผิวบนดวยช้ันปองกันการสะทอนแสง (Antirefelction)

แสงท่ีตกกระทบเซลลแสงอาทิตย บางสวนจะถูกข้ัวกริดสะทอนกลับหมด บางสวนจะถูกสารก่ึงตัวนํา

สะทอน ปรากฏการณเหลานี้เปนสาเหตุของการสูญเสียแสงในเซลลแสงอาทิตย การเคลือบฟลมบางทับ

ดานบนของเซลลแสงอาทิตยจะเปนวิธีหนึ่งท่ีจะชวยลดการสะทอนแสงของสารก่ึงตัวนําไดและทําใหแสงเดิน

ทางเขาสูเซลลแสงอาทิตยไดมากขึ้น ฟลมบางท่ีนํามาเคลือบดวยวัตถุประสงคนี้เรียกวา “ชั้นปองกันการสะทอน

แสง” (anti-reflection layer) นิยมเรียกสั้นๆ วา “ชั้น AR” และตองมีการออกแบบท้ังดานความหนาและคา

ดัชนีหักเหแสงท่ีเหมาะสมดังนี้ (ดูรูปท่ี 1.34)

1. ความหนา d1 ของชั้น AR ควรมีคาท่ีเปนไปตามกฎ “1/4 ของความยาวคลื่นแสง” ถาแสงท่ีเรา

พิจารณามีความยาวคลื่น λ (เชน ยอดของสเปกตรัมของแสงอาทิตย) และดัชนีหักเหแสงของชั้น AR เทากับ

n1 ดังนั้นความหนาท่ีเหมาะสมของชั้น AR คือ [25]

dn114

=λ

(1.95)

1-44

2. ชั้น AR ควรมีความโปรงใสท่ีดีและดัชนีหักเหแสง n1 ในอุดมคติควรมีคาเทากับคาเฉลี่ยของผล

คูณของคาดัชนีหักเหแสงของอากาศและของสารก่ึงตัวนําตามสมการดังนี้ [25]

รูปที่ 1.34 ปรากฏการณการแทรกสอดของแสงท่ีเกิดขึ้นในชั้นปองกันการสะทอนแสงท่ีมีความหนา

เทากับ 1/4 ของความยาวคลื่นแสง

n n n1 0 2= (1.96)

โดยท่ี n0, n1, n2 คือดัชนีหักเหแสงของอากาศ ชั้น AR และสารก่ึงตัวนําตามลําดับ

ดวยเงื่อนไขดังกลาวท้ัง 2 ขอนี้ จะทําใหความเขมของแสงสะทอนมีคานอยท่ีสุด เงื่อนไขขอท่ี 1. นั้น

จะทําใหเฟสของแสงท่ีสะทอนท่ีผิวบนสุดและท่ีสะทอนท่ีผิวสารก่ึงตัวนํามีความแตกตางกัน 180° ดังนั้นจึงทํา

ใหแสงท่ีสะทอนท้ัง 2 แหงนั้นไปทําการแทรกสอดแบบหักลางกันเม่ือสะทอนออกจากเซลลแสงอาทิตย จึงทํา

ใหแสงสะทอนสุทธิมีความเขมนอยท่ีสุด ตัวอยางวัสดุท่ีนิยมผลิตเปนชั้น AR ไดแก Si3N

4 และ SiO

2

ตัวอยางท่ี 7 จงพิสูจนเงื่อนไขสมการท่ี (1.95) และ (1.96)

วิธีทํา โดยท่ัวไป สัมประสิทธ์ิการสะทอนแสง R ท่ีมีฟลมบาง 2 ชั้นซอนทันกันมีคาเทากับ

Rr r r r

r r r r=

+ +

+ +12

22

1 2

12

22

1 2

2 2

1 2 2

cos

cos

θ

θ (1.97)

โดยท่ี r1 และ r

2 มีคาดังนี้

rn n

n n10 1

0 1

=−

+ , r

n n

n n21 2

1 2

=−

+ (1.98)

และมุม θπ

λ=

2 1 1n d (1.99)

ถาชั้น AR มีคุณสมบัติตามเงื่อนไขขอ 1. และ 2. สัมประสิทธ์ิการสะทอนแสง R จะมีคาเทากับ

Rn n n

n n nmin =−

+

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

12

0 2

12

0 2

2

(1.100)

1-45

ดังนั้นถาแทนคาสมการท่ี (1.96) ลงในสมการท่ี (1.100) จะไดวา

Rn n n n

n nmin =−⎛

⎝⎜⎞⎠⎟

=0 2 0 20 2

2

20

ตัวอยางท่ี 8 ผลึก Si มีคาดัชนีหักเหแสงเทากับ 3.8 จงออกแบบวาควรใชชั้น AR ท่ีมีดัชนีหักเหแสงเทาไร

และหนาเทาไร โดยเนนท่ีแสงความยาวคลื่น 0.6 μm

วิธีทํา จากสมการท่ี (1.96) n1 1 38 19= × =. .

จากสมการท่ี (1.95) dm

m nm10 64 19

0 0789 78 9=×

= ≈.

.. .

μμ

รูปท่ี 1.35 แสดงตัวอยางผลการวัดสเปกตรัมสัมประสิทธ์ิการสะทอนแสงของเซลลแสงอาทิตยท่ีมี

โครงสรางตางๆ [26] เสนประในรูปแสดงกรณีมีชั้น AR และเสนทึบแสดงกรณีท่ีดานบนชั้น AR มีกระจกใส

(มีคาดัชนีหักเหแสงประมาณ 1.5) วางทับอีกคร้ังหนึ่ง เปนท่ีนาสนใจวาเนื่องจากการประกอบแผงเซลล-

แสงอาทิตยนั้นจะมีแผนกระจกใสวางทับเซลลแสงอาทิตยเสมอ ดังนั้นขอมูลจากรูปนี้จึงทําใหเราทราบวา เม่ือมี

แผนกระจกใสดานบนของชั้น AR ก็จะทําใหเราสามารถผลิตชั้น AR ท่ีมีคาดัชนีหักเหแสงสูงๆ ไดซึ่งจะทําให

ลดตนทุนการผลิตลงได ตารางท่ี 1.3 แสดงตัวอยางรายชื่อและคาดัชนีหักเหแสงของวัสดุท่ีสามารถนํามาผลิต

เปนชั้น AR สําหรับเซลลแสงอาทิตยได

อนึ่ง ชั้นปองกันการสะทอนแสงหรือ ชั้น AR นี้อาจทําจากวัสดุตางชนิดกันหลายๆ ชั้นเคลือบซอนทับ

กันก็ไดซึ่งเรียกวา “ชั้นมัลติเลเยอร” (multi-layer) ขอดีของชั้นมัลติเลเยอรคือชวยลดการสะทอนแสงในชวง

สเปกตรัมท่ีกวางๆ ไดดีกวากรณีการใชชั้น AR เพียงชั้นเดียว [27]

รูปที่ 1.35 ตัวอยางผลการวัดสเปกตรัมสัมประสิทธ์ิการสะทอนแสงของเซลลแสงอาทิตย

ท่ีมีโครงสรางตางๆ [26]

1-46

ตารางที่ 1.3 คาดัชนีหักเหแสงของวัสดุท่ีเคลือบเปนชั้นปองกันการสะทอนแสงสําหรับเซลลแสงอาทิตย

วัสดุ ดัชนีหักเหแสง วัสดุ ดัชนีหักเหแสง

MgF2 1.3-1.4 Si

3N

4 ∼1.9

SiO2 1.4-1.5 TiO

2 ∼2.3

Al2O

3 1.8-1.9 Ta

2O

5 2.1-2.3

SiO 1.8-1.9 ZnS 2.3-2.4

นอกจากนี้ การผลิตใหผิวของเซลลแสงอาทิตยขรุขระแบบพีระมิด (textured surface) ก็สามารถลด

การสะทอนแสงไดดวย รายละเอียดเก่ียวกับผิวขรุขระแบบพีระมิดจะกลาวถึงในหัวขอท่ี 1.5

1.5 เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน

เซลลแสงอาทิตยชนิดท่ีผลิตจากผลึกเดี่ยวซิลิคอน (Si) ปจจุบันมีการผลิตและใชงานกันมากท่ีสุด

เนื่องจากมีจุดเดนดังตอไปน้ี

1) วัสดุดิบซึ่งไดแก ซิลิคอน มีปริมาณมากบนพ้ืนโลก และวัสดุซิลิคอนไมทําลายสภาพแวดลอม

2) เทคโนโลยีการผลิตผลึกเดี่ยวซิลิคอน และเทคโนโลยีการแพรซึมสารเจือปนไดรับการพัฒนาไป

กาวหนามาก ซึ่งเจริญควบคูไปกับเทคโนโลยี VLSI

3) ความหนาแนนของซิลิคอน มีคานอย ทําใหมีน้ําหนักเบา และเปนวัสดุท่ีแข็งแรงตอแรงเคน แมจะ

มีความหนาเพียง 50 μm ก็ยังคงสภาพเปนแผนไดดี

4) มีประสิทธิภาพดีกวาเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนและชนิดอะมอรฟสซิลิคอน

5) ลักษณะสมบัติการผลิตพลังงานไฟฟาเปล่ียนแปลงตามอายุการใชงานนอยมาก สามารถใชงานใน

สถานท่ีโดดเดี่ยว เชน ประภาคารและดาวเทียม ไดอยางมีความม่ันใจ อายุยืนนานกวา 20 ป

6) เนื่องจากผลึกซิลิคอนมีชองวางพลังงานชนิดไมตรง ดังนั้นสัมประสิทธ์ิการดูดกลืนแสงอาทิตยจึง

มีคานอย การผลิตจึงใหหนาพอสมควร เชน หนากวา 100 μm

1.5.1 โครงสรางตางๆ ของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน

โครงสรางพ้ืนฐาน

รูปท่ี 1.36 แสดงโครงสรางพ้ืนฐานของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนซึ่งเปนรอยตอ p-n

อาจใชแผนฐานชนิด p ก็ได หรือใชแผนฐานชนิด n ก็ได แตเนื่องจากระยะทางการแพรซึมของอิเล็กตรอน

ซึ่งเปนพาหะขางนอยในซิลิคอนชนิด p มีคามากกวาระยะทางการแพรซึมของโฮลซึ่งเปนพาหะขางนอยใน

ซิลิคอนชนิด n ดังนั้นจึงนิยมใชแผนฐานชนิด p มากกวา นอกจากนี้ จากขอมูลการใชงานในดาวเทียมพบวา

แผนฐานชนิด p มีความคงทนตอรังสีตางๆ ในอวกาศไดดีกวาดวย ท่ีผิวดานบนมีการแพรซึมสารเจือปนใหเกิด

ชั้นชนิด n+ ความลึกของรอยตอประมาณ 0.5 μm ท่ีผิวดานบนสุดมีขั้วไฟฟาโอหมิกเปนเสนผอมๆ

1-47

รูปที่ 1.36 โครงสรางพ้ืนฐานของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนรอยตอ p-n

รูปที่ 1.37 ตัวอยางลวดลายของข้ัวไฟฟาดานหนาแบบตางๆ

เคลือบซึ่งเรียกวาเสนฟงเกอรหรือเสนนิ้วมือ (finger line) และมีขั้วโลหะพาดเชื่อมระหวางเสนฟงเกอรอีกครั้ง

ซึ่งเรียกวาเสนบัสบาร (bus bar) เพ่ือลดความตานทานของขั้วไฟฟา สําหรับท่ีดานหลังของแผนฐานจะเคลือบ

ขั้วไฟฟาโอหมมิกใหเต็มแผนฐาน รูปท่ี 1.37 แสดงตัวอยางลวดลายของข้ัวไฟฟาดานหนาแบบตางๆ

โครงสราง Violet Cell

ในกรณีท่ีตองการใหเซลลแสงอาทิตยมีผลตอบสนองตอแสงท่ีมีความยาวคล่ืนสั้นๆ สามารถทําไดโดย

การออกแบบใหรอยตอมีความลึกนอยๆ เชน ประมาณ 0.1-0.2 μm นับจากผิวบน วิธีนี้อาศัยหลักการท่ีวา

แสงท่ีมีความยาวคล่ืนสั้นจะถูกดูดกลืนท่ีผิวมากท่ีสุด ดังนั้นเม่ือรอยตอตื้นมากๆ ก็จะทําใหพาหะเดินทางถึงผิว

ดานบนไดดีขึ้น เซลลแสงอาทิตยนี้มีชื่อเรียกวา violet cell

โครงสราง BSF

รูปท่ี 1.38 แสดงตัวอยางผลการคํานวณความสัมพันธระหวางความหนาของแผนฐานชนิด p และ

ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยว Si ซึ่งมีรอยตอชนิด n+-p และชนิด n

+-p-p

+ จากรูปนี้พบวา

ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยจะเพ่ิมขึ้นตามความหนาของแผนฐาน และจะไมเพ่ิมอีกแมวาความหนาของ

1-48

รูปท่ี 1.38 ผลการคํานวณความสัมพันธระหวางความหนาของแผนฐานชนิด p และประสิทธิภาพของ

เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยว Si รอยตอ n+-p และ n

+-p-p

+

รูปที่ 1.39 แถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอ n+pp

+ ซึ่งเรียกวา โครงสราง BSF

แผนฐานจะมากกวา 100 μm แลวก็ตาม ดังนั้นจากรูปนี้ทําใหเราทราบวาแผนฐานสําหรับใชในเซลล-

แสงอาทิตยนั้นมีความหนาเพียงประมาณ 100 μm ก็เพียงพอแลว

อยางไรก็ตาม ถาความหนาของแผนฐานนอยกวาคาๆ หนึ่ง จะทําใหอิเล็กตรอนท่ีเกิดจากแสงบางตัว

แพรซึมไปรวมตัวกับโฮลท่ีดานหลังของแผนฐานได เพ่ือปองกันขอบกพรองนี้ จึงไดมีการออกแบบใหมีการ

เติมสารเจือปนดานหลังของแผนฐานใหเปนชนิด p+ ดังนั้นเซลลแสงอาทิตยจึงมีรอยตอเปน n

+pp

+ และเรียก

โครงสรางเชนนี้วา โครงสราง BSF (back surface field) เซลลแสงอาทิตยโครงสราง BSF มีคุณสมบัติเดน

ดังนี้

- มีการดูดกลืนแสงท่ีมีความยาวคล่ืนยาวไดดีขึ้น เพราะอิเล็กตรอนท่ีแพรซึมไปดานหลัง จะถูก

กําแพงศักยของชั้น p+ สะทอนใหไหลกลับไปดานหนาดังแสดงในรูปท่ี 1.39

- ชั้น pp+ ทําใหแรงดันไฟฟาวงจรเปดเพ่ิมขึ้น

- ชั้น p+ ชวยลดความตานทานอนุกรมของโฮลลง จึงทําใหฟลลแฟกเตอรของเซลลแสงอาทิตยดีขึ้น

- ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้จะเพ่ิมขึ้น แมวาแผนฐานจะบางลง ดังแสดงดวยเสนทึบ

ในรูปท่ี 1.38

โครงสรางสําหรับกักแสง

1) การใชฟลมปองกันการสะทอนแสง

1-49

ในชวงความยาวคล่ืนแสง 400-1,100 nm ดัชนีหักเหแสงของวัสดุซิลิคอนมีคาคอนขางมากประมาณ

6.00-3.50 ดังนั้นจึงทําใหมีการสูญเสียอันเนื่องจาการสะทอนแสงท่ีผิวดานรับแสงมีคามากถึง 54% ในยาน

ความยาวคลื่นสั้น และมีการสูญเสียถึง 34% ในยานความยาวคลื่นยาว วิธีการลดการสูญเสียในกรณีนี้ทําได

โดยการเคลือบฟลมบางๆ ท่ีโปรงใสและมีดัชนีหักเหแสงนอยท่ีบนผิวดานบนเพ่ือใหทําหนาเปน “ชั้นปองกัน

การสะทอนแสง” (anti-reflection layer) รายละเอียดเก่ียวกับชั้น AR นี้ไดกลาวถึงแลวในหัวขอท่ี 1.4.7

รูปท่ี 1.40 แสดงตัวอยางสเปกตรัมการสะทอนแสงจากผิวของเซลลแสงอาทิตย โดยท่ีเสนหมายเลข

(1) เปนกรณีผิวกระจกท่ียังไมมีชั้น AR เสนหมายเลข (2) เปนกรณีเคลือบชั้น AR (ดัชนีหักเหแสง 2.25)

ลงบนผิวกระจก เสนหมายเลข (3) เปนกรณีผิวขรุขระ และเสนหมายเลข (4) เปนกรณีเคลือบชั้น AR ลงบน

ผิวขรุขระ ตัวอยางวัสดุชั้น AR ท่ีนิยมใชกันไดแก Si3N

4 , SiO

2 , SnO

2 เปนตน

2) การใชโครงสรางผิวขรุขระ

เนื่องจากผิวดานรับแสงของเซลลแสงอาทิตยโดยท่ัวไปเปนผิวเรียบมันแบบกระจกเงา ดังนั้นแมวาจะ

เคลือบผิวดวยฟลมปองกันการสะทอนแสง แตก็ยังคงทําใหมีการสะทอนแสง วิธีการลดการสะทอนแสงท่ี

ไดผลมากอีกวิธีหนึ่งไดแก การทําใหผิวของซิลิคอนขรุขระแบบพีระมิดซึ่งเรียกวา “โครงสรางผิวเทกซเจอร”

(textured surface) ดังแสดงในรูปท่ี 1.41 ผิวขรุขระทําไดโดยการกัดผิวของแวนผลึกซิลิคอนดวยน้ํายาเคมีท่ี

เลือกเฉพาะ จะสามารถกัดใหผิวขรุขระแบบพีระมิด ในโครงสรางเชนนี้ แสงท่ีเดินทางเขามาจะสะทอนท่ีผิว

รูปที่ 1.40 สเปกตรัมการสะทอนแสงจากผิวของเซลลแสงอาทิตย โดยท่ีเสนหมายเลข

(1) เปนกรณีผิวกระจกท่ียังไมมีชั้น AR

(2) เปนกรณีเคลือบชั้น AR (ดัชนีหักเหแสง 2.25) ลงบนผิวกระจก

(3) เปนกรณีผิวขรุขระ และ

(4) เปนกรณีเคลือบชั้น AR ลงบนผิวขรุขระ

รูปที่ 1.41 ภาพตัดขวางเซลลแสงอาทิตยท่ีมีผิวขรุขระแบบพีระมิดซึ่งเรียกวา “โครงสรางผิวเทกซเจอร”

1-50

ของพีระมิดและจะเบ่ียงเบนเขาสูเนื้อผลึกและเกิดการสะทอนแสงในผลึกหลายๆ คร้ัง และเนื่องจากแสงท่ีเดิน

ทางเขาสูเนื้อผลึกมีทิศทางเฉียง ดังนั้นระยะทางการเดินของแสงในผลึกจะเพ่ิมขึ้นและสงผลใหเกิดการดูดกลืน

แสงในผลึกมากขึ้น เสนประหมายเลข (3) และ (4) ในรูปท่ี 1.40 แสดงสเปกตรัมการสะทอนแสงกรณีผิว

ขรุขระซึ่งจะเห็นไดวาการสะทอนแสงแทบไมมีเลย นิยมเรียกเซลลแสงอาทิตยท่ีมีท้ังชั้นปองกันการสะทองแสง

และผิวขรุขระเชนนี้วา “เซลลดํา” (black cell) เพราะวาเม่ือเรามองผิวของเซลลแสงอาทิตย จะพบวาสีของ

เซลลแสงอาทิตยเปนสีดํา

วิธีการกัดผิวซิลิคอนระนาบ (100) ใหเปนพีระมิดซึ่งดานขางของพีระมิดจะเปนระนาบ (111) ทําได

โดยการแชแวนผลึกลงในสารละลายไฮโดราซิน 60% ท่ีอุณหภูมิ 110 °C เปนเวลาประมาณ 10 นาที หรือแช

ลงในสารละลายของโซดาไฟ (NaOH) 1% ท่ีกําลังเดือดเปนเวลาประมาณ 5 นาที

1.5.2 ประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน

ในทางทฤษฎี

ชอกลียไดคํานวณหาคาประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน [13] โดย

สมมติวาโฟตอนท่ีมีคามากกวาชองวางพลังงานถูกสารก่ึงตัวนําดูดกลืนและโฟตอนทุกตัวสามารถผลิต

อิเล็กตรอนได และใหสเปกตรัมของแสงอาทิตยมีรูปแบบสเปกตรัมของวัตถุดําท่ีอุณหภูมิ 6,000 K ผลการ

คํานวณไดผลวา ประสิทธิภาพสูงสุดไดจากผลึกท่ีมีชองวางพลังงาน 1.1 eV และมีประสิทธิภาพ 44% แตผล

การคํานวณนี้ไมสามารถนํามาใชไดในทางปฏิบัติ เพราะวาในเซลลแสงอาทิตยท่ีเปนจริงจะมีการสูญเสียตางๆ

เกิดขึ้น ตอไปจะแสดงวิธีการประเมินหาคาประสิทธิภาพของเซลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนท่ีใกลเคียง

กับสภาพความเปนจริง

ถาสมมุติใหวาโฟตอนแตละตัวท่ีมีพลังงานมากกวาชองวางพลังงาน 1.1 eV ของซิลิคอนสามารถผลิต

อิเล็กตรอนได 1 ตัว ดังนั้นจากการคํานวณจํานวนโฟตอนท้ังหมดตลอดสเปกตรัมของแสงอาทิตย จะไดคา

กระแสไฟฟาลัดวงจรเทากับ 37.7 mA/cm2 ท่ีแสงความเขม AM 1.5 (83.2 mW/cm

2) หรือเทากับ 54.2

mA/cm2 ท่ีแสงความเขม AM 0 (135.3 mW/cm

2)

สําหรับคาในอุดมคติของแรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc คือ

VkT

q

I

Iocsc= +ln( )0

1 (1.101)

โดยท่ี I0 คือกระแสไฟฟายอนอ่ิมตัวในขณะไมมีแสง

สมการนี้บอกใหเราทราบวา ถาตองการ Voc คามาก ตองลดคา I0 ลง ในกรณีเซลลแสงอาทิตยชนิด

ผลึกเดี่ยวซิลิคอน คา Voc สูงสุดท่ีเปนไปไดประมาณ 700 mV

สําหรับฟลลแฟกเตอร FF นั้น จากประสบการณพบวามีความสัมพันธดังนี้ [28]

FFv v

voc oc

oc

=− +

+

ln( . )0 72

1 (1.102)

โดยท่ี voc = Voc/(kT/q)

1-51

จากสมการนี้ ผลการคํานวณคาฟลลแฟกเตอร FF มีคา 0.846

ดังนั้นภายใตแสงอาทิตยความเขม AM 1.5 (83.2 mW/cm2) คาคาดคะเนสูงสุดท่ีนาจะเปนไปได

ของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนคือ 26.5 % โดยคํานวณดังนี้

ηmax. .

. .=× ×

=37 2 700 0 846

83 2 26 5% (1.103)

1.5.3 โครงสรางตางๆ ของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน

ที่มีประสิทธิภาพสูงมาก

ประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนท่ีผลิตไดในปจจุบันมีคาถึงระดับ 23%

แลว ในหัวขอนี้จะขอยกตัวอยางโครงสรางแบบตางๆ ของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนท่ีให

ประสิทธิภาพสูง

เซลลแสงอาทิตยขนาดเล็ก

1) โครงสราง PESC

รูปท่ี 1.42 แสดงโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด PESC (passivated emitter solar cell) [29] มี

ลักษณะเปนรอยตอ n-p ท่ีดานรับแสงมีฟลมฉนวนออกไซดบางมาก (ประมาณ 2-3 nm) เคลือบไว ฟลม

ฉนวนนี้ชวยลดการรวมตัวของอิเล็กตรอนและโฮลและเพ่ิมแรงดันไฟฟาวงจรเปด ขั้วไฟฟาดานบนสัมผัส

รูปที่ 1.42 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด PESC (passivated emitter solar cell) [29]

ท้ังฟลมฉนวนและชั้น n แผนฐานใชผลึก FZ-Si (Floating zone Si) ท่ีมีสภาพตานทานไฟฟาต่ํา (0.2

Ω.cm) ผลการวัดภายใตแสง AM1.5 (100mW/cm2) ไดประสิทธิภาพ 19.8 % [30-31 ]

2) โครงสรางไมโครกรูฟ

รูปท่ี 1.43 แสดงโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดไมโครกรูฟ (micro grooved passivated emitter

solar cell) [31-32] โครงสรางพ้ืนฐานคลายกับโครงสราง PESC โดยท่ีผิวดานรับแสงนั้นผลิตใหมีลักษณะ

เปนรองซึ่งเรียกวา “ไมโครกรูฟ” มีลักษณะคลายหลังคาบาน ความลึกของไมโครกรูฟประมาณ 5 μm

ระยะพิตช (pitch) ประมาณ 10 μm สรางดวยวิธีโฟโตลีโทกราฟและกัดดวยสารละลายของ NaOH ลักษณะ

เดนของโครงสรางนี้คือ

- ผิวไมโครกรูฟชวยใหสัมประสิทธ์ิของการสะทอนแสงลดลงจาก 3-4 % เปนนอยกวา 1%

- แสงจะตกกระทบผิวในลักษณะมุมเฉียง ซึ่งจะสะทอนจากผิวไมโครกรูฟหนึ่งไปยังผิวไมโครกรูฟ

ขางเคียงและเดินทางเขาสูเนื้อผลึกไดดีขึ้น ทําใหมีการดูดกลืนแสงเพ่ิมขึ้น

1-52

- เนื่องจากผิวไมโครกรูฟเรียงตัวกันอยางเปนระเบียบ ทําใหสามารถสรางข้ัวไฟฟาดานบนไดอยาง

เปนระเบียบ เปนผลใหลดความตานทานอนุกรมได

- สามารถผลิตใหเหมือนเดิมไดงาย (reproducibility)

ตัวอยางผลการผลิตและวัดภายใตแสง AM1 (100mW/cm2) ไดลักษณะสมบัติเอาตพุตดังนี้

Jsc = 38.3 mA/cm2, Voc = 662 mV, FF = 0.824 และ ประสิทธิภาพ η = 20.9% [33]

รูปที่ 1.43 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดไมโครกรูฟ [31-32]

3) โครงสราง PERC

เซลลแสงอาทิตยท่ีมีโครงสราง PERC (passivated emitter and rear cell) แสดงในรูปท่ี 1.44 ท่ี

ดานหลังมีการเคลือบวัสดุฉนวน SiO2 บางๆ และเปดชั้นฉนวนออก 2 mm จากนั้นเคลือบขั้วไฟฟา Al ใหเต็ม

พ้ืนท่ีดานหลังและอบที่อุณหภูมิ 400 °C เปนเวลา 15 นาที การออกแบบดานหลังเชนนี้ชวยใหแรงดันไฟฟา

วงจรเปดดีขึ้นและลดการรวมตัวของพาหะท่ีดานหลังและลดกระแสไฟฟายอนอ่ิมตัว [12] ท่ีดานหนา

ออกแบบใหผิวรับแสงมีลักษณะขรุขระแบบ “พีระมิดคว่ํา” (inverted pyramid) ซึ่งเปนการชวยทําให

สัมประสิทธ์ิการสะทอนแสงท่ีผิวมีคานอยท่ีสุด แผนฐานชนิด p มีสภาพตานทานไฟฟา 0.2 Ωcm ตัวอยางผล

การผลิตและวัดภายใตแสง AM 1.5 ไดลักษณะสมบัติเอาตพุตดังนี้ Jsc = 40.3 mA/cm2, Voc = 696 mV,

FF = 0.814 และประสิทธิภาพ η = 22.8% [12]

4) โครงสราง PERL

โครงสราง PERC ท่ีกลาวมาแลวขางตนชวยทําใหความเร็วในการรวมตัวของพาหะท่ีผิวดานหนา

ดานหลังและภายในผลึกลดลง เปนผลทําให Voc และ Jsc เพ่ิมขึ้น เซลลแสงอาทิตยท่ีมีโครงสราง PERL

(passivated emitter rear locally diffused) แสดงในรูปท่ี 1.45 [34] ท่ีดานหลัง มีการแพรซึมสารเจือปน

รูปที่ 1.44 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด PERC (passivated emitter and rear cell) [12]

1-53

รูปที่ 1.45 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด PERL (passivated emitter rear locally diffused)

ชนิดโบรอนบริเวณที่อยูใกลรอยเปดของชั้นฉนวนใหมากเปนพิเศษโดยการใช BBr3 และแพรซึมท่ีอุณหภูมิ

900 °C เปนเวลา 15 นาที และอบท่ีอุณหภูมิ 1070 °C เปนเวลา 2 ชั่วโมง

ตัวอยางผลการทดลองวัดภายใตแสง AM-1.5 ได Jsc =42.9 mA/cm2, Voc=696 mV,

FF=0.81 และ ประสิทธิภาพ η = 24.2 % นับเปนประสิทธิภาพระดับสูงท่ีสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก

เดี่ยว Si ท่ีมีการรายงานในปจจุบัน

5) โครงสรางฝงขั้วไฟฟา

แมวาเซลลแสงอาทิตยท่ีมีโครงสรางตางๆ ท่ีกลาวมาแลวขางตนจะใหประสิทธิภาพสูงมากก็ตาม แต

มีขอเสียท่ีตองใชกระบวนการผลิตท่ียุงยากและหลายขั้นตอน จึงไดมีการเสนอโครงสรางใหมท่ีเหมาะสมตอการ

ผลิตจํานวนมากๆ เชน การใชโครงสรางฝงขั้วไฟฟา (buried contact) ดังแสดงในรูปท่ี 1.46 [35] ผิวดานรับ

แสงมีลักษณะขรุขระแบบเทกซเจอร และมีการใชแสงเลเซอรเจาะผิวดานบนใหเปนรองท่ีลึกประมาณ 40 μm

และกวางประมาณ 20 μm ตอจากนั้นจึงแพรซึมสารเจือปนชนิด n เขาสูภายในรองนี้

ตัวอยางผลการผลิตเซลลแสงอาทิตยพ้ืนท่ี 4 cm2 และวัดภายใตแสง AM1.5 ไดลักษณะสมบัติ

เอาตพุตดังนี้ Jsc = 38.0 mA/cm2, Voc

= 609 mV, FF = 0.802 และ ประสิทธิภาพ η = 18.6 %

เซลลแสงอาทิตยขนาดใหญ

เซลลแสงอาทิตยท่ีมีการผลิตจํานวนมากในภาคอุตสาหกรรมมีพ้ืนท่ีของเซลลตามขนาดของแผนเว

เฟอร (wafer) เชนในกรณีรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสมีพ้ืนท่ีประมาณ 10 cm × 10 cm หรือในกรณีรูปวงกลมมีเสน

ผานศูนยกลาง 5 นิ้ว โดยท่ัวไป เม่ือเซลลแสงอาทิตยมีพ้ืนท่ีใหญขึ้น ประสิทธิภาพของการแปลงพลังงานจะ

ลดลง ท้ังนี้มีหลายสาเหตุ เชน 1) มีการสูญเสียอันเนื่องจากความตานทานอนุกรมของข้ัวไฟฟามากขึ้น และ

2) พ้ืนท่ีท่ีมีจุดบกพรองของผลึกมีขนาดมากขึ้น ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยท่ีมีพ้ืนท่ีระหวาง 50-100

cm2 มีคาประมาณ 15-17%

รูปที่ 1.46 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดฝงข้ัวไฟฟา (buried contact) [35]

1-54

1.6 เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอน

หัวขอการพัฒนาและวิจัยเซลลแสงอาทิตยท่ีสําคัญในขณะนี้ไดแก การประดิษฐเซลลแสงอาทิตยท่ีมี

ประสิทธิภาพสูงและการหาวิธีลดตนทุนการผลิต เนื่องจากตนทุนการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนมีแนวโนมวาถูกกวา

ผลึกเดียวซิลิคอน ดังนั้นเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนจึงกําลังไดรับความสนใจในฐานะท่ีจะเปนเซลล

แสงอาทิตยท่ีมีราคาถูกชนิดหนึ่งและปจจุบันมีการผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้ออกจําหนายแลวปหนึ่งหลายสิบ

เมกะวัตต

ผลึกโพลี Si ไดแก ผลึกท่ีมีระนาบของผลึกหลายชนิดปนอยูในระนาบเดียวกัน เชน (111) (211)

(330) เปนตน เม่ือมองดูดวยตาเปลาก็จะเห็นความแตกตางของสีของแตระนาบอยางชัดเจน อาณาเขตของ

ผลึกแตละระนาบเรียกวา “เกรน” (grain) เกรนแตละเกรนอาจมีรูปรางเกือบเปนทรงกลมหรือหลายเหลี่ยม

หรือมีรูปรางท่ีไมแนนอน เทคโนโลยีในปจจุบันสามารถผลิตผลึกโพลี Si ใหมีเกรนท่ีมีเสนผานศูนยกลางตั้งแต

หลายสิบ μm ไปจนถึงหลายพัน μm ได ถาเกรนมีขนาดใหญกวาความหนาของเซลลแสงอาทิตย พาหะ โฟโต

ท่ีเกิดจากแสงจะสามารถเดินทางผานรอยตอ p-n ออกสูวงจรภายนอกของเซลลแสงอาทิตยไดอยางมี

ประสิทธิภาพ รูปท่ี 1.47 แสดงผลการคํานวณความสัมพันธระหวางเสนผานศูนยกลางของเกรนและ

ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย [36] จากรูปนี้จะพบวาประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยจะเพ่ิมขึ้นเม่ือ

เกรนมีขนาดใหญขึ้น ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลี Si ท่ีผลิตในภาคอุตสาหกรรมสูงถึงระดับ

15% แลว

1.6.1 การผลิตผลึกโพลีซิลิคอน

ผลึกโพลีซิลิคอนสามารถผลิตไดจากซิลิคอนท้ังวิธีการใชซิลิคอนท่ีมีสถานะเปนของเหลวและวิธีการใช

กาซ รูปท่ี 1.48 แสดงรายชื่อวิธีการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนจากสถานะของเหลว

วิธีแคสติง (casting) ไดแก การหลอซิลิคอนเหลวลงในเบา รูปปริมาตรสี่เหลี่ยม เม่ือเย็นลง ผลึก

ซิลิคอนจะมีลักษณะเปนแทงแข็ง (ingot) ตอจากนั้นจึงตัดใหเปนแผนบางๆ (slicing) บริษัทท่ีเปนผูนํา

รูปที่ 1.47 ผลการคํานวณความสัมพันธระหวางเสนผาศูนยกลางของเกรนและประสิทธิภาพของ

เซลลแสงอาทิตย [36]

1-55

รูปที่ 1.48 รายชื่อวิธีการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนจากสถานะของเหลว

เทคโนโลยีวิธีนี้ไดแก บริษัท Wacker และเรียกเทคโนโลยีการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนเชนนี้วา “วิธี Silso” รูปท่ี

1.49 แสดงวิธีการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนดวยวิธี Silso สามารถผลิตผลึกโพลีซิลิคอนท่ีมีขนาดของเกรนใหญ

ระดับหลายมิลลิเมตรได

บริษัท Crystal System ก็มีการพัฒนาเทคโนโลยี “HEM: heat exchange method”

เทคโนโลยีการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนอีกวิธีหนึ่งคือ วิธีชีติง (sheeting method) ไดแก การหลอซิลิคอน

เหลวใหเปนแผนบางๆ ซึ่งมีหลายเทคโนโลยีเชน EFG (edge-defined film-fed growth), S-web

รูปที่ 1.49 วิธีการผลิตผลึกโพลีซิลิคอนดวยวิธี Silso

1-56

รูปที่ 1.50 เทคโนโลยีการผลิตผลึกโพลี Si แบบแคสตริบบอน (cast-ribbon)

(supported web), SCIM(silicon coating by inverted meniscus) รูปท่ี 1.50 แสดงตัวอยางเทคโนโลยีแคสต

ริบบอน (cast-ribbon) สามารถดึงแผนผลึกโพลีซิลิคอนท่ีมีความกวาง 200 mm หนา 0.3 mm ไดดวย

ความเร็ว 400 cm2/min เซลลแสงอาทตยท่ีผลิตจากผลึกวิธีแคสตริบบอนนี้มีประสิทธิภาพสูงกวา 13% [37]

1.6.2 อิทธิพลของเกรนที่มีตอคุณสมบัติทางไฟฟาและแสง

ปญหาหลักท่ีเกิดขึ้นในผลึกโพลีซิลิคอนไดแก อิทธิพลของเกรนท่ีมีตอคุณสมบัติทางไฟฟาและแสง

อะตอมซิลิคอนท่ีอยูบริเวณผิวรอบๆ เกรนนั้นปกติจะมีพันธะท่ีไมสมบูรณ กลาวคือ จะมีแขนขาด (dangling

bonds) ซึ่งไมมีอะตอมซิลิคอนตัวอ่ืนมาสรางพันธะดวย อิเล็กตรอนซึ่งเปนแขนขาดนั้นมีคุณสมบัติท่ีไวตอการ

จับอิเล็กตรอนจากธาตุอ่ืนๆ มาก ดังนั้นในขณะท่ีกําลังปลูกผลึกโพลีซิลิคอน อิเล็กตรอนท่ีเปนแขนขาดจึงมี

โอกาสท่ีจะสรางพันธะกับสารเจือปนหรือสารแปลกปลอมไดงาย และในทางอิเล็กทรอนิกสจะทําใหเกิดสถานะ

ท่ีไมพึงปรารถนาอยูภายในชองวางพลังงานของซิลิคอนซึ่งเรียกวา “สถานะของจุดบกพรอง” (defect states)

สถานะของจุดบกพรองเหลานี้จะทําหนาท่ีคอยดักจับพาหะขางนอยท่ีเกิดจากแสงไมใหเดินทางออกไปสูวงจร

ภายนอกและสงผลใหเวลาอายุ (life time) ของพาหะขางนอยลดลง

นอกจากนี้ การจับพาหะดังกลาวยังทําใหเกิดสภาพไอออนขึ้นท่ีพรมแดนของเกรน และทําให

แถบพลังงานท่ีพรมแดนเกิดเสนโคงดังแสดงในรูปท่ี 1.51 ในรูปนี้แสดงกรณีสารก่ึงตัวนําชนิด n แตสามารถ

ใชไดกับกรณีชนิด p ดวย

กรณี (ก) ไดแกกรณีท่ีพรมแดนของเกรนมีสภาพเปนไอออนลบและสถานะของจุดบกพรองจะ

กระจายอยูเหนือก่ึงกลางของชองวางพลังงาน ทําใหแถบพลังงานท่ีพรมแดนโคงงอสูงข้ึน ท่ีพรมแดนดังกลาว

จะเกิดเปนชั้นปลอดพาหะ (depletion layer) ในสภาพเชนนี้ พาหะขางมากจะตองกระโดดขามกําแพงศักย จึง

จะเดินทางผานสวนแหลมนี้ไปได ผลทําใหคาสภาพความคลองตัวลดลงอยางมากและความตานทานอนุกรม

ของผลึกจะมีคาสูงข้ึน [38] ขณะเดียวกันพาหะขางนอยจะถูกสนามไฟฟาท่ีพรมแดนนี้ดึงดูดใหไปรวม

1-57

รูปที่ 1.51 แถบพลังงานและการเกิดสถานะของจุดบกพรองบริเวณพรมแดนของเกรนใน

ผลึกโพลีซิลิคอน

ตัวท่ีพรมแดน และในท่ีสุดพาหะขางนอยก็จะถูกจับไวท่ีสถานะของจุดบกพรอง เปนผลใหเวลาอายุของพาหะ

ขางนอยลดลงอยางมาก

กรณี (ข) ไดแกกรณีท่ีสถานะของจุดบกพรองอยูท่ีใตก่ึงกลางของชองวางพลังงาน ทําให

แถบพลังงานถูกดัดใหแหลมและสูงข้ึน และท่ีบริเวณพรมแดนน้ันจะมีชั้นอินเวอรชัน (inversion layer) เกิดขึ้น

กรณี (ค) ไดแกกรณีท่ีสถานะของจุดบกพรองอยูชิดขอบของแถบคอนดักชัน และระดับเฟรมีท่ี

บริเวณพรมแดนของเกรนจะอยูชิดแถบคอนดักชันมากกวาระดับเฟรมีท่ีอยูภายในเกรน พรมแดนเชนนี้จะทํา

หนาเปนชั้นสะสมพาหะ (accumulation layer) อยางไรก็ตามในกรณีนี้ ท้ังพาหะขางมากและพาหะขางนอยจะ

ไมไดรับอิทธิพล ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยจึงไมไดรับอิทธิพล เราสามารถสรางใหเกิด

สภาพเชนนี้ไดโดยการแพรซึมสารเจือปนชนิด n (โดเนอร) ใหไปเกาะติดท่ีพรมแดนใหมากท่ีสุด

เทคโนโลยีท่ีสามารถลดจํานวนแขนขาดท่ีพรมแดนของเกรนท่ีไดผลไดแก การใชไฮโดรเจนพลาสมา

โดยการวางแผนผลึกโพลีซิลิคอนในเครื่อง plasma CVD ซึ่งมีสนามไฟฟากระตุนใหกาซไฮโดรเจนแตกตัวเปน

พลาสมา อะตอมของไฮโดรเจนจะไปเกาะกับแขนขาดของซิลิคอน ทําใหจํานวนแขนขาดลดลงได [39-40] อีก

วิธีหนึ่งไดแก การใชไอออนของไฮโดรเจนฝงเขาสูผิวของผลึก (ion implantation) [41] ตัวอยางเงื่อนไขท่ีใชยิง

ไอออนท่ีไดผลคือ พลังงานไอออน 0.5-2 keV ความหนาแนนของกระแสไอออน 0.2-0.6 mA/cm2 ความ

หนาแนนของการฝงไอออน 5×1017

cm-2

1.6.3 การทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอน

เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนมีโครงสรางพ้ืนฐานเปนรอยตอ p-n และมีหลักการทํางาน

เหมือนกับเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน ประเด็นท่ีเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนมีความ

แตกตางออกไปไดแก

(1) มีเกรนอยูในผลึก พาหะขางนอยท่ีเกิดจากแสงจะถูกกักใหรวมตัวท่ีพรมแดนของเกรน

(2) การเดินทางของพาหะขางมาก จะตองกระโดดขามกําแพงศักยท่ีโคงงอขึ้นท่ีพรมแดนของเกรน

ทําใหความตานทานอนุกรมของเซลลมีคาสูงข้ึน

(3) ความสูงของกําแพงศักยท่ีบริเวณพรมแดนของเกรน เปลี่ยนแปลงตามความเขมของแสงท่ีตก

กระทบ

(4) เนื่องจากในกระบวนการผลิตลึกโพลี ใชเงื่อนไขใหความเร็วของการเติบโตของผลึกมีคาสูง

ดังนั้นจึงทําใหจุดบกพรองภายในผลึกมีจํานวนมากดวย

1-58

นอกจากนี้ กรณี (1) ยังทําสงผลทําใหแรงดันไฟฟาวงจรเปดของเซลลแสงอาทิตยลดลงดวย และถา

สภาพนําไฟฟาตามแนวพรมแดนมีคาสูง ก็จะทําใหความตานทานชันต (shunt resistance) ลดลง ซึ่งจะทําให

ฟลลแฟกเตอรของเซลลแสงอาทิตยลดลงได

ผลึกโพลีซิลิคอนท่ีดีไมควรมีเกรนรูปรางสุม แตควรมีเกรนท่ีมีลักษณะเปนทอนยาว (column

structure) ในทิศทางตามความหนาของแผนผลึก และเกรนทอนยาวน้ันตองไมมีการขาดตลอดความหนาของ

แผนผลึก เกรนท่ีมีลักษณะเชนนี้จะทําใหความเร็วในการรวมตัวของพาหะท่ีพรมแดนมีคานอยกวากรณีเกรน

รูปรางอ่ืนๆ

โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนท่ีกําลังไดรับความสนใจในปจจุบันมีดังตอไปน้ี

(1) โครงสรางรูปอักษร “V” แสดงในรูปท่ี 1.52 ท่ีผิวดานรับแสงถูกเคร่ืองมือกลไสใหเปนรอง

รูปอักษร “V” ดวยเหตุผลเพ่ือตองการลดการสูญเสียอันเนื่องจากการสะทอนแสง ขนาดของพิตช 70 μm ลึก

70 μm ตอจากนั้นใชน้ํายาเคมีชนิดกรดและดางกัดผิวอีกคร้ังเพ่ือลดจํานวนของแขนขาดท่ีผิว ขั้วไฟฟาดานรับ

แสงใชขั้วโลหะชนิด MgF2 และเคลือบดวย SiO

2 เพ่ือลดการเกิดปฏิกิริยาตางๆ ดานหลังของเซลลใช Al เปน

ขั้วไฟฟา ขั้วไฟฟาดานหนามีความกวาง 50 μm และพิตช 2.2 mm ประสิทธิภาพท่ีไดสูงถึง 17% [42]

รูปที่ 1.52 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนท่ีผิวมีโครงสรางรูปอักษร “V” [42]

(2) โครงสรางข้ัวไฟฟา 3 ขั้วแสดงในรูปท่ี 1.53 ท่ีผิวดานรับแสงมีขั้วลบ 1 ขั้ว ท่ีผิวดานหลังมี

ขั้วบวก 1 ขั้ว และมีขั้วลบอีก 1 ขั้ว สามารถรับแสงไดท้ังดานบนและดานลาง [43]

(3) โครงสราง BSNSC แสดงในรูปท่ี 1.54 มีฟลมซิลิคอนไนไตรดเคลือบทับท้ังท่ีผิวดานหนาและ

ดานหลัง (passivation) ฟลมซิลิคอนไนไตรดไดจากการแยกสลายกาซ SiH4 และ NH

3 ดวยวิธี plasma CVD

เนื่องจากใชกาซ H2 ผสมดวยปริมาณมาก ดังนั้นจึงมีผลการทําใหไฮโดรเจนไปเกาะท่ีแขนขาดของผลึกโพลี

ซิลิคอนดวย การทําใหผิวดานหนาขรุขระ (textured) นั้นทําดวยวิธีทางโฟโตลีโทกราฟ ลวดลายของข้ัวดานหนา

มีขนาดเล็กมากและช้ันท่ีใตขั้วเหลานั้นมีการโดปใหเปนชั้น n+ ทําใหมีประสิทธิภาพสูงถึง 16.4% พ้ืนท่ีเซลล

แสงอาทิตยเทากับ 15 cm2 [44]

1-59

รูปที่ 1.53 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนท่ีมีขั้วไฟฟา 3 ขั้ว [43]

รูปที่ 1.54 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกโพลีซิลิคอนชนิด BSNSC [44]

1-60

1.7 เซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอน

สิ่งประดิษฐออปโตอิเล็กทรอนิกสท่ีผลิตจากสารก่ึงตัวนําชนิดอะมอรฟสซิลิคอน (a-Si:H) ท่ีมีการใช

งานกันแพรหลายและรูจักกันมากท่ีสุดไดแก เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ปจจุบันเซลลแสงอาทิตยชนิด

a-Si:H มีการใชงานต้ังแตสําหรับผลิตกระแสไฟฟาใหเคร่ืองคิดเลขท่ีมีขนาดเล็กๆ ไปจนถึงการผลิต

กระแสไฟฟาใหระบบสายสงกระแสไฟฟาปริมาณมากๆ

เนื่องจากคุณสมบัติทางฟสิกสของ a-Si:H แตกตางไปจากกรณีของผลึกซิลิคอน (c-Si) ในหลายๆ

ดาน เชน สัมประะสิทธ์ิการดูดกลืนแสง ความคลองตัว แก็ปสเตต ฯลฯ ดังนั้นการออกแบบเซลลแสงอาทิตย

ชนิด a-Si:H จึงตองแตกตางไปจากกรณีเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si ในหัวขอนี้จะกลาวถึงพ้ืนฐานของ

เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ซึ่งไดแก หลักการทํางานพ้ืนฐาน การออกแบบ การประดิษฐ คุณสมบัติพ้ืนฐาน

การปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ตลอดจนจะกลาวถึงความกาวหนาในการพัฒนา

และการใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ท่ีมีโครงสรางพิเศษตางๆ

1.7.1 ประวัติการพัฒนาเซลลแสงอาทิตยชนิดฟลมบางของ

อะมอรฟสซิลิคอน

เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มีขอดีเดนกวาเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si หลายประการ เชน ผลิต

จากวัสดุอะมอรฟสซิลิคอนซึ่งมีราคาถูกกวา ผลิตเปนฟลมบางไดจึงประหยัดวัสดุกวา ผลิตเปนพ้ืนท่ีใหญๆ ได

และมีน้ําหนักเบา เปนตน

เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ไดรับการพัฒนาขึ้นคร้ังแรกโดย D. E. Carlson และ C. R. Wronski

ท่ีบริษัท RCA ประเทศสหรัฐอเมริกา เม่ือ ค.ศ. 1976 [45-47] โดยเริ่มตนใชโครงสรางชอตตกีแบรเรียร

และมีประสิทธิภาพประมาณ 2.4 % และตอมาพัฒนาเปนโครงสรางแบบ p-i-n หลังจากนั้นนักวิจัยจากหลาย

แหงไดใหความสนใจปรับปรุงประสิทธิภาพใหดีขึ้นเรื่อยๆ ปจจุบันเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มี

ประสิทธิภาพสูงกวา 12% แลว [48-49] ทางดานภาคอุตสาหกรรมนั้น ใน ค.ศ. 1979 บริษัท Sanyo จํากัด

ประเทศญ่ีปุนเปนบริษัทแรกท่ีไดผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H พ้ืนท่ี 1 cm × 4 cm เพ่ือประยุกตใชงาน

ผลิตกระแส ไฟฟาใหกับเคร่ืองคิดเลขอิเล็กทรอนิกส หลังจากนั้นไดมีบริษัทตางๆ มากมายเร่ิมผลิตเซลล

แสงอาทิตยชนิด a-Si:H ใหมีขนาดใหญขึ้นดังตัวอยางในรูปท่ี 1.55 และขณะนี้ไดมีการใชงานกวางขวางขึ้นท้ัง

ในการผลิตไฟฟาใหผลิตภัณฑไฟฟาตางๆ และระบบไฟฟากําลัง สําหรับในประเทศไทย ปจจุบัน

หนวยงานท่ีสามารถ

รูปที่ 1.55 ตัวอยางแผงเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ขนาดใหญ

(ภาพเอ้ือเฟอจากบริษัท Fujielectric จํากัด)

1-61

ประดิษฐเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้ไดแลวไดแก หองปฏิบัติการวิจัยสิ่งประดิษฐสารก่ึงตัวนํา จุฬาลงกรณมหา-

วิทยาลัย [50-54]

1.7.2 คุณสมบัติดีเดนของเซลลแสงอาทิตยชนิดฟลมบางของอะมอรฟส-

ซิลิคอน

อะมอรฟสซิลิคอน (a-Si:H) มีคุณสมบัติดีเดนหลายขอท่ีทําใหไดรับความสนใจในการนํามาผลิตเปน

เซลลแสงอาทิตย คือ

1. a-Si:H มีคาสัมประสิทธ์ิการดูดกลืนแสงท่ีสูงมากในยานยอดของสเปกตรัมของแสงอาทิตย (สูง

กวา 105 cm

-1) ดวยเหตุนี้จึงทําใหเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ไมตองใชความหนามาก ความหนาโดยท่ัวไป

ของเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้เพียง 0.5 μm ดังนั้นจึงชวยลดตนทุนการผลิตได

2. a-Si:H ผลิตดวยกรรมวิธีท่ีใชอุณหภูมิต่ํา (200-250 °C) ทําใหประหยัดพลังงานในการผลิต

และสามารถเคลือบเปนพ้ืนท่ีกวางใหญไดงาย

3. ชองวางพลังงานของ a-Si:H มีคาประมาณ 1.7-1.8 eV ซึ่งเปนคาท่ีใกลกับคาพลังงานโฟตอน

ของยอดของสเปกตรัมของแสงอาทิตย จึงเหมาะตอการใชงานเปนเซลลแสงอาทิตย

4. สามารถผลิตใหเปนเซลลแสงอาทิตยท่ีมีโครงสรางในลักษณะวงจรรวม (integrated-type) หรือ

ซอนทับหลายชั้น (multi-layers) เพ่ือใหไดแรงดันไฟฟาและประสิทธิภาพสูง โดยใชกรรมวิธีของการผลิต

ฟลมบาง ทําใหชวยลดตนทุนการผลิตได

5. วัสดุเริ่มตนคือ ซิลิคอนและไฮโดรเจน เปนวัตถุดิบท่ีมีปริมาณมากบนพ้ืนโลกและราคาถูก

รูปที่ 1.56 ความสัมพันธระหวางตนทุนการผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ และ

ปริมาณการผลิตตอปของโรงงาน 1 แหง

6. สามารถโดป a-Si:H ใหเปนชนิด n และชนิด p ไดงาย โดยใชฟอสฟอรัสและโบรอนตามลําดับ

7. a-Si:H มีคาสภาพนําไฟฟาดวยแสงดี

8. สามารถใชวัสดุชนิดตางๆ เปนแผนฐานได เชน กระจก โลหะ เซรามิก พอลิเมอร ฯลฯ ทําให

สามารถผลิตเซลลแสงอาทิตยท่ีมีรูปรางแปลกๆ ได หรือดัดใหโคงงอได

1-62

รูปท่ี 1.56 แสดงความสัมพันธระหวางตนทุนการผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ และปริมาณการ

ผลิตตอปของโรงงาน 1 แหง จากรูปนี้จะเห็นวาเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มีตนทุนการผลิตท่ีต่ํากวาเซลล

แสงอาทิตยชนิดอ่ืนๆ ถาโรงงานหนึ่งสามารถผลิตไดในปริมาณ 10 เมกะวัตตขึ้นไปตอป ก็จะทําใหตนทุน

ลดลงตํ่ากวา 1 ดอลลาร/วัตต ได [55-56]

ในระยะชวงตนๆ ของการพัฒนาเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มีปญหาเก่ียวกับการเสื่อมลงของ

ประสิทธิภาพ แตในชวง ค.ศ. 1995 เปนตนมาไดมีการปรับปรุงขอบกพรองนี้ใหดีขึ้นดวยการเสนอการผลิต

เซลลแสงอาทิตยใหมีโครงสรางซอนทับหลายๆ ชั้น

1.7.3 พ้ืนฐาน

เม่ือเราสองแสงท่ีมีพลังงานโฟตอนมากกวาชองวางพลังงาน (Eg) เขาสูสารก่ึงตัวนํา แสงนั้นจะถูก

สารก่ึงตัวนําดูดกลืน และแสงจะกระตุนใหเกิดอิเล็กตรอนอิสระข้ึนในแถบคอนดักชันและเกิดโฮลอิสระข้ึนใน

แถบเวเลนซ ปรากฏการณเชนนี้สังเกตไดจากการเพ่ิมขึ้นของสภาพนําไฟฟาดวยแสง (photoconductivity)

หรือกระแสไฟฟาโฟโต (photocurrent) ถาสารก่ึงตัวนํานั้นประกอบดวยรอยตอ p-n ซึ่งท่ีรอยตอนั้นจะมีความ

ลาดของพลังงานศักยกลาวคือ ถามีแรงดันไฟฟาภายใน (built-in potential) อิเล็กตรอนอิสระและโฮลอิสระท่ี

ถูกผลิตดวยแสง ก็จะถูกแรงดันไฟฟาภายในนั้นพัดพาใหไหลไปในทิศทางตรงขามกัน (อิเล็กตรอนไหลสวน

ทางกับทิศทางของสนามไฟฟา สวนโฮลไหลตามทิศทางของสนามไฟฟา) ทําใหประจุอิเล็กตรอนและโฮ

ลแยกตัวออกจากกันและเปนผลใหเกิดแรงดันไฟฟาเอาตพุตขึ้นท่ีปลายท้ังสองของรอยตอ p-n นี้ เราเรียก

ปรากฏการณนี้วา ปรากฏการณโฟโตโวลทาอิก (photovoltaic effect) และเปนหลักการทํางานพ้ืนฐานของ

เซลลแสงอาทิตย

ประสิทธิภาพการทํางานของเซลลแสงอาทิตยถูกกําหนดโดยความเหมาะสมของลักษณะของสเปกตรัม

ของแสงอาทิตยและขนาดของชองวางพลังงาน และสเปกตรัมของสัมประสิทธ์ิการดูดกลืนแสงของสารก่ึงตัวนํา

นอกจากนี้ เนื่องจากปรากฏการณโฟโตโวลทาอิกเปนปรากฏการณทางควอนตัมชนิดหนึ่ง ดังนั้นสเปกตรัมของ

แสงอาทิตยท่ีกําลังกลาวถึงจึงไมไดหมายถึง radiative power spectrum แตหมายถึง photon flux spectrum

สเปกตรัมของแสงอาทิตยท่ีวัดไดบนโลกเปล่ียนแปลงไดตามเงื่อนไขตางๆ เชน ตําแหนงเสนรุง เสนแวง เวลา

สภาพภูมิอากาศ และสภาพแวดลอมอ่ืนๆ และเนื่องจากรอบโลกมีชั้นบรรยากาศหอหุมอยู ดังนั้นแสงอาทิตย

บางสวนจะถูกชั้นบรรยากาศดูดกลืนไวกอนท่ีจะเดินทางถึงพ้ืนผิวโลก หนวยมาตรฐานท่ีแสดงลักษณะ

สเปกตรัมของแสงอาทิตยท่ีใชกันในปจจุบัน มีชื่อเรียกวา Air Mass (ยอวา AM) การวัดสเปกตรัมเม่ือ

แสงอาทิตยตกลงมาในแนวด่ิงเรียกวา AM1 ถาวัดในอวกาศมีคา AMO สเปกตรัมของแสงอาทิตยท่ีวัด

บนโลกโดยมาตรฐานมีคา AM 1.5 รูปท่ี 1.57 แสดงลักษณะสเปกตรัม AMO และ AM 1.5 พลังงานของ

แสงอาทิตยท่ีมีอยูในสเปกตรัม AM1-1.5 มีคาประมาณ 100 mW/cm2 ดังนั้นถาเซลลแสงอาทิตยมีพ้ืนท่ี

100 cm2 และมีประสิทธิภาพ 10% เราก็จะไดพลังงานไฟฟาจากเซลลแสงอาทิตยประมาณ 1 W

1-63

รูปที่ 1.57 สเปกตรัมการแผรังสีของแสงอาทิตยท่ี AM0 และ AM1.5

ในกรณีท่ีเซลลแสงอาทิตยผลิตจากวัสดุ a-Si:H ซึ่งมีชองวางพลังงาน Eg ประมาณ 1.7 eV เรา

สามารถคํานวณหาคาจํานวนสูงสุดของคูของอิเล็กตรอนและโฮลท่ีจะผลิตไดในเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้ตอหนึ่ง

หนวยพ้ืนท่ีและใน 1 วินาที ไดโดยการหาคาปริพันธของสเปกตรัมของแสงอาทิตยในบริเวณที่พลังงานโฟตอนมี

คามากกวา 1.7 eV ขึ้นไป ซึ่งจะไดคาประมาณ 3×1019

cm-2

S-1

ถาสมมติใหวาอิเล็กตรอนและโฮลท้ังหมด

นี้สามารถกลายเปนกระแสไฟฟาโฟโต เราจะไดกระแสไฟฟาเอาตพุตประมาณ 22 mA/cm2 อยางไรก็ตาม

พลังงานของคูอิเล็กตรอนและโฮลท่ีถูกผลิตดวยโฟตอนท่ีมีพลังงาน hν จะมีคาไดสูงสุดก็เพียง Eg เทานั้น

ดังนั้นพลังงานสวนเกินคือ hν-Eg ก็จะสูญเสียไปในรูปของความรอนซึ่งไมไดนํามาใชใหเปนประโยชน การ

สูญเสียในลักษณะเชนนี้เรียกวา “voltage loss factor” ดังนั้นถาเราหารพลังงานของคูอิเล็กตรอนและโฮลคือ

Eg ดวยประจุ q ก็จะไดแรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุดท่ีจะไดจากเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H กลาวคือ

ประสิทธิภาพสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ในอุดมคติจะมีคาประมาณ 22 (mA/cm2)×1.7

(V)/100 (mW/cm2) ซึ่งคือ 37%

แตในทางปฏิบัติจริงๆ แรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยจะมีคาไมถึง Eg แตจะถูก

กําหนดดวยคาแรงดันไฟฟาภายใน (built-in potential) ของรอยตอ p-n ย่ิงไปกวานี้ กระแสไฟฟา (J) ท่ี

ไหลในเซลลแสงอาทิตย นอกจากจะประกอบดวยกระแสไฟฟาโฟโต (Jph) ท่ีเกิดจากแสงแลวยังมี

กระแสไฟฟาของรอยตอ (Jdi) ท่ีเกิดจากการมีการไบแอสดวยตนเอง (self-bias) และพาหะท่ีเกิดจากการ

กระตุนดวยความรอนไหลในทิศทางตรงขามกับ Jph ดังนั้นคาสูงสุดของแรงดันไฟฟาและกระแสไฟฟา

เอาตพุตท่ีกลาวขางตนจึงหมายความถึงคาสูงสุดของแรงดันไฟฟาวงจรเปด (Voc) และกระแสไฟฟาลัดวงจร

(Jsc)

ในการใชงานจริง พลังงานไฟฟาเอาตพุตสูงสุดในสภาพโหลดท่ีเหมาะสมท่ีสุดจะเปนผลคูณของ Voc

และ Jsc และ FF (ฟลลแฟกเตอร: Fill Factor) ซึ่งเปนพารามิเตอรท่ีถูกกําหนดดวยแหลงท่ีมาและคุณสมบัติ

พิเศษของกระแสไฟฟาท่ีไหลในเซลลแสงอาทิตย กระแสไฟฟาท่ีไหลในเซลลแสงอาทิตยมีรูปแบบท่ีงายท่ีสุด

ดังนี้

J V J JqV

nkTph( ) [exp( ) ]= − −0 1 (1.104)

โดยท่ีพจนแรกทางขวามือคือ กระแสไฟฟาโฟโต (photocurrent) และพจนท่ีสองทางขวามือคือ กระแสไฟฟา

ของรอยตอ (junction current)

1-64

ถากระแสไฟฟาท่ีไหลผานรอยตอท้ังหมดขึ้นกับกระบวนการแพรซึมและใชการคํานวณดวยทฤษฎีของ

ผลึกรอยตอ p-n เราจะไดคาประสิทธิภาพในอุดมคติของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ซึ่งมีชองวางพลังงาน

1.7 eV ไดประมาณ 20-25%

1.7.4 หลักการทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n

จะไดกลาวถึงในภายหลังวา การทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ท่ีเปนจริงไมไดแสดงดวย

สมการท่ี (1.104) หรือถาแมวาจะยอมใหใชสมการท่ี (1.104) แตในรายละเอียดจะตองคํานึงดวยวา Jph

เปนฟงกชันของแรงดันไฟฟา และ J0 และ n ก็เปนฟงกชันของท้ังแรงดันไฟฟาและลักษณะสเปกตรัมและ

ความเขมของแสงอาทิตย คุณสมบัติเชนนี้สามารถตรวจสอบไดจากการวัด “ประสิทธิภาพของการกวาดเก็บ

พาหะ” (carrier collection efficiency) ซึ่งแสดงประสิทธิภาพของการเกิดกระแสไฟฟาโฟโตเม่ือ a-Si:H ถูก

กระตุนดวยโฟตอน 1 ตัว วามีคุณสมบัติขึ้นกับการไบแอสดวยแรงดันไฟฟาจากภายนอกอยางไร ดังนั้นคา

FF ของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H จึงมิไดขึ้นกับลักษณะสมบัติของกระแสไฟฟาของรอยตอในพจนท่ี

สองของสมการท่ี (1.104) แตเพียงอยางเดียว แต FF นั้นจะข้ึนกับลักษณะสมบัติ (ของการขึ้นกับ

แรงดันไฟฟา) ของ Jph ดวย ลักษณะสมบัติตางๆ เหลานี้ กลาวไดวาเปนหลักการพ้ืนฐานของการทํางานของ

เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

ตอไป จะกลาวถึงลักษณะสมบัติพิเศษของการทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H โดยพิจารณา

สิ่งท่ีกลาวมาแลวขางตน

เริ่มแรกจะกลาวถึงโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H และหนาท่ีการทํางานของแตละสวน

หรือแตละชั้น วัสดุ a-Si:H สามารถโดปดวยสารเจือปนใหมีคุณสมบัติทางไฟฟาเปนชนิด n และ p ได แตการ

โดป a-Si:H จะทําใหจํานวนหรือความหนาแนนของจุดบกพรอง (ซึ่งเปนศูนยกลางของการรวมตัว) เพ่ิมขึ้น

ดังนั้นแมจะนํา a-Si:H ชนิด p และ n มาสรางเปนรอยตอ ก็จะไมไดลักษณะสมบัติ p-n ของไดโอดท่ีดีไดเลย

ดวยเหตุนี้จึงตองหาวิธีแกไขโดยการใสชั้นวัสดุ a-Si:H ชนิดบริสุทธ์ิ (undoped) เขาตรงกลางระหวางชั้น p

และ n จึงทําใหเซลลแสงอาทิตยมีโครงสรางพ้ืนฐานเปนรอยตอ p-i-n ดังแสดงในรูปท่ี 1.58 [57] ใน

โครงสรางเชนนี้ ชั้น i ทําหนาท่ีเปนชั้นแอกทิฟ (active layer) ท่ีผลิตกระแสไฟฟาโฟโต สวนชั้น p และ n ทํา

หนาท่ีสรางแรงดันไฟฟาของรอยตอ กระแสไฟฟาโฟโตท่ีไดจากรอยตอ p-i-n จะมีคามากนอยเพียงไรขึ้น

รูปที่ 1.58 โครงสรางพ้ืนฐานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

กับความสามารถในการดูดกลืนแสงอยางมีประสิทธิภาพของช้ัน i จากแนวความคิดท่ีจะพยายามใหแสงผาน

เขาสูชั้น i มากท่ีสุดไดมีการพัฒนาวัสดุใหมสําหรับ ชั้น p และ n ท่ีมีชองวางพลังงานกวางกวาชองวางพลังงาน

ของชั้น i เชน อะมอรฟสซิลิคอนคารไบด (a-SiC:H) และ ไมโครคริสตัลไลนซิลิคอน (μc-Si:H)

นอกจากนี้เนื่องจากสภาพนําไฟฟาของชั้น p และ n ยังไมดีพอ ดังนั้นเพ่ือลดการสูญเสียกระแสไฟฟาอัน

1-65

เนื่องจากความตานทานจึงไดมีการใชชั้นข้ัวโปรงใสชนิด SnO2 และ ITO ฉาบไวดานหนาและใชโลหะ เชน Al,

Ag ฉาบไวดานหลังของชั้น p-i-n

แรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc ของเซลลแสงอาทิตยมีรูปท่ัวไปดังนี้

Vx

xE x dxoc

ph

D ph x=

+∫

σ

σ σ

( )

( )( )

( ) (1.105)

โดยท่ี σph(x) คือสภาพนําไฟฟาดวยแสงท่ีตําแหนง x σD(x) คือสภาพนําไฟฟามืดท่ีตําแหนง x และ E(x)

คือสนามไฟฟาภายในรอยตอ (internal electric field) ท่ีตําแหนง x

ถาหากวาในชั้น p และ n ให σph(x) << σD(x) และในชั้น i ให σph(x) >> σD(x) คาสูงสุดของ Voc

จะหาไดโดยการหาคาปริพันธของ E(x) ดวย x ในชั้น i ท้ังหมด ซึ่งผลท่ีไดก็จะเทากับผลตางของศักยท่ีปลาย

ท้ังสองขางของชั้น i นั่นเอง ศักยนี้เรียกวา แรงดันไฟฟาภายในประสิทธิผล (effective built-in potential)

ถาใหชื่อยอวา Vb จากรูปท่ี 1.59 เราจะไดสมการใกลเคียงของ Vb ดังนี้

q Vb g i n p n p n p⋅ = − − + + − −ε ε ε δ δ( ) Δ Δ ΔΦ ΔΦ (1.106)

โดยท่ี εg i( ) คือ ชองวางพลังงานของชั้น i

Δ Δε εp n, คือ พลังงานแอกทิเวชัน (activation energy) ของสภาพนําไฟฟาของชั้น p และ n ตามลําดับ

δn คือ ความสูงของกําแพงศักยของแถบคอนดักชันท่ีรอยตอของ n/i

δ p คือ ความสูงของกําแพงศักยของแถบเวเลนซท่ีรอยตอของ p/i

ΔΦ ΔΦn p, คือ พารามิเตอรท่ีมีคาเปนบวกและข้ึนกับการคุณสมบัติโอหมิกระหวางชั้น n กับขั้วโลหะ และ

ชั้น p กับขั้วโปรงใสตามลําดับและจะมีคาเขาหาศูนยเม่ือชั้น n และ p หนาขึ้น

สมการท่ี (1.106) ชี้แนะใหเราทราบวา เราสามารถเพ่ิม Vb หรือ Voc ใหมากข้ึนไดโดยการลดคา

Δ Δε εp n, และเพ่ิมความหนาของช้ัน p และ n สําหรับทางดานผลของการมีกําแพงศักยท่ีรอยตอของ p/i

หรือ i/n ในรอยตอชนิดเฮเทโรนั้นจากสมการท่ี (1.106) ก็ชี้ใหเราทราบวาการเกิดกําแพงศักยในลักษณะท่ีกีด

ขวางการไหลของพาหะท่ีถูกผลิตดวยแสง จะทําให Vb มีคามากขึ้น สวนการเพ่ิมความหนาของช้ัน p และจะ

เปนสาเหตุของการเพ่ิมการสูญเสีย (optical absorption loss) ของการดูดกลืนแสงในชั้น p และ n ดังนั้นใน

รูปที่ 1.59 แถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n

1-66

การออกแบบคาพารามิเตอรของชั้น p และ n (เชน ชองวางพลังงานและความหนา) นั้นจึงตองดูความ

เหมาะสมท้ังดานคาของ Vb และ Jsc

การทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H นั้นกลาวโดยสรุปแลว คือ ภายใตแรงดันไฟฟาภายใน

พาหะท่ีถูกสรางดวยแสงในชั้น i นั้นจะตองถูกกวาดใหไหลไปยังข้ัวท้ังสองของเซลลแสงอาทิตย ปจจุบันเปนท่ี

ทราบกันดีวาความหนาท่ีเหมาะสมท่ีสุดของชั้น i ในรอยตอ p-i-n คือประมาณ 0.5-1 μm ดังนั้นเราอาจ

สมมติใหไดวา สนามไฟฟาในชั้น i นั้นมีความสมํ่าเสมอตลอด เพราะฉะนั้นการขนสงและการกวาดรวบรวม

พาหะท่ีถูกผลิตดวยแสงจึงข้ึนกับอิทธิพลของการพัดพาดวยแรงดันไฟฟาภายในมาก กลาวคือ ขนาดและ

ลักษณะการแจกแจงของแรงดันไฟฟาภายในนี้มีความสําคัญตอการทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

มาก และนี้คือ เหตุผลท่ีทําใหกระแสไฟฟาโฟโต Jph ในสมการท่ี (1.104) เปนฟงกชันของแรงดัน V

รูปท่ี 1.60 แสดงการเปรียบเทียบอิทธิพลของแรงดันไฟฟาท่ีมีตอกระแสไฟฟาโฟโตของ (ก) เซลล

แสงอาทิตยชนิดผลึก Si และ (ข) เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H โดยในกรณีเซลลชนิด a-Si:H นี้ไดสมมติ

ใหวาแรงดันไฟฟาภายใน (built-in potential) มีคาสมํ่าเสมอตลอดชั้น i และการรวมตัวของพาหะเกิดขึ้น

เฉพาะในชั้น i ดวยอัตราที่แปรผันตรงกับความหนาแนนของพาหะ

ลักษณะการขึ้นกับแรงดันไฟฟาของกระแสไฟฟาโฟโตภายใตสภาพการดูดกลืนแสงท่ีสมํ่าเสมอตลอด

ชั้น i ในเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แสดงไดดังนี้

รูปที่ 1.60 ความแตกตางของลักษณะสมบัติกระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยชนิด

ผลึก Si และชนิด a-Si:H

J V ephv∝ − −[ ]/1 1

(1.107)

โดยท่ี V : normalized voltage ซึ่งใหนิยามวา V V v db= −μτ ( ) / 2

di : ความหนาของชั้น i v : แรงดันไฟฟาท่ีไบแอสใหกับเซลลแสงอาทิตย

μ : ความคลองตัวของพาหะ τ : เวลาอายุของพาหะ

คุณสมบัติพิเศษของสารก่ึงตัวนําอะมอรฟสคือ การมีระดับโลคอไลซสเตต (localized states)

แพรกระจายอยูจํานวนมากภายในชองวางพลังงาน ระดับโลคอไลซสเตตเหลานี้มีคุณสมบัติเปนศูนยกลางของ

การรวมตัวของพาหะ และคุณสมบัติท่ียุงยากไปกวานี้คือ เม่ือเราสองแสงเขาสู a-Si:H จะทําใหคุณสมบัติ

ตางๆ เชน ความหนาแนนของอิเล็กตรอนและโฮล การแจกแจงจํานวนของของโลคอไลซสเตต และพ้ืนท่ีของ

การจับพาหะ (carrier capture cross section) เกิดการเปลี่ยนแปลงดวย

1-67

ผลคูณของ μτ มีความหมายทางฟสิกสท่ีแตกตางไปจาก μτ ท่ีไดจากการวัดสภาพนําไฟฟาดวยแสง

(photoconductivity) กลาวคือ μτ ท่ีไดจากการวัดสภาพนําไฟฟาดวยแสงน้ันไดจากเงื่อนไขท่ีวา จํานวนของ

อิเล็กตรอนและโฮลนั้น มีคาสมํ่าเสมอตลอดเนื้อวัสดุและเปนคาท่ีแสดงพฤติกรรมการขนสงและการรวมตัวของ

พาหะขางมากภายใตการถูกสองดวยแสง สวนในเซลลแสงอาทิตยนั้นมีขอแตกตางกันมาก เชน ภายใตการถูก

สองดวยแสง จํานวนหรือความหนาแนนของอิเล็กตรอนและโฮลในเซลลแสงอาทิตยมีการแจกแจงแบบไม

สมํ่าเสมอ อีกท้ังอัตราการรวมตัวก็ไมสมํ่าเสมอดวย สมการท่ี (1.107) นี้กลาวไดวาเปนเพียงคาใกลเคียง

(semi-quantity) เทานั้น และคา μτ ท่ีปรากฏจึงเปรียบเสมือนเปนพารามิเตอรใกลเคียง (quasi-parameter)

ท่ีแสดงปรากฏการณโฟโตโวลทาอิกในรอยตอของ a-Si:H เทานั้น แตอยางไรก็ตามแมวาสมการท่ี (1.107)

หรือแบบจําลองของกระแสไฟฟาของรอยตอท่ีไดจากสมการท่ี (1.107) จะมีรูปแบบท่ีงายๆ ก็ตาม แตก็เปน

สมการท่ีมีความหมายมากสําหรับการวิเคราะหและหาคาพารามิเตอรท่ีเหมาะสมในการออกแบบเซลล

แสงอาทิตยชนิด a-Si:H ในทางปฏิบัติ

ถาเราจะสรุปกระบวนการสําคัญๆ ท่ีมีอิทธิพลตอการทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

รอยตอ p-i-n จะไดดังนี้

ประการแรก ในสภาวะสมดุลเชิงความรอน ลักษณะของสนามไฟฟาในรอยตอ p-i-n ถูกกําหนด

ดวยคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกและการแจกแจงระดับโลคอไลซสเตตในชั้น p, i และ n และคุณสมบัติของข้ัว

โปรงใสและขั้วโลหะ และคุณสมบัติรอยตอ (interface) ของชั้นตางๆ เหลานี้ เม่ือเซลลแสงอาทิตยถูกสอง

ดวยแสงอาทิตย พาหะสวนเกินของอิเล็กตรอนและโฮลจะถูกผลิตขึ้น และพาหะเหลานี้จะเคลื่อนท่ีดวยการ

แพรซึม (diffusion) หรือพัดพา (drift) ดวยสนามไฟฟา ซึ่งเปนเหตุใหเกิดการกระจายของอิเล็กตรอนและ

โฮลในสภาวะไมสมดุลเชิงความรอน

ประการท่ีสอง ในจํานวนพาหะท่ีถูกผลิตดวยแสงน้ัน พาหะบางตัวจะถูกกักหรือรวมตัวกันท่ีระดับ

พลังงานของโลคอไลซสเตตในชั้น p, i และ n หรือในรอยตอระหวางชั้นอะมอรฟสดวยกันหรือท่ีระหวางชั้น

อะมอรฟสกับขั้วไฟฟา ทําใหอัตราการครอบครอง (capture rate) ของโลคอไลซสเตตเปลี่ยนแปลงไปและจะทํา

ใหการแจกแจงประจุปริภูมิ (space charge) เปลี่ยนแปลงไป ซึ่งสงผลทําใหลักษณะของสนามไฟฟาในชั้น i

เปลี่ยนแปลง และการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟานี้จะมีอิทธิพลตอไปถึงกระบวนการขนสงของอิเล็กตรอน

และโฮล การท่ีจะรักษาไวซึ่งเงื่อนไขความสมดุลของพาหะ จึงตองมีการเปล่ียนแปลงการแจกแจงพาหะ

สวนเกินท่ีเกิดขึ้นท้ังจากการกระตุนดวยแสงและดวยความรอน จากผลของการหมุนเวียนของกระบวนเหลานี้

ทําใหเกิดการแจกแจงอิเล็กตรอนและโฮลในสภาวะคงท่ีและมีกระแสไฟฟาเอาตพุตไหลในลักษณะท่ีเปน

ฟงกชันของความยาวคล่ืนและความเขมของแสงและเปนฟงกชันของสภาพของโหลดท่ีตอภายนอกดวย ดังนั้น

กระแสไฟฟาโฟโตในสมการท่ี (1.104) จึงมีสวนเก่ียวของกับกระแสไฟฟาของรอยตอมาก

จากท่ีกลาวมาท้ังหมด จะเห็นไดวากลไกการทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H นั้นมีความ

ยุงยากสลับซับซอนมาก การท่ีจะคาดคะเนหรือคํานวณเก่ียวกับประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยหรือทํา

อยางไรจึงจะไดเซลลแสงอาทิตยท่ีมีประสิทธิภาพสูง เราจําเปนท่ีจะตองทราบขอมูลอยางละเอียดเก่ียวกับ

คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกของวัสดุฟลมตระกูล a-Si:H

1-68

1.7.5 ปรากฏการณโฟโตโวลทาอิกชนิดพัดพาในเซลลแสงอาทิตยชนิด

a-Si:H รอยตอ p-i-n

ในหัวขอนี้จะกลาวถึงขอแตกตางในการออกแบบเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอ p-n ของผลึกเดี่ยว Si

และชนิดรอยตอ p-i-n ของ a-Si:H และจะพิจารณากลไกของการกําเนิดพาหะดวยแสง (photocarrier

generation) และกระบวนการรวมตัวของพาหะ (recombination process) ในเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

รอยตอ p-i-n หลังจากนั้นจะอธิบายขีดจํากัดของประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยดวยการคํานวณถึง

ลักษณะของการแจกแจงประจุปริภูมิในรอยตอ p-i-n

โดยท่ัวไปการทํางานของเซลลแสงอาทิตย ประกอบดวยกระบวนการหลัก 2 อยางคือ

1) การผลิตคูพาหะดวยการดูดกลืนแสงระหวางแถบพลังงานในสารก่ึงตัวนํา

2) การแยกหรือกวาดพาหะดวยสนามไฟฟาท่ีเกิดขึ้นภายในเซลลแสงอาทิตย

สนามไฟฟาภายใน (internal field) ของเซลลแสงอาทิตย สามารถสรางข้ึนไดโดยการประดิษฐเซลล

แสงอาทิตยใหมีรอยตอชนิดตางๆ เชน p-n หรือ p-i-n หรือ เฮเทโร หรือ ชอตตกีแบรเรียร เปนตน

นอกจากนี้จะมีขั้วโอหมิกตอกับวงจรภายนอกเพ่ือสงพลังงานไฟฟาท่ีผลิตไดออกสูวงจรภายนอก และทาง

ดานรับแสงมักจะมีวัสดุปองกันการสะทอนแสงเคลือบไวดวย รูปท่ี 1.61 แสดงกระบวนการตางๆ ในเซลล

แสงอาทิตยและตัวอยางโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ ในเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอ p-n ความ

หนา แนนของกระแสไฟฟาเอาตพุตลัดวงจรขณะมีแสง (Jsc) สามารถคํานวณไดจากความหนาแนนของโฟ

ตอนฟลักซ Φ(λ) (photon flux density) และสัมประสิทธ์ิการสะทอนแสงท่ีผิวหนา (R) ของสารก่ึงตัวนํา คือ

[58]

รูปท่ี 1.61 กลไกการทํางานตางๆ ในเซลลแสงอาทิตยและตัวอยางโครงสรางตางๆ ของเซลลแสงอาทิตย

1-69

J q R J dsc tothc g

= − ⋅∫ ( ) ( )/

10

Φ λ λε

(1.108)

โดยท่ี Jtot คือ ความหนาแนนรวมของกระแสไฟฟาซึ่งมีคาเทากับอัตราสวนของความหนาแนนของพาหะท่ีเกิด

จากแสงตอโฟตอนฟลักซ Jtot ประกอบดวย 3 สวนดังนี้

J J J Jtot dfp

dfn

dr= + + (1.109)

โดยท่ี Jdfp

: ความหนาแนนของกระแสไฟฟาท่ีเกิดจากโฮลท่ีถูกผลิตดวยแสงในบริเวณชั้นหนาตางชนิด p

Jdfn

: ความหนาแนนของกระแสไฟฟาท่ีเกิดจากอิเล็กตรอนท่ีแพรกระจายเขาไปในชั้น p และ

Jdr : กระแสไฟฟาชนิดพัดพา (drift current) ท่ีไหลในชั้น i

กระแสไฟฟาชนิดแพรซึมสามารถคํานวณไดจากกฎของ Lampart เม่ือมีการดูดกลืนแสงในสารก่ึง

ตัวนําดังนี้

J xd x

L dxdfp

p

d= −

−∫ αγ αexp( ) exp( )0

(1.110)

=−

− − −⎧⎨⎪

⎩⎪

⎫⎬⎪

⎭⎪αγ

α α1 / exp( ) exp( )Ld

L dp p

และ J L ddfn

p=

+−

αγα α1 / exp( ) (1.111)

รูปท่ี 1.62 แสดงการเปรียบเทียบลักษณะของแถบพลังงานและการเปรียบเทียบกลไกการกวาดเก็บ

พาหะใน (ก) เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยว Si รอยตอ p-n และใน (ข) เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

รอยตอ p-i-n

เนื่องจากวัสดุ a-Si:H มีระยะทางการแพรซึม (diffusion length) ท่ีสั้นมากและมีสัมประสิทธ์ิการ

ดูดกลืนแสงท่ีสูงมาก ดังนั้นกลไกการทํางานของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si และชนิด a-Si:H จึงมีขอ

แตกตางกันท่ีเห็นไดชัดคือ

กรณีของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si รอยตอ p-n: J J Jdfn

dfp

dr+ >>

กรณีของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n: J J Jdfn

dfp

dr+ <<

จากรูปท่ี 1.62 (ก) และ (ข) ความแตกตางท่ีเห็นไดชัดระหวางเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si

รอยตอ p-n และเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n คือ ใน a-Si:H รอยตอ p-i-n นั้นมีสนาม

1-70

รูปท่ี 1.62 เปรียบเทียบลักษณะของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si

และชนิด a-Si:H

ไฟฟาท่ีมีคาสูงในชั้นแอกทิฟ (ชั้น i) สวนใน Si รอยตอผลึก p-n นั้น ชั้นแอกทิฟนั้นมีความหนาเทากับ

ผลรวมของระยะทางการแพรซึมของ Lp+ Ln และในชั้นแอกทิฟนั้นจะไมมีสนามไฟฟา

1.7.6 กระบวนการผลิตพาหะดวยแสงในเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

รอยตอ p-i-n

กระบวนการผลิตพาหะดวยแสง (photo-carrier generation process) ท่ีสําคัญในเซลลแสงอาทิตย

ชนิด a-Si:H มี 3 ขั้นตอนดังแสดงในรูปท่ี 1.63 ดังนี้

(a) การดูดกลืนแสงดวยการเปล่ียนสถานะของอิเล็กตรอนจากแถบเวเลนซไปสูแถบคอนดักชัน

(optical absorption)

(b) การแยกคูอิเล็กตรอนและโฮลออกจากกันใหเปนพาหะอิสระ (free carrier generation)

และ (c) กระบวนการขนสงพาหะอิสระดวยวิธีพัดพา (drift) และ/หรือวิธีแพรซึม (diffusion)

1-71

รูปที่ 1.63 กระบวนการผลิตพาหะดวยแสงในเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

ถาให Φ( , )x hω คือความหนาแนนของโฟตอนฟลักซของแสงท่ีมีพลังงาน hω ท่ีตําแหนง x ในชั้น i

การดูดกลืนแสงในชั้น i จะมีคา −∂ ω ∂Φ( , ) /x xh

ตอไปจะกําหนดให P xG ( , )hω คือความนาจะเปนของการผลิตพาหะอิสระ ฟงกชันนี้มีความหมาย

ท่ีแสดงความสามารถของการแยกอิเล็กตรอนและโฮลท่ีกําลังถูกดึงดูดซึ่งกันและกันดวยแรงคูลอมบใหออกจาก

กัน จากการคํานวณของ D. M. Pai และ R. C. Enck โดยอาศัยทฤษฎีของออนซาเจอร (Onsager) ไดผลวา

PG มีรูปดังนี้

P xk T

qrE x r r

qr

k TE xG

Bc

B

( , ) ( ) exp( / ) exp( ( ))hω = ⋅ − ⋅ −−

0

10

0

× ⋅=

∞

= + +

∞

=

∞

∑ ∑∑( / )

!(

( ))

!

r r

m

qr E x

k T lc

m

m B

l

l m nn

0

0

0

10

1 (1.112)

โดยท่ี E(x) : สนามไฟฟาท่ีตําแหนง x

rc : รัศมีของออนซาเจอร (Onsager radius) และมีคาเทากับ q x xk TB2

04/ π

r0 ( )hω : ระยะทางผอนคลายเชิงความรอน (thermalization distance) ของคูอิเล็กตรอนและโฮลท่ี

เกิดจากแสงใน a-Si:H ถาให x = 12 จะไดวา rc = 46 ล

D. M. Pai และ R. C. Enck เปนนักวิจัยกลุมแรกท่ีไดคํานวณอิทธิพลของสนามไฟฟาท่ีมีตอ PG ใน

วัสดุอะมอรฟสซีลีเนียม [59] และการคํานวณในกรณีของวัสดุ a-Si:H ก็ไดมีการดําเนินการโดยนักวิจัยหลาย

กลุม เชน กลุมมหาวิทยาลัยโอซากา [60] และกลุมของบริษัท Xerox [61] ซึ่งผลการคํานวณก็ใหผลคลายกัน

รูปท่ี 1.64 แสดงผลการคํานวณโดย H. Okamoto และ Y. Hamakawa จากมหาวิทยาลัยโอซากา [60] ในการ

คํานวณสมการท่ี (1.112) ไดคํานวณถึง E ยกกําลัง 100 โดยไดใชอนุกรมดังนี้

P x r rG cq

kBTr Ec( , ) exp( / ) (

!)hω = − ⋅ +0 1

1

2 + ⋅ −( )

!( )

q

k Tr r r E

Bc c

20

21

3

1

2

+ ⋅ − +( )!

( )q

k Tr r r r r E

Bc c c

302

02 31

4

1

6 +................................................

+ ⋅( ) (!

(.......... . ))q

k Tr E

Bc

100 1001

101 (1.113)

1-72

กระบวนการท่ี 3 ในการทํางานของเซลลแสงอาทิตย คือประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะท่ีเกิด

จากแสง (photocarrier collection efficiency) พาหะท่ีกวาดเก็บไดนี้ จะกลายเปนกระแสไฟฟาเอาตพุตของ

เซลลแสงอาทิตย เราจะทราบประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะไดก็ตอเม่ือเราทราบวา ในจํานวนของ

พาหะโฟโตท่ีเกิดจากแสงท้ังหมดนั้น มีจํานวนเทาไรท่ีหลุดพนจากการรวมตัวกันชนิดเจมิเนต (geminate

recombination) นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะก็ขึ้นกับสนามไฟฟาภายในเซลลแสงอาทิตย

(E) และระยะทางการแพรซึม (L) ดวย

รูปท่ี 1.64 ความสัมพันธระหวางความนาจะเปนของการผลิตพาหะอิสระและสนามไฟฟา

พารามิเตอร r0 คือระยะทางผอนคลายเชิงความรอน

ใน a-Si:H ชนิดบริสุทธ์ิ เนื่องจากความคลองตัวและระยะทางการแพรซึมของโฮลมีคานอยของ

อิเล็กตรอนมาก [62] ดังนั้นจึงอาจกลาวไดวา ปรากฏการณขนสงพาหะท่ีถูกผลิตดวยแสงน้ันจะถูกจํากัดดวย

การรวมตัวของโฮล

รูปท่ี 1.65 แสดงตัวอยางการขึ้นกับความหนาของชั้น i ของประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะใน

เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n โดยไดเปรียบเทียบใหเห็นถึงความแตกตางในกรณีท่ีมีการสอง

แสงเขาทางดานชั้น p และสองเขาทางดานชั้น n การสองแสงเขาทางดานชั้น n จะทําใหโฮลท่ีถูกผลิตขึ้น

บริเวณใกลรอยตอของ i/n ตองเดินทางไกลจึงจะไปถึงชั้น p ดังนั้นเม่ือชั้น i หนาขึ้น โฮลจึงถูกรวมตัวกับ

อิเล็กตรอนและตายกอนท่ีโฮลจะเดินทางไปถึงชั้น p ดังนั้นประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะในเซลล

แสงอาทิตยในกรณีท่ีสองแสงเขาทางดานชั้น n จึงมีนอยกวาการสองแสงเขาทางดานชั้น p

ความนาจะเปนของการกวาดเก็บพาหะ Pc(x) มีคาดังนี้ [58]

P xg

Lf u duc

p

x( ) (

(( ) )= + −∫1

0) 10

(1.114)

โดยท่ี f xL

g u dup

x( ) exp( ( ) )= ∫1

0

g x r x r x r xqL

k TE x

p

B

( ) ( ( ) ) ( ), ( ) ( )/= + − = ⋅12

2 1 2

1-73

รูปท่ี 1.65 การข้ึนกับความหนาของชั้น i ของประสิทธิภาพการกวาดเก็บพาหะในเซลลแสงอาทิตยชนิด

a-Si:H โดยเปรียบเทียบใหเห็นความแตกตางในกรณีสองแสงเขาทางดานชั้น p และ n

จากสมการตางๆ ขางตน ประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะ η ωc ( )h แสดงไดดังนี้

η ω ω∂

∂ωc G c

di P x P xx

x dx( ) ( , ) ( ) [ ( , )]h h h= ⋅ −∫ Φ0

(1.115)

1-74

1.7.7 เทคนิคการผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n ใน

ภาคปฏิบัติ

โครงสรางพ้ืนฐานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n ท่ีเคลือบบนแผนกระจกไดแสดง

ไวแลวในรูปท่ี 1.66 เทคนิคในการออกแบบเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H นั้น จะตองคํานึงถึงความ

เหมาะสมในการผลิตชั้นตางๆ ดังจะไดกลาวตอไปน้ี [52, 69]

รูปที่ 1.66 ผลการวัด Auger electron spectroscopy เพ่ือหาคาปริมาณของอะตอมตางๆ ตาม

ความลึก ในรูปบนพบวาถาชั้น SnO2 บาง จะมีอะตอมของ In ซึ่งหลุดจากชั้น ITO

เขาไปสูชั้น a-SiC:H สวนรูปลางจะเห็นวาถาชั้น SnO2 หนาเพียงพอ จะไมมี

อะตอมของ In เขา ไปสูชั้น a-SiC:H

ข้ัวไฟฟาโปรงใส

แผนฐานสําหรับเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H อาจเปนแผนกระจกก็ไดหรือแผนเหล็กกลาไรสนิมก็

ได และไมวาจะใชแผนฐานชนิดใด ยอมจะตองมีขั้วไฟฟาโปรงใสเสมอ ตัวอยางในกรณีท่ีใชแผนกระจกเปน

แผนฐาน นิยมใชฟลมบาง 2 ชั้นของ ITO/SnO2 เปนข้ัวไฟฟาโปรงใสและมีรายละเอียดดังนี้

1. ฟลมบางชนิด SnO2 มีราคาถูก แตมีสภาพความตานทานไฟฟาสูงกวา ITO

2. ฟลมบาง ITO เปนสารประกอบของ SnO2 และ In

2O

3 โดยมีอัตราสวนน้ําหนักของ Sn:In เทากับ

5:95 โดยประมาณ ITO มีสภาพตานทานไฟฟาต่ํากวา SnO2 แตราคาแพง

3. โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยคือ แผนกระจก/ITO/SnO2/p-i-n-a-Si:H/Al

4. การท่ีตองใชขั้วไฟฟาโปรงใสถึงสองชั้นเชนนี้มีเหตุผลคือ ถา SnO2 มีความหนามากกวา 20 nm

จะชวยกันไมใหอะตอมของ In จาก ITO หลุดออกแลวแพรซึมเขาไปในชั้น a-Si:H เพราะการแพรซึมของ In

เขาสูชั้น a-Si:H จะทําใหประสิทธิภาพโดยเฉพาะอยางย่ิง Voc ลดลง [70-71]

5. คุณสมบัติพ้ืนฐานของข้ัวไฟฟาโปรงใสเหลานี้ท่ีจําเปนคือ ควรโปรงใสมากๆ และนําไฟฟาไดดี

และในขณะเดียวกันก็ควรเปนชั้นปองกันการสะทอนแสงดวย (antireflection layer)

1-75

6. นอกจากนี้ ในการใชงานก็ควรเลือกความหนาท่ีเหมาะสม โดยพิจารณาจากสัมประสิทธ์ิการ

สะทอนแสง เนื่องจากความสามารถสูงสุดในการผลิตและกวาดเก็บพาหะอยูในชวง 500-550 nm ดังนั้น

ความหนาของขั้วไฟฟาโปรงใสควรมีคาเปน 1/4 หรือ 3/4 ของความยาวคลื่นแสง เชน 70 nm หรือ 200 nm

สิ่งท่ีควรระวังคือถาฟลมบางเกินไปจะทําใหความตานทานแผนมีคาสูง ตัวอยางเชน ถา SnO2 หนา 20 nm และ

ITO หนา 50 nm จะมีความตานทานแผน (sheet resistance) ประมาณ 40-50 Ω/ หรือถา SnO2 หนา

20 nm และ ITO หนา 180 nm จะมีความตานทานแผนนอยกวา 10 Ω/

7. ในปจจุบัน เนื่องจาก นิยมผลิตชั้น p จากวัสดุไมโครคริสตัลไลนซิลิคอน (p-μc-Si:H) หรือ

อะมอรฟสซิลิคอนคารไบด (a-SiC:H) ซึ่งดัชนีหักเหแสงมีคาอยูระหวางดัชนีหักเหแสงของข้ัวไฟฟาโปรงใส

และชั้น i พอดี ดังนั้นจึงชวยลดการสะทอนแสงท่ีผิวของชั้น i ได

8. นอกจากนี้การทําใหผิวของแผนกระจกมีสภาพเปนผิวขรุขระ (textured) ดวยวิธีทางเคมี และทํา

ใหผิวของ ITO/SnO2 ขรุขระ ก็จะชวยทําใหแสงเดินทางเขาสูชั้นอะมอรฟสไดมากข้ึน และแสงสามารถเดินทาง

ในชั้นอะมอรฟสไดไกลข้ึนซึ่งจะทําใหกระแสไฟฟาเอาตพุตเพ่ิมขึ้น

ชั้น p

ทําหนาท่ีเปนข้ัวสรางแรงดันไฟฟาภายใน เชนเดียวกับชั้น n แตเปนท่ีนาเสียดายท่ีมีคาสภาพนํา

ไฟฟาดวยแสงตํ่ามาก ดังนั้นชั้น p จึงไมไดมีสวนชวยในการผลิตพาหะดวยแสงเทาไรนัก เรานิยมเรียกชั้น p

วา ชั้นตาย (dead layer) ถาผลิตชั้น p จากวัสดุ a-Si:H ซึ่งโดปดวยโบรอนและมีชองวางพลังงานแคบ ควร

ออกแบบใหชั้น p-a-Si:H บางท่ีสุด แตอยางไรก็ตามถาชั้น p บางมากเกินไป ก็จะทําใหแรงดันไฟฟาวงจร

เปดลดลงดวย

ในปจจุบันนิยมใช p-a-SiC:H ท่ีมีชองวางพลังงานประมาณ 2 eV หรือ p-μc-Si:H เปนหนาตาง

กวางรับแสง ซึ่งจะชวยเพ่ิมท้ังกระแสไฟฟาลัดวงจร แรงดันไฟฟาวงจรเปดและฟลลแฟกเตอร ตามปกติ

ความหนาของ p-a-SiC:H ท่ีเหมาะสมคือประมาณ 150 ล

ชั้น i

คุณสมบัติพ้ืนฐานของ a-Si:H ชนิด i (undoped a-Si:H) นี้จะมีอิทธิพลและผลตอประสิทธิภาพของ

เซลลแสงอาทิตยมาก จากประสบการณ เงื่อนไขการผลิต i-a-Si:H ท่ีมีแก็ปสเตตนอยคือ ควรใชกําลังไฟฟา

ในการแยกสลายกาซใหต่ําๆ และใชกาซไซเลนดวยอัตราการไหลท่ีมากๆ เพ่ือใหไดอัตราการเติบโตของฟลม

ประมาณ 1 μm ตอชั่วโมง อุณหภูมิแผนฐานท่ีเหมาะสมคือประมาณ 200-250 °C

แมวาในกระบวนการผลิตชั้น i-a-Si:H จะไมไดโดป i-a-Si:H แตผลท่ีไดคือ จะไดฟลม i-a-Si:H

ท่ีมีคุณสมบัติเปนชนิด n แบบออนเสมอ เพราะระดับพลังงานเฟรมีของ i-a-Si:H ไมไดอยูก่ึงกลางชองวาง

พลังงาน แตจะอยูในตําแหนงท่ีคอนไปทางแถบคอนดักชัน การเติมโบรอนบางเล็กนอย (เชนประมาณ 1

ppm) จะทําใหระดับพลังงานเฟรมีเคลื่อนมาอยูตรงกลางชองวางพลังงานพอดี และจะทําใหสนามไฟฟาในชั้น

i มีคาเพ่ิมขึ้น และประสิทธิภาพเพ่ิมขึ้น [72]

ชั้น n

ไมโครคริสตัลไลนซิลิคอนชนิด n (n-μc-Si:H) มีคุณสมบัติท่ีเหมาะสมในการใชงานเปนชั้น n

สําหรับเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มาก ท้ังนี้เพราะวา n-μc-Si:H มีคุณสมบัติท่ีเดนดังนี้

1. ระดับพลังงานเฟรมีของ μc-Si:H ชนิด n อยูใกลแถบคอนดักชันมาก และสภาพนําไฟฟาก็มีคา

สูงมาก (1-10 S.cm-1

) จึงทําใหแรงดันไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยมีคามากขึ้น

1-76

2. ชองวางพลังงานของ n-μc-Si:H มีคาประมาณ 1.9 - 2.0 eV ซึ่งกวางกวาของ n-a-Si:H จึงมี

ความโปรงใสดีและชวยใหแสงท่ีสะทอนจากขั้วโลหะดานหลังกลับเขาสูชั้น i ไดดีขึ้น ทําใหไดกระแสไฟฟา

เอาตพุตมากข้ึน

3. เนื่องจาก n-μc-Si:H มีคาสภาพนําไฟฟาสูง จึงสรางข้ัวไฟฟาโอหมิกชนิด Al ไดงาย

เงื่อนไขของการปลูกฟลมบางชนิด μc-Si:H ไดแก การใชกําลังไฟฟาสูงๆ ในการแยกสลายกาซ

SiH4 และผสมดวยกาซ H

2 ท่ีอัตราสวนสูงมากๆ [73-74]

1.7.8 การปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ดวย

รอยตอเฮเทโรของ p-a-SiC:H/i- a-Si:H

ไดกลาวไวในหัวขอท่ี 1.7.1-1.7.7 แลววาเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มีหลักการทํางาน โดยเริ่ม

จากการรับแสง การดูดกลืนแสงในชั้น i การผลิตพาหะในชั้น i และการดึงพาหะท่ีเกิดขึ้นนั้นใหไหลออกสู

ภายนอก การประดิษฐเซลลแสงอาทิตยใหมีประสิทธิภาพสูง เปนปจจัยสําคัญอยางหนึ่งในการนําเซลล

แสงอาทิตยไปใชงาน การเพ่ิมประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยอาจทําไดหลายวิธี เชน การหาวิธีเพ่ิมปริมาณ

แสงใหเขาสูชั้น i ใหไดมากขึ้น การเพ่ิมคุณภาพของฟลมชั้นตางๆ ตลอดจนการหาคาความหนาท่ีเหมาะสม

ของชั้นตางๆ

ในบทนี้จะกลาวถึง การปรับปรุงประสิทธิภาพโดยการใชโครงสรางรอยตอเฮเทโรซึ่งมีฟลมอะมอรฟส

ซิลิคอนคารไบดชนิด p (p-a-SiC:H) เปนชั้นหนาตางกวางรับแสงแทน p-a-Si:H ซึ่งจะเปนผลใหแสงท่ีมี

ความยาวคลื่นสั้นวิ่งเขาสูชั้น i ไดดีขึ้น นอกจากนี้ จะกลาวถึงการหาคาความหนาท่ีเหมาะสมของชั้น p, i และ

n ดวย

เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ซึ่งชั้น p ผลิตจากวัสดุ p-a-Si:H มีประสิทธิภาพต่ํา เนื่องจากชั้น p-

a-Si:H นั้นมีคุณสมบัติเปน “ชั้นตาย” (dead layer) กลาวคือ ชั้น p-a-Si:H มีสภาพนําไฟฟาดวยแสงท่ีต่ํา

มาก ดังนั้นชั้น p-a-Si:H จึงไมสามารถผลิตพาหะอิสระดวยแสงได ดังนั้นการดูดกลืนแสงในชั้น p จึงถือวา

เปนการสูญเสียแสงนั่นเอง และถึงแมเราจะประดิษฐใหชั้น p บางถึง 100 ล ก็ตาม ก็ยังคงมีการดูดกลืนแสง

อยู ถาชั้น p บางเกินไป จะมีผลเสียดังนี้คือ

1. ชั้น p จะกลายเปนชั้นปลอดพาหะและจะทําใหแรงดันไฟฟาภายใน มีคานอย

2. ฟลมชั้น p อาจจะไมเกาะติดในบางบริเวณ ทําใหมีจุดท่ีชั้น i สัมผัสกับขั้วโปรงใสโดยตรง ทําให

แรงดันไฟฟาภายในมีคานอยเชนกัน

ดังนั้นวิธีการท่ีจะเพ่ิมประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยเก่ียวกับชั้น p คือการทําใหชั้น p มีความ

โปรงใสมากขึ้น โดยการใชวัสดุท่ีมีชองวางพลังงานกวางขึ้น เพ่ือใหแสงอาทิตยในชวงความยาวคล่ืนท่ีเหมาะสม

ผานเขาสูชั้น i ไดมากขึ้น

การใชอะมอรฟสซิลิคอนคารไบด (a-SiC:H) ประยุกตเปนชั้นหนาตางกวางชนิด p จะไดเซลล

แสงอาทิตยท่ีมีลักษณะโครงสรางดังแสดงในรูปท่ี 1.67 และเรียกโครงสรางเชนนี้วาเปนรอยตอเฮเทโร รูปท่ี

1.68 แสดงแผนภาพของแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโร รูปท่ี 1.69 แสดงผลการวัด

สเปกตรัมของประสิทธิภาพการกวาดเก็บพาหะ (collection efficiency) ของเซลลแสงอาทิตยอะมอรฟสชนิด

รอยตอโฮโมและรอยตอเฮเทโร [75-77] จะเห็นวาการนํา p-a-SiC:H มาใชงานเปนชั้น p ในเซลล

แสงอาทิตยชนิดรอยตอเฮเทโรนั้น จะทําใหผลตอบสนองทางแสงในชวงคลื่นสั้นมีคาสูงข้ึนเม่ือเทียบกับเซลล

แสงอาทิตยชนิดรอยตอโฮโม การใช p-a-SiC:H เปนชั้น p จะทําใหแสงความยาวคลื่นสั้นเขาไปสูชั้น i ได

มากข้ึน

1-77

รูปที่ 1.67 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอเฮเทโร [52-53]

รูปที่ 1.68 แผนภูมิแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอเฮเทโร [52-53]

1-78

รูปที่ 1.69 สเปกตรัมผลตอบสนองของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอเฮเทโร [52]

ทําใหการผลิตพาหะเนื่องจากแสงดี จึงสงผลใหประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยสูงข้ึน โดยท่ัวไปจะใช

p-a-SiC:H ท่ีมีชองวางพลังงานประมาณ 2.0 eV (เพราะถา p-a-SiC:H มีชองวางพลังงานกวางกวานี้

ความตานทานของ p-a-SiC:H จะเพ่ิมขึ้น เปนเหตุใหฟลลแฟกเตอรลดลง)

นอกจากนี้ การใช p-a-SiC:H อยางเหมาะสมจะทําใหแรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc และฟลลแฟก-

เตอร FF มีคาเพ่ิมขึ้นดวย การท่ีแรงดันไฟฟาวงจรเปดมีคาเพ่ิมขึ้นก็เพราะแรงดันไฟฟาภายใน (built-in

potential) เพ่ิมขึ้น ถาดูรูปท่ี 1.68 จะพบวาอิเล็กตรอนท่ีไหลกลับไปท่ีชั้น p จะนอยลง และสนามไฟฟาใน

ชั้น i ก็จะเพ่ิมขึ้น

เหตุผลเม่ือใช p-a-SiC:H เปนชั้น p จะทําใหฟลลแฟกเตอรของเซลลแสงอาทิตยดีขึ้นมี 2 ประการ

คือ

1. แมมีการไบแอสตาม แตกระแสไฟฟาโฟโตก็ลดลงเพียงเล็กนอย เพราะประสิทธิภาพของการ

กวาดเก็บพาหะในชวงแสงคลื่นสั้นนั้นเพ่ิมขึ้น เนื่องจากชองวางพลังงานท่ีกวางข้ึนและโฟตอนในยานคลื่นสั้น

จะถูกดูดกลืนทันทีในบริเวณใกลๆ รอยตอ p-i

2. เนื่องจากชองวางพลังงานของชั้น p มีขนาดกวาง ในขณะท่ีไบแอสตาม กําแพงศักยจึงก้ันไมให

อิเล็กตรอนไหลเขาสูชั้น p แตจะผลักอิเล็กตรอนกลับเขาสูชั้น i และไหลออกสูภายนอก

ปจจัยอีกประการหนึ่งท่ีสําคัญคือ ความหนาที่เหมาะสมของชั้น p-, i- และ n รูปท่ี 1.70 แสดง

ความสัมพันธระหวางความหนาของชั้น p-a-SiC:H และลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย โดยท่ี

ความหนาของชั้น i-a-Si:H และ n-μc-Si:H คงท่ีเทากับ 5,000 อังสตรอม และ 500 อังสตรอมตามลําดับ

[54] กระแสไฟฟาลัดวงจร Jsc และฟลลแฟกเตอร FF มีคาลดลงเม่ือชั้น p หนาขึ้น เปนเพราะคาความ

ตานทานอนุกรมมากข้ึน และชั้น p ท่ีหนาขึ้นจะก้ันแสงท่ีเขาสูชั้น i ใหนอยลง สวนคา Voc จะลดลงเม่ือชั้น p

บางลง เนื่องจากชั้น p กลายเปนชั้นปลอดพาหะ ทําใหไมสามารถสรางแรงดันไฟฟาภายในไดสูงเพียงพอ

และอาจมีบริเวณที่ชั้น p ไมเกาะติดเลยก็ได เพราะฉะนั้น ความหนาของชั้น p ท่ีเหมาะสมในการทดลองน้ีคือ

200 ล ซึ่งทําให Voc และประสิทธิภาพมีคาสูงท่ีสุด

รูปท่ี 1.71 แสดงความสัมพันธระหวางความหนาของชั้น i-a-Si:H กับลักษณะสมบัติเอาตพุตของ

เซลลแสงอาทิตย โดยใหความหนาของชั้น p-a-SiC:H และ n-μc-Si:H คงท่ีท่ี 200 ล และ 500 ล

ตามลําดับ [54] กระแสไฟฟาลัดวงจร Jsc จะเพ่ิมขึ้นเม่ือความหนาของชั้น i เพ่ิมขึ้น เพราะวาชั้น i ทําหนาท่ี

ผลิตพาหะจากแสง แตเม่ือชั้น i หนาเกินไป Jsc จะลดลง เนื่องจากสนามไฟฟาในชั้น i นอยลงจนไมสามารถ

กวาดเอาพาหะท่ีเกิดขึ้นออกมาสูภายนอกไดหมด ผลท่ีตามมาคือ FF และ Voc จะเร่ิมลดลง ดังนั้นคาความ

หนาที่เหมาะสมของชั้น i จากรูป คือ 6,000-6,500 ล ซึ่งใหคา Voc, Jsc และประสิทธิภาพสูงสุด

สําหรับผลการทดลองการหาความหนาที่เหมาะสมของชั้น n-μc-Si:H แสดงในรูปท่ี 1.72 โดยท่ี

ความหนาของชั้น p-a-SiC:H และ i-a-Si:H คงท่ีเทากับ 150 ล และ 5,000 ล ตามลําดับ [54]

กระแสไฟฟา Jsc จะลดลงเม่ือชั้น n หนาขึ้น เนื่องจากเม่ือชั้น n หนาขึ้น จะทําใหแสงท่ีสะทอนจากขั้วโลหะ

ดานหลังของเซลลแสงอาทิตยไมสามารถทะลุผานชั้น n ไปถึงชั้น i ท่ีทําหนาท่ีผลิตพาหะได และการท่ีชั้น n

หนาขึ้น ก็ทําใหคาความตานทานอนุกรมมีคามากขึ้นดวย

1-79

รูปที่ 1.70 ความสัมพันธระหวางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

และความหนาของชั้น p-a-SiC:H [54]

รูปที่ 1.71 ความสัมพันธระหวางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

และความหนาของชั้น i-a-Si:H [54]

1-80

รูปที่ 1.72 ความสัมพันธระหวางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

และความหนาของชั้น n-μc-Si:H [54]

สวนคา Voc และ FF ท่ีลดลงก็เปนผลมาจากความตานทานในชั้น n ท่ีเพ่ิมขึ้นเชนกัน แตเม่ือชั้น n

บางลงคา Voc และ FF ก็จะลดลง เนื่องจากถาชั้น n บางเกินไปจะไมสามารถสรางสนามไฟฟาไดสูงพอ ดังนั้น

คาความหนาของชั้น n ท่ีเหมาะสมจากรูปคือ 500 ล ซึ่งจะทําใหได Voc, FF และประสิทธิภาพของเซลล

แสงอาทิตยสูงท่ีสุด

การหาเงื่อนไขของความหนาท่ีเหมาะสมของชั้นตางๆ ตัวอยางผลการทดลองโดยหองปฏิบิตการวิจัย

สิ่งประดิษฐสารก่ึงตัวนําไดเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ท่ีใชชั้น p-a-SiC:H เปนชั้นหนาตางกวางรับแสง มี

ลักษณะสมบัติเอาตพุต ดังนี้ Jsc = 12.55 mA/cm2, Voc = 0.84 V, FF = 63.67 %, ประสิทธิภาพ =

6.67 % รูปท่ี 1.73 แสดงตัวอยางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยโดยเปรียบเทียบกรณีเซลล

แสงอาทิตยชนิดรอยตอโฮโมและรอยตอเฮเทโร

อนึ่งประสิทธิภาพสูงสุดระดับโลกมีคาประมาณ 12% [48-49] ท้ังนี้ความแตกตางอยูท่ีคุณภาพของ

เคร่ืองมือและระบบกาซท่ีใช เชน ในตางประเทศมีการใชระบบพลาสมาซีวีดีแบบ seperated chambers ซึ่ง

ประกอบดวยแชมเบอรจํานวนหลายตัว แชมเบอรแตละตัวใชสําหรับปลูกฟลมชั้นใดชั้นหนึ่งโดยเฉพาะ การ

แยกปลูกฟลมชนิดหนึ่งดวยแชมเบอรหนึ่งจะสามารถปองกันการปนเปอน (contamination) ของสารเจือปนได

เปนอยางดี [78]

จากการใช p-a-SiC:H เปนหนาตางกวางรับแสงแทน p-a-Si:H ทําใหประสิทธิภาพของเซลล

แสงอาทิตยเพ่ิมขึ้นจาก 4.12 % เปน 6.67 % จากกราฟลักษณะสมบัติเอาตพุตพบวาประสิทธิภาพท่ีเพ่ิมขึ้น

นี้สืบเนื่องมาจากการเพ่ิมขึ้นของกระแสไฟฟาลัดวงจร Jsc และแรงดันวงจรเปด Voc เปนหลัก การวิเคราะห

ตอไปถึงสาเหตุของการเพ่ิมขึ้นของ Jsc และ Voc เปนสิ่งท่ีนาสนใจ เนื่องจากหลักการในการออกแบบให

1-81

เซลลแสงอาทิตยมีรอยตอเฮเทโรนั้นเพ่ือตองการใหแสงท่ีมีความยาวคล่ืนสั้นวิ่งเขาสูชั้น i ไดดีขึ้น ดังนั้นการ

ตรวจวัดสเปกตรัมผลตอบสนองทางแสงของเซลลแสงอาทิตยจึงเปนสิ่งท่ีขาดไมได สําหรับการเพ่ิมขึ้นของ Voc

นั้น เก่ียวของกับการเพ่ิมขึ้นของศักยไฟฟาภายใน (built-in potential) โดยตรง

รูปที่ 1.73 ตัวอยางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

ซึ่งมีโครงสรางรอยตอโฮโมและรอยตอเฮเทโร [53]

รูปที่ 1.74 ตัวอยางผลการวัดสเปกตรัมผลตอบสนองแสงของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

ซึ่งมีโครงสรางรอยตอโฮโมและรอยตอเฮเทโร [54]

รูปท่ี 1.74 แสดงตัวอยางผลการวัดสเปกตรัมของกระแสไฟฟา Jsc เอาตพุตของเซลลแสงอาทิตย

ชนิดรอยตอโฮโมและชนิดรอยตอเฮเทโร [54] จากรูปจะเห็นไดวาผลตอบสนองทางแสงในชวงคลื่นสั้นของ

เซลลแสงอาทิตยท่ีมี p-a-SiC:H เปนหนาตางกวางดีกวาเซลลแสงอาทิตยท่ีมี p-a-Si:H เปนหนาตางท้ังนี้

เพราะวาชองวางพลังงานของ p-a-SiC:H (2.0 eV) กวางกวาของ p-a-Si:H (1.80 eV) จึงทําใหแสงท่ีมี

ความยาวคลื่นสั้นผานเขาสูชั้น i ไดดีขึ้น ทําให Jsc ของเซลลแสงอาทิตยดีขึ้น และประสิทธิภาพดีขึ้นดวย

1-82

1.7.9 การผลิตเซลลแสงอาทิตยที่ใหแรงดันเอาตพุตสูงดวยโครงสราง

อินทิเกรต

เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H มีขอไดเปรียบกวาเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยว Si คือ มีแรงดัน

วงจรเปดท่ีสูงประมาณ 0.7-0.8 V และมีลักษณะเปนฟลมบาง สามารถผลิตใหเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

ตออนุกรมกันบนแผนฐาน เชน แผนกระจกแผนเดียวกันไดโดยตรงโดยไมตองใชสายไฟฟาตอเชื่อมเลย จึงทํา

ใหลดขั้นตอนการผลิต ลดตนทุน มีความสวยงามและกะทัดรัด บริษัท Sanyo ในประเทศญ่ีปุนเปนบริษัทแรก

ท่ีพัฒนาเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ซึ่งตออนุกรมกันโดยตรงบนกระจกแผนเดียวกัน และใหชื่อวา “เซลล

แสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรต” (integrated type solar cell) [79]

เซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรตนี้ ใหแรงดันวงจรเปดสูงตามจํานวนของเซลลแสงอาทิตยท่ีตอ

อนุกรมกัน มีประโยชนในการใชงานหลายอยาง เชน ใชประจุถานไฟฉาย ประจุแบตเตอร่ีหรือใชเปนแหลง

ผลิตกระแสไฟฟาใหกับเคร่ืองใชไฟฟาตางๆ เชน นาฬิกา เคร่ืองคิดเลข โทรศัพท ไฟฉาย ฯลฯ

ในหัวขอนี้ จะกลาวถึงการออกแบบและการผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H โครงสรางอินทิเกรต

รูปท่ี 1.75 แสดงลักษณะของเซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรตซึ่งเสนอโดยบริษัท Sanyo และ

ปจจุบันมีการใชงานกันแพรหลาย การเชื่อมตอเซลลแสงอาทิตยแตละตัว ทําไดโดยการเคลือบขั้วไฟฟา ITO

ของเซลลหนึ่งใหเชื่อมตอกับข้ัว Al ของเซลลถัดไป

รูปท่ี 1.76 แสดงวงจรสมมูลของเซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรต แรงดันไฟฟาเปนผลรวมของ

แรงดันไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยแตละตัว แตกระแสไฟฟาจะถูกกําหนดดวยกระแสไฟฟาของเซลล

แสงอาทิตยตัวท่ีมีคานอยท่ีสุด

D. Kruangam ไดออกแบบเซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรต ซึ่งแตกตางไปจากของบริษัท Sanyo

ดังแสดงในรูปท่ี 1.77 ความแตกตางอยูท่ีตําแหนงของการเชื่อมตอของข้ัว ITO และ Al ในกรณีรูปท่ี 1.77 ขั้ว

ITO และ Al เชื่อมตอกันท่ีขอบดานนอกของแผนกระจกในลักษณะตัวอักษร L ซึ่งวิธีนี้ชวยใหการจัดวาง

(alignment) ในกระบวนการผลิตทําไดงายขึ้นและชวยลดตนทุนการผลิตได [50, 53] ในรูปท่ี 1.77

ระยะหางของเซลลแสงอาทิตยแตละตัวเทากับ 1 mm พ้ืนท่ีรับแสงของเซลลแสงอาทิตยแตละตัวเทากับ 0.4

cm × 4 cm มีเซลลรวมจํานวน 12 ตัวตออนุกรมกันบนแผนฐานกระจกขนาด 5 cm × 7.5 cm

รูปที่ 1.75 วงจรสมมูลของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต

1-83

รูปที่ 1.76 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต

ซึ่งออกแบบโดยบริษัทซันโย จํากัด ประเทศญ่ีปุน

รูปที่ 1.77 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต

ซึ่งออกแบบโดย ดุสิต เครืองาม [50, 53]

ขั้นตอนในการผลิตเซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรตมีดังนี้ [50-53]

1. เตรียมแผนฐานและจะตองกัด ITO ใหมีรูปรางลวดลายตามตองการ การกัด ITO ใช

กระบวนการโฟโตลิโทกราฟดังแสดงในรูปท่ี 1.78

2. ขั้นตอนการเคลือบฟลมอะมอรฟสชั้น p-a-SiC:H (200 ล)/i-a-Si:H (6,500 ล)/n-μc-Si:H

(500 ล) ในการเคลือบฟลมอะมอรฟสเหลานี้ใชมาสก (mask) ชนิดอะลูมิเนียมหนา 1 mm วางบนแผน

ฐานเพ่ือเคลือบฟลมชั้นอะมอรฟสใหไดรูปรางตามตองการ

3. ขั้นตอนการเคลือบฟลม Al หนาประมาณ 6,000 ล ใหไปเชื่อมกับ ITO ของเซลลแสงอาทิตยท่ี

อยูถัดไป มาสกสําหรับการเคลือบอะลูมิเนียมนั้นทําจากแผนเหล็กกลาไรสนิมอยางบางเชนเดียวกับมาสกของ

ชั้นอะมอรฟส รูปท่ี 1.79 แสดงภาพถายข้ันตอนการผลิตเซลลแสงอาทิตยดังกลาว

รูปท่ี 1.80 แสดงตัวอยางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรต [50] ซึ่ง

ประกอบดวยเซลลแสงอาทิตยจํานวนหลายตัวตออนุกรมกัน โดยวัดท่ี AM1 40 mW/cm2 จะเห็นไดวา

กระแสไฟฟาลัดวงจรจะลดลงเม่ือจํานวนเซลลแสงอาทิตยท่ีตออนุกรมเพ่ิมขึ้น และแรงดันไฟฟาวงจรเปดจะ

เพ่ิมขึ้นตามจํานวนของเซลลแสงอาทิตย ตัวอยางขอมูลมีลักษณะสมบัติเอาตพุตท่ีวัดโดยแสง AM1

1-84

(100mW/cm2) คือ แรงดันไฟฟาวงจรเปด 10.1 V กระแสไฟฟาลัดวงจร 0.81 mA/cm

2 ฟลลแฟกเตอร

55.6% และประสิทธิภาพ 4.54 %

รูปที่ 1.78 ขั้นตอนการสรางลวดลายของข้ัวไฟฟา ITO [53]

รูปที่ 1.79 ตัวอยางข้ันตอนการผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต [53]

1-85

รูปที่ 1.80 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต

ซึ่งมีเซลลแสงอาทิตยเชื่อมตออนุกรมกันหลายตัว [50]

เพ่ือใหไดมอดูลท่ีมีแรงดันไฟฟาสูงพอท่ีจะประจุแบตเตอร่ีขนาด 12 V ได ไดมีการนําเซลล

แสงอาทิตยหลายๆ แผนมาตออนุกรมกันและบรรจุลงในกรอบท่ีแข็งแรง โดยมีขั้นตอนดังนี้

1. ติดมอดูลยอยเขากับแผนกระจกดานหนา ตอสายระหวางเซลลแสงอาทิตยและสายสูภายนอก

2. ติดแผน EVA และ TEDLAR (เปนแผนพลาสติกท่ีใชในการทํามอดูลเซลลแสงอาทิตยใน

อุตสาหกรรม)

3. ปดดานหลังดวยแผน bakelite

4. ติดกรอบอะลูมิเนียมและอุดชองวางท่ีขอบรอบๆ ดวยซิลิโคน

5. ตอบล็อกกิงไดโอด (blocking diode) สําหรับปองกันกระแสไฟฟาไหลยอน

รูปท่ี 1.81 แสดงผลการประดิษฐเซลลแสงอาทิตยท่ีประกอบเซลลหลายแผนบรรจุในกรอบเดียวกัน

และจายกระแสไฟฟาใหแบตเตอร่ีขนาด 12 V ตัวอยางการใชงานในเวลาเท่ียง จะไดกระแสไฟฟาประจุเขา

แบตเตอร่ีประมาณ 11 mA และแรงดันไฟฟาประมาณ 12 V ในขณะท่ีแรงดันวงจรเปดประมาณ 26 V การ

ใชงานในลักษณะเชนนี้ เปนการชวยปองกันการร่ัวของแบตเตอร่ี

รูปท่ี 1.82 แสดงตัวอยางการนําเซลลแสงอาทิตยโครงสรางอินทิเกรตปอนกระแสไฟฟาใหเคร่ืองคิด

เลข [52]

1-86

รูปที่ 1.81 ตัวอยางมอดูลของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต

และการใชงานประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่ [50]

รูปที่ 1.82 ตัวอยางการใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบอินทิเกรต [52]

1.7.10 การพัฒนาเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ที่ใหแรงดันไฟฟา

เอาตพุตสูงดวยโครงสรางทันเดม

ขอดีเดนของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ไดแกการผลิตเปนพ้ืนท่ีใหญไดงาย และมีตนทุนถูกกวา

เซลลชนิดผลึกเดี่ยว Si และผลึกโพลี Si โครงสรางโดยท่ัวไปของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H คือ

glass/ITO/SnO2/p-i-n a-Si:H/Al โดยท่ีชั้น i เปนชั้นผลิตพาหะ และชั้น p และ n ทําหนาท่ีสราง

แรงดันไฟฟาภายในเพ่ือพัดพาพาหะใหไหลออกสูวงจรภายนอก โดยท่ัวไปเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H 1

เซลล (p-i-n 1 ชุด) จะใหแรงดันไฟฟาวงจรเปด (Voc) ประมาณ 0.8-0.9 V ซึ่งมีคาสูงกวาของกรณีเซลล

ชนิดผลึก Si (Voc = 0.5-0.6 V) ในการท่ีจะผลิตใหเซลลแสงอาทิตยมีแรงดันไฟฟาวงจรเปดมีคาสูงมากๆ

เชน เพ่ือใชประจุแบตเตอร่ีนั้น อาจทําไดหลายวิธี เชน

1. เลือกใชวัสดุสารก่ึงตัวนําท่ีมีชองวางพลังงานกวาง

2. ตอเซลลใหตออนุกรมกันในแนวระนาบ ซึ่งอาจตอดวยสายไฟฟาหรือใชเทคนิคฟลมบาง

3. ตอเซลลใหตออนุกรมกันในแนวตั้งและซอนทับกันหลายชั้น

ในหัวขอนี้ จะกลาวถึง การออกแบบและการผลิตเซลลแสงอาทิตยใหเคลือบซอนทับกันหลายชั้นใน

แนวต้ังโดยมีโครงสราง glass/ITO/SnO2/a-Si:H p-i-n-p-i-n-.../Al ดังแสดงในรูปท่ี 1.83 ซึ่งจะทําใหได

Voc สูง และเรียกเซลลแสงอาทิตยโครงสรางเชนนี้วา “โครงสรางทันเดม” (tandem structure) เซลล

แสงอาทิตยชนิดนี้ผลิตไดงาย เพราะเพียงแตเคลือบฟลมอะมอรฟสชั้น p-i-n ใหซอนทับซ้ํากันหลายชั้น และ

เนื่องจากเปนวัสดุอะมอรฟส จึงปลูกเปนฟลมหลายชั้นไดงายดวยวิธีนอนเอพิแทกซี (non-epitaxy)

1-87

รูปที่ 1.83 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบทันเดม [53]

หลักการทํางานและการออกแบบเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดม

ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H p-i-n ขึ้นกับความหนาของชั้น p, i และ n

มาก [54] ไดกลาวไวในหัวขอท่ี 1.7.9 แลววาความหนาท่ีเหมาะสมท่ีสุดของชั้น i อยูในชวง 5,000-6,500

อังสตรอมซึ่งคอนขางจะบางมากเม่ือเปรียบเทียบกับความหนาหลายไมครอนของชั้นปลอดพาหะในรอยตอ p-n

ของเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึก Si ความหนาที่เหมาะสมของชั้น i เพียง 5,000-6,500 อังสตรอมนี้มีสาเหตุ

มาจากการท่ีระยะทางแพรซึม (diffusion length) ของพาหะโดยเฉพาะอยางย่ิงของโฮลมีคาสั้น และยานท่ี

สนามไฟฟามีคาสูงในชั้น i มีคาสั้น [52] สาเหตุเหลานี้ทําใหประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะของเซลล

แสงอาทิตยชนิด a-Si:H ลดลงอยางรวดเร็วเม่ือชั้น i มีความหนามากขึ้นดังแสดงดวยเสนไขปลาในรูปท่ี 1.84

สนามไฟฟาในชั้น i ท่ีบริเวณใกลรอยตอ p/i (wp) และ i/n (wn) มีคาสูงกวาตรงกลางของชั้น i ดวยเหตุนี้

ถาเราแบงชั้น i ออกเปนเซลลแสงอาทิตย p-i-n ยอยๆ หลายชุด เชน 3 ชุดดังแสดงในรูปท่ี 1.84 (มีชุด d1,

d2 และ d

3) ก็คาดวาประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะจะมีคาสูงสมํ่าเสมอตลอดความหนาท้ังหมด ซึ่งจะ

ทําใหประสิทธิภาพของการผลิตพาหะสูงขึ้นและไดกระแสไฟฟาโฟโตมากขึ้นและทําใหฟลลแฟก-เตอร (FF)

ในเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดมมีคาสูงกวาเซลลแสงอาทิตยรอยตอ p-i-n เพียงชุดเดียว

เซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดมท่ีกําลังกลาวถึงนี้มีรอยตอ กระจก/ITO/a-Si:H ชนิด p-i-n-p-

i-n-.../Al ดังแสดงในรูปท่ี 1.85 (ก) รูปท่ี 1.85 (ข) แสดงลักษณะแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยขณะ

ยังไมถูกแสง และรูปท่ี 1.85 (ค) แสดงลักษณะแถบพลังงานของเซลลแสงอาทิตยขณะถูกแสงและรูปท่ี 1.85

(ง) แสดงวงจรสมมูล

เซลลแสงอาทิตยยอยท้ังหมดนี้ เม่ือถูกแสงก็จะผลิตกระแสไฟฟาโฟโตซึ่งจะมีคามากนอยขึ้นกับ

ความเขมของโฟตอนฟลักซท่ีเซลลแสงอาทิตยแตละตัวดูดกลืนได จากวงจรสมมูลในรูป (ง) แรงดันไฟฟา

เอาตพุตท้ังหมดจะเทากับผลบวกของแรงดันไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยยอยแตละตัว และ

กระแสไฟฟาเอาตพุตจะมีคาเทากับกระแสไฟฟาเอาตพุตท่ีมีคานอยท่ีสุดของเซลลแสงอาทิตยยอย [80]

รูปที่ 1.84 ลักษณะการเปล่ียนแปลงของประสิทธิภาพของการกวาดเก็บพาหะตามความลึกของ

เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบทันเดม

1-88

รูปที่ 1.85 เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบทันเดม [53-54]

(ก) โครงสรางของเซลลแสงอาทิตย (ข) แถบพลังงานขณะไมมีแสง

(ค) แถบพลังงานขณะมีแสง และ (ง) วงจรสมมูล

รูปท่ี 1.86 แสดงลักษณะสมบัติของไดโอดชนิด a-Si:H ท่ีมีรอยตอ p-i-n และ p-n จากรูปนี้พบวา

รอยตอ p-i-n จะเปนไดโอดท่ีดี แตรอยตอ p-n จะไมเปนไดโอดเพราะกระแสไฟฟาไบแอสตามและยอนมี

คาใกลกันมาก ดังนั้นรอยตอ p-n ของ a-Si:H จึงทําหนาท่ีเปรียบเสมือนรอยตอโอหมิก ดวยเหตุนี้ในเซลล

แสงอาทิตยชนิดทันเดมของรอยตอ p-i-n-p-i-n-... ดังกลาวจึงไมมีแรงดันไฟฟาภายในท่ีรอยตอ n-p แต

จะมีแรงดันไฟฟาภายในท่ีรอยตอ p-i-n เทานั้น และรอยตอ n-p ทําหนาท่ีเปรียบเสมือนตัวตานทานเชื่อม

เซลลแสงอาทิตยขางเคียงใหตออนุกรมกันไดเทานั้นนั่นเอง

1-89

รูปที่ 1.86 เปรียบเทียบลักษณะสมบัติกระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาของ a-Si:H รอยตอ

p-n และรอยตอ p-i-n

การหาคาแรงดันไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดม

ในเซลลแสงอาทิตยท่ัวไป ความสัมพันธระหวางกระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟา (I-V) มีรูปดังนี้ [81]

I I qV IR

nkT

V IR

RIs

shL=

+−

⎧⎨⎩

⎫⎬⎭+

+−exp[

( )] 1 (1.116)

โดยท่ี I : กระแสไฟฟาเอาตพุต V : แรงดันไฟฟาเอาตพุต

IL : กระแสไฟฟาโฟโตท่ีเกิดในเซลลแสงอาทิตย Is : กระแสไฟฟาอ่ิมตัว

n : แฟกเตอรอุดมคติของไดโอด R : ความตานทานอนุกรม

Rsh : ความตานทานชันต

ถาสมมติให Rsh มีคาสูงมากใกลอนันต สมการท่ี (1.116) จะเขียนไดใหมเปน

V IRnkT

q

I I I

IL s

s

+ = ⋅+ −

ln[ ] (1.117)

ดังนั้นในกรณีท่ีเซลลแสงอาทิตยมีโครงสรางแบบทันเดมในรูปท่ี 1.85 จึงไดวา [81]

V IRnkT

q

I I I

ILi s

si

m

+ = ⋅+ −

=∏ln[ ( )]

1

(1.118)

โดยท่ี ILi : กระแสไฟฟาโฟโตท่ีเกิดขึ้นในเซลลแสงอาทิตยแตละตัว

1-90

m : จํานวนของเซลลแสงอาทิตย (จํานวนของชุด p-i-n)

R : ความตานทานอนุกรมท้ังหมด

V : แรงดันไฟฟาเอาตพุตท้ังหมด

จากการคํานวณสมการท่ี (1.118) ไดผลวาแรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc และกระแสไฟฟาลัดวงจร Isc

จะมีคาสูงสุด เม่ือกระแสไฟฟาโฟโต ILi มีคาเทากับ 1/m ของ IL และถา I LL ii

m=

=∑

1

ดังนั้นคาสูงสุด

ของ Voc และ Isc คือ

V mnkT

q

I

Imoc

L

s

= −( )[ln( ) ln( )] (1.119)

โดยท่ีให IL >> Is และ IImscL≈ (1.120)

ดังนั้นจากสมการท่ี (1.119) และ (1.120) นี้จึงทําใหเราทราบวาแรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc แปร

ผันตรงกับจํานวน m ของเซลลแสงอาทิตย แตกระแสไฟฟาลัดวงจร Isc แปรผกผันกับจํานวน m ของ

เซลลแสงอาทิตย

นอกจากนี้ สมการท่ี (1.118) สามารถเขียนใหมไดดังนี้

V IRnkT

q

I

mI I

I

Ls

s

m+ =+ −

⎡

⎣

⎢⎢⎢⎢

⎤

⎦

⎥⎥⎥⎥

ln ( ) =+ −

mnkT

qI mI mI

mIL s

sln[ ]

V

mmI

R

m

nkT

q

I mI mI

mIL s

s

+ =+ −

2 ln[ ]

V I RnkT

q

I I I

IeffL s

s

+ ⋅ =+ −

ln[ ] (1.121)

โดยท่ี V V m I mI I mIs s= = =/ , , และ RR

meff = 2 (1.122)

สมการท่ี (1.121) และ (1.122) ทําใหเราทราบวา แมวาการเพ่ิมจํานวน m เซลลแสงอาทิตยจะทํา

ใหความตานทานอนุกรม R เพ่ิม แตโดยภาพรวมแลว ความตานทานอนุกรมประสิทธิผล Reff (effective

series resistance) จะลดนอยลงตามแฟกเตอร 1/m2 ดังนั้นเราจึงคาดหวังไดวา การเพ่ิมจํานวนเซลล

แสงอาทิตยหลายๆ ชั้นจะทําใหฟลลแฟกเตอรของเซลลแสงอาทิตยดีขึ้นดวย

การออกแบบความหนาของชั้น i ในเซลลแสงอาทิตยแตละตัว

ความหนา di ของชั้น i ในเซลลแสงอาทิตยแตละตัวมีอิทธิพลตอกระแสไฟฟาโฟโต ILi รวมท้ัง

ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยโดยรวมเปนอยางมาก ในหัวขอนี้จะอธิบายแนวทางการออกแบบความหนา

ของชั้น i ในเซลลแสงอาทิตยแตละตัววาควรเปนอยางไร

ความหนา di ท่ีเหมาะสม เร่ิมแรกควรจะสอดคลองกับเงื่อนไขท่ีทําให

1-91

IIm i mLiL= =( , , . . . . . . . )1 2 (1.123)

กลาวคือ เนื่องจากกระแสไฟฟาท่ีไหลในเซลลแสงอาทิตยทุกตัวจะถูกกําหนดโดยเซลลแสงอาทิตย

ตัวท่ีใหกระแสไฟฟาเอาตพุตนอยท่ีสุด และเนื่องจากเซลลแสงอาทิตยชั้นท่ี 1 จะไดรับแสงเขมมากท่ีสุด ในขณะ

ท่ีเซลลแสงอาทิตยท่ีอยูลึกเขาไปดานหลังจะไดรับแสงเขมนอยลงอยางเอกซโพเนนเชียล ดังนั้นเราจึง

คาดคะเนไดวาความหนาของชั้น di นั้นควรจะเพ่ิมขึ้นเม่ือเซลลแสงอาทิตยอยูลึกเขาไปดังแสดงในรูปท่ี 1.87

นั่นคือ d1 < d2 < d3 <... dm

ถาให Φ( , )hω x คือโฟตอนฟลักซของแสง ณ ท่ี ตําแหนง x ในเซลลแสงอาทิตย และ Eg คือ

ชองวางพลังงานของ a-Si:H (ปกต ิEg = 1.7-1.8 eV) เราจะไดคา ILi ดังนี้ [81]

[ ]I q x x d

q x x

q

Li i iEg

i i

i

= −

= −

=

−

∞

−

∫ Φ Φ

Φ Φ

ΔΦ

( , ) ( , ) ( )

[ ( ) ( )]

h h hω ω ω2 2 1

2 2 1 (1.124)

โดยท่ี d x xi i i= − −2 2 1 และ Φ Φ( ) ( , ) ( )x x dEg

=∞∫ h hω ω (1.125)

รูปที่ 1.87 การเปล่ียนแปลงของโฟตอนฟลักซของแสงตามความลึกท่ีเดินทางเขาสูเซลลแสงอาทิตย

ชนิด a-Si:H ท่ีมีโครงสรางแบบทันเดม ตามระยะทางความลึก

1-92

ตัวอยางการผลิตเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดม

ในหัวขอนี้จะขอยกตัวอยางผลการวิจัยการประดิษฐเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ท่ีมีโครงสรางทัน

เดมดวยวิธีพลาสมาซีวีดี [81] รูปท่ี 1.83 แสดงโครงสรางพ้ืนฐานของเซลลแสงอาทิตยซึ่งเปนรอยตอ p-i-

n ชั้น p ไดแกวัสดุ p-a-SiC:H (Eg = 2.0 eV)

กาซสําหรับชั้น p คือ SiH4 + CH

4 + B

2H

6 กาซสําหรับชั้น i คือ SiH

4 และกาซสําหรับชั้น n คือ

SiH4 + PH

4 แผนฐานคือ glass/ITO/SnO

2 ตารางท่ี 1.4 แสดงพารามิเตอรคาความหนาของชั้นตางๆ ในเซลล

แสงอาทิตย โปรดสังเกตวา ความหนาของชั้น i จะมากขึ้นเม่ือเซลลอยูลึกเขาไป เชน ในกรณีเซลลมี 4 ชุด

ความหนาของชั้น i ของ 4 เซลลนี้คือ (เรียงจากดานรับแสง) 200, 370, 930 และ 4,700 ล ตามลําดับ

สําหรับความหนาของชั้น p และ n นั้นกําหนดใหคงท่ีท่ีประมาณ 100 ล

ผลการผลิตเซลลแสงอาทิตยท้ัง 4 รุน แสดงในรูปท่ี 1.88 และรูปท่ี 1.89 [81] โดยรูปท่ี 1.88

แสดงลักษณะสมบัติเอาตพุตของกระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยท่ีวัดดวยแสงอาทิตยเทียม

(solar simulator) ความเขม AM1 (100 mW/cm2) และรูปท่ี 1.89 แสดงความสัมพันธระหวางพารามิเตอร

เอาตพุตและจํานวน m ของเซลลแสงอาทิตยท่ีซอนทับกัน จากรูปเหลานี้พบวา เม่ือ m

ตารางที่ 1.4 ความหนาของชั้นตางๆ ในเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดม

ความหนาแนนของฟลมแตละชั้น (อังสตรอม) (เรียงลําดับจากแผนกระจก)

รอยตอ จํานวนเซลลที่

ซอนทับกัน = 1

จํานวนเซลลที่

ซอนทับกัน = 2

จํานวนเซลลที่

ซอนทับกัน = 3

จํานวนเซลลที่

ซอนทับกัน = 4

P 200 200 200 200

I 6,500 440 370 200

N 500 100 100 100

P 50 50 500

I 4,700 840 370

N 500 100 100

P 50 50

I 4ม700 930

N 500 100

P 50

I 4,700

N 500

1-93

รูปท่ี 1.88 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ท่ีมีโครงสรางแบบทันเดม

ซึ่งประกอบดวยเซลลแสงอาทิตยซอนทับกันจํานวนหลายเซลล [81]

รูปที่ 1.89 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ท่ีมีโครงสรางแบบ

ทันเดมจํานวน 2, 3 และ 4 ตัว [81]

มีคามากขึ้นจาก 1 ถึง 4 จะทําใหแรงดันไฟฟาวงจรเปด Voc เพ่ิมจาก 0.83 V เปน 2.63 V และ

กระแสไฟฟาลัดวงจร Jsc ลดลงจาก 12.42 mA/cm2 เปน 2.37 mA/cm

2 ซึ่งการเปลี่ยนแปลงของท้ัง Voc

และ Jsc นี้สอดคลองกับการคาดคะเนท่ีไดกลาวมาแลว และฟลลแฟกเตอรก็เพ่ิมเล็กนอยและสอดคลองกับ

ผลการคาดคะเนเชนกัน

อยางไรก็ตาม ในกรณีท่ี m = 1 ได Voc = 0.8 V ดังนั้น ถา m = 4 ก็ควรจะได Voc = 4×0.8 V =

3.2 V แตผลการทดลองได Voc เพียง 2.63 V และประสิทธิภาพก็ลดลงจาก 6.6 % ลงไปท่ี 4.5 % เม่ือ

จํานวนของเซลลแสงอาทิตย m เพ่ิมขึ้นจาก 1 เปน 4 ท้ังนี้อาจมีสาเหตุมาจากการท่ีมีแสงบางสวนถูกดูดกลืน

ในชั้น p และ n ดวย เนื่องจากชั้น p และ n มีคาสภาพนําไฟฟาดวยแสงท่ีไมดี ดังนั้นจึงไมมีกระแสไฟฟาโฟ

1-94

โตเกิดขึ้นในชั้น p และ n ดังนั้นการดูดกลืนแสงดวยชั้น p และ n จึงอาจเปนสาเหตุท่ีทําใหผลการทดลอง

คลาดเคลื่อนไปจากการคาดคะเนไดบาง

ลักษณะเดนของเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดมเชนนี้ไดแกการท่ีมีแรงดันเอาตพุตสูง ดังนั้นถา

ผลิตใหมีพ้ืนท่ีใหญพอเหมาะ ก็จะสามารถใชปอนกระแสไฟฟาใหผลิตภัณฑเครื่องใชไฟฟาอิเล็กทรอนิกสได

ตัวอยางขอมูลขางตนไดกําหนดใหชองวางพลังงานของชั้น i เทากันทุกชั้น (1.7 eV) ดังนั้นลักษณะ

สเปกตรัมผลตอบสนองแสงของเซลลแสงอาทิตยทุกชั้นจึงเหมือนกันหมด ทําใหไมสามารถดูดกลืนแสงท่ีมี

ความยาวคลื่นยาวไดเลย แตถาใชวัสดุชั้น i ท่ีมีชองวางพลังงานแคบลง เชน a-Si1-x

Gex:H เปนชั้น i ในเซลล

แสงอาทิตยชั้นท่ี 2, 3, 4... โดยควบคุมใหชองวางพลังงานแคบลงจาก 1.7 eV ลงไปถึง 1.1 eV ก็จะ

สามารถทําใหประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยโครงสรางทันเดมสูงขึ้นได [82-86]

รูปท่ี 1.90 แสดงผลการคํานวณของการใชเซลลแสงอาทิตย 2 ตัวซอนทับกัน โดยเซลลตัวท่ีหนึ่ง

ดานรับแสงมีชองวางพลังงาน 1.75 eV และเซลลชั้นท่ีสองมีชองวางพลังงาน 1.15 eV ผลการคํานวณได

ประสิทธิภาพสูงสุด 21% [82]

รูปท่ี 1.91 แสดงผลการคํานวณของการใชเซลลแสงอาทิตย 3 ตัวซอนทับกัน โดยเซลลแสง-อาทิตย

ท้ังสามมีชองวางพลังงานเทากับ 2.0 eV/1.7eV/1.45 eV ตามลําดับ ผลการคํานวณไดประสิทธิภาพสูงสุด

เทากับ 24% [82] อยางไรก็ตามในทางปฏิบัติ ประสิทธิภาพจะมีคาไมถึงคาเหลานี้ เพราะวาคุณภาพของ

วัสดุอะมอรฟสซิลิคอนอัลลอยโดยเฉพาะอยางย่ิง a-SiC:H และ a-SiGe:H ท่ีจะนํามาใชเปนชั้น i นั้นยังมีคา

สภาพนําไฟฟาดวยแสงท่ียังไมดีเทาท่ีควร ดังนั้นในทางปฏิบัติ จึงมีความจําเปนท่ีจะตองหาแนวทางการปลูก

ฟลม a-SiC:H และ a-SiGe:H ท่ีมีสภาพนําไฟฟาดวยแสงท่ีดีขึ้น

ลาสุดบริษัท United Solar System Corp. ประเทศสหรัฐอเมริกาไดรายงานผลการผลิตเซลลแสง-

อาทิตย 3 ตัวซอนทับกันโดยมีโครงสรางตามท่ีแสดงในรูปท่ี 1.92 ไดประสิทธิภาพสูงถึง 14.6% [85] รูปท่ี

1.93 แสดงกราฟลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยนี้ รูปท่ี 1.94 แสดงผลการวัดสเปกตรัมของ

ผลตอบสนองตอแสง รูปท่ี 1.95 แสดงเทคโนโลยีการผลิตของบริษัทนี้ดวยวิธี roll-to-roll กลาวคือ แผน

ฐานชนิดเหล็กกลาไรสนิมจะถูกปอนเขาเคร่ือง CVD จากทางดานซาย และภายในเคร่ือง CVD นี้จะมีชุด CVD

ยอยๆ จํานวน 9 เคร่ืองเพ่ือปลูกฟลมอะมอรฟสซิลิคอนอัลลอยชนิดตางๆ แบบตอเนื่อง เซลลแสงอาทิตยท่ี

ผลิตไดก็จะออกทางดานขวาดและมีเคร่ืองมวนเก็บไวสําหรับขั้นการประกอบแผงเซลลตอไป [87] รูปท่ี 1.96

แสดงหลักการออกแบบโครงสรางของเซลลแสงอาทิตย 3 เซลลซอนทับกัน

รูปที่ 1.90 ผลการคํานวณประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ท่ีประกอบดวยเซลลท่ี

ซอนทับกัน 2 ชั้น (double junctions) ประสิทธิภาพสูงสุดมีคา 21% ไดจากการณีท่ีชองวาง

พลังงานของเซลลชั้นบนและชั้นลางเทากับ 1.75 eV และ 1.15 eV ตามลําดับ [82]

1-95

รูปที่ 1.91 ผลการคํานวณประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ท่ีประกอบดวยเซลลท่ี

ซอนทับกัน 3 ชั้น (triple junctions) ประสิทธิภาพสูงสุดมีคา 24% ไดจากการณีท่ีชองวาง

พลังงานของเซลลชั้นบน ชั้นกลางและชั้นลางเทากับ 2.0 eV 1.7 eV และ 1.45 eV

ตามลําดับ [82]

รูปที่ 1.92 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบทันเดมซึ่งซอนทับกัน 3 เซลล จากชั้น

บนลงมา เซลลดานบนสุดใชวัสดุ a-Si:H เซลลชั้นท่ี 2 และ 3 ใชวัสดุ a-SiGe:H [85]

1-96

รูปที่ 1.93 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยในรูปท่ี 1.92

มีประสิทธิภาพสูงถึง 14.6 % [85]

รูปที่ 1.94 สเปกตรัมผลตอบสนองตอแสงของเซลลแสงอาทิตยแบบทันเดม

ซึ่งซอนทับกัน 3 เซลล [85]

รูปที่ 1.95 แผนภาพเคร่ืองมือผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H

เชิงอุตสาหกรรมแบบ roll-to-roll [87]

1-97

รูปที่ 1.96 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยแบบทันเดมซึ่งมีโลหะเปนแผนฐาน [87]

การพัฒนาเซลลแสงอาทิตยที่มีโครงสรางแบบตางๆ

(1) เซลลอาทิตยซึ่งชั้น p เปนซูเปอรแลตทิซ (superlattice p-layer)

ปญหาหนึ่งเก่ียวกับคุณสมบัติของ a-SiC:H ชนิด p ซึ่งนิยมใชเปนชั้นหนาตางรับแสงคือ มีคาสภาพ

นําไฟฟาดวยแสงท่ียังต่ําอยูและชองวางพลังงานก็ยังถูกจํากัดอยูท่ีประมาณ 2.0 eV ท้ังนี้เพราะวาถาปลูกฟลม

ใหชองวางพลังงานกวางขึ้น จะทําใหท้ังสภาพนําไฟฟามืดและสภาพนําไฟฟาดวยแสงลดลงอยางรวดเร็ว

แนวทางหนึ่งท่ีจะชวยแกปญหาเก่ียวกับชั้น p ไดแก การประดิษฐใหชั้น p มีโครงสรางเปนซูเปอรแลตทิซ

(superlattice) เชน ปลูกฟลมบางของ a-SiC:H และ a-Si:H ท่ีมีความบางมากๆ เชน 20-50 อังสตรอม

สลับกันจํานวนหลายๆ ชั้นในลักษณะมัลติเลเยอร โดปชั้น a-Si:H ใหเปนชนิด p สําหรับชั้น a-SiC:H อาจจะ

โดปหรือไมก็ได

บริษัท Sanyo จํากัด ประเทศญ่ีปุนไดออกแบบและประดิษฐเซลลแสงอาทิตยซึ่งชั้น p เปนซูเปอร

แลตทิซดังท่ีแสดงในรูปท่ี 1.97 (ก) ผลการวัดสเปกตรัมของผลตอบสนองตอแสงของเซลลแสงอาทิตยแสดง

ในรูปท่ี 1.97 (ข) จากรูปนี้จะเห็นไดวา ผลตอบสนองตอแสงยานความยาวคลื่นสั้นของเซลลชนิดซูเปอร

แลตทิซนี้ดีกวากรณีของเซลลซึ่งชั้น p ไมไดเปนซูเปอรแลตทิซ [88]

(2) เซลลแสงอาทิตยซึ่งใชไมโครคริสตัลไลนซิลิคอนออกไซด (p-μc-SiO:H) เปนชั้น p รับแสง

บริษัท Fuji Electric จํากัด ประเทศญ่ีปุนไดรายงานผลความสําเร็จในการปลูกฟลมบางของ p-μc-

SiO:H ดวยวิธี glow discharge plasma CVD โดยใชกาซ SiH4+CO

2+H

2+B

2H

6 มีชองวางพลังงานกวาง

เทากับ 2.0 eV และมีสภาพนําไฟฟาสูงมาก ทําใหไดเซลลแสงอาทิตยอาทิตยท่ีมีประสิทธิภาพสูงประมาณ

12% [89]

(3) เซลลแสงอาทิตยซึ่งมีโครงสรางรอยตอเฮเทโรของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H และชนิดผลึก

โพลี Si

คณะวิจัยท่ีมหาวิทยาลัยโอซากาไดรายงานผลการประดิษฐเซลลแสงอาทิตยท่ีประกอบดวยเซลล

แสงอาทิตยชนิด a-Si:H รอยตอ p-i-n ซอนทับกับเซลลแสงอาทิตยชนิด n-a-Si:H/p-poly Si ดังโครงสราง

ท่ีแสดงในรูปท่ี 1.98 เซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ดานบนทําหนาท่ีดูดกลืนแสงความยาวคลื่นสั้น และเซลล

ชนิดโพลี Si ดานลางนั้นทําหนาท่ีดูดกลืนแสงความยาวคลื่นยาว ประสิทธิภาพท่ีไดคือ 12% [2]

1-98

(4) เซลลแสงอาทิตยท่ีมีโครงสราง “See Through”

บริษัท Sanyo จํากัด ประเทศญ่ีปุน ไดผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด “See through” ซึ่งมีลักษณะเดนท่ีมี

ความโปรงใสมาก [90] ทําใหสามารถมองทะลุเซลลแสงอาทิตยเห็นดานหลังได รูปท่ี 1.99 แสดง โครงสราง

ของเซลลชนิดนี้ วิธีการผลิตไดแกการใชเทคนิคเจาะฟลมอะมอรฟสซิลิคอนใหเปนรูจํานวนมากดวยแสงเลเซอร

สามารถนําเซลลชนิดนี้ไปใชงานเปนหนาตางและประตูท่ีผลิตกระแสไฟฟาไดดังท่ีแสดงในรปูท่ี 1.100

(5) เซลลแสงอาทิตยท่ีมีโครงสรางอินทิเกรต

บริษัท Sanyo จํากัด ไดพัฒนาเซลลแสงอาทิตยท่ีมีโครงสรางอินทิเกรตซึ่งไดแสดงไวในรูปท่ี 1.75

แลว สิ่งท่ีนาสนใจคือ การใชเทคโนโลยีเลเซอรในการกรีดตัดฟลมชั้นตางๆ ไมวาจะเปน ฟลม ITO ฟลม a-

Si:H และฟลม Al ตามท่ีแสดงในรูปท่ี 1.101 และ 1.102 การใชแสงเลเซอรดังกลาวทําใหกระบวนการผลิต

เปนแบบอัตโนมัติได เปน dry process และมีความเท่ียงตรงสูง

รูปท่ี 1.103 1.106 แสดงตัวอยางการออกแบบเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนในลักษณะ

ตางๆ และการนําไปใชงานผลิตกระแสไฟฟาแบบตางๆ เชน ใชงานเปนหลังคาบาน ใชงานเปนหลังคารถยนต

ไฟแสงสวางตูไปรษณีย ชุดปกนิก เคร่ืองใชสํานักงาน เปนตน

รูปที่ 1.97 (ก) โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยซึ่งชั้น p เปนซูเปอรแลตทิซ [88]

(ข) ผลการวัดสเปกตรัมของผลตอบสนองตอแสงของเซลลแสงอาทิตย

1-99

รูปที่ 1.98 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยซึ่งประกอบดวยเซลลชนิด a-Si:H และชนิดโพลี Si

รูปที่ 1.99 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H แบบ See through ซึ่งมองทะลุได [90]

รูปที่ 1.100 การใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H ซึ่งมองทะลุไดเปนหนาตางและประตู

1-100

รูปที่ 1.101 การใชเทคโนโลยีเลเซอรสําหรับการกรีดตัดฟลมบางชั้นตางๆ ในการผลิตเซลลแสงอาทิตย

รูปที่ 1.102 การใชแสงเลเซอรในการกรีดตัดชั้นตางๆ ในการผลิตเซลลแสงอาทิตย

รูปที่ 1.103 การใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H เปนหลังคาบาน

1-101

รูปที่ 1.104 การใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H เปนหลังคาบาน

รูปที่ 1.105 การใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H รูปแบบตางๆ เชน หลังคารถยนต ตูไปรษณีย

1-102

รูปที่ 1.106 การใชงานเซลลแสงอาทิตยชนิด a-Si:H กับเคร่ืองใชสํานักงาน

1-103

1.8 เซลลแสงอาทิตยชนิดสารประกอบกึ่งตัวนํา

สารก่ึงตัวนําท่ีสามารถใชผลิตเปนเซลลแสงอาทิตยนอกจาก Si ซึ่งเปนธาตุตระกูล IV แลว ยังมี

สารประกอบก่ึงตัวนําตระกูล III-V ซึ่งประกอบดวยธาตุตระกูล III (เชน Ga, In) และ V (เชน P, As) สราง

พันธะเปน GaAs และ InP และยังมีสารประกอบก่ึงตัวนําตระกูล II-VI ซึ่งประกอบดวยธาตุตระกูล II (เชน

Zn, Cd) และ VI (เชน S, Se, Te) สรางพันธะเปน CdS, CdTe เปนตน ในอดีต เซลลแสงอาทิตยท่ีผลิตจาก

วัสดุเหลานี้มีราคาแพงมาก แตในปจจุบันราคาของเซลลแสงอาทิตยเหลานี้ไดลดลงมากแลว เซลลแสงอาทิตย

ชนิด CdS/CdTe ไดมีการผลิตและขายเชิงพาณิชยแลว และเซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs และ InP ก็ใชกันมาก

ในอวกาศ นอกจากนี้ในปจจุบัน สารประกอบก่ึงตัวนําตระกูลคารโคไพไรตซึ่งประกอบดวยธาตุตระกูล I-III-

VI2 เชน CuInSe

2 ก็กําลังไดรับความสนใจมากเชนกัน

ตารางท่ี 1.5 แสดงตัวอยางรายชื่อสารประกอบก่ึงตัวนําชนิดตางๆ ท่ีกําลังไดรับความสนใจในการ

ประดิษฐเปนเซลลแสงอาทิตยกันมากในปจจุบัน

1.8.1 คุณสมบัติเดนของเซลลแสงอาทิตยชนิดสารประกอบก่ึงตัวนํา

คุณสมบัติเดนของเซลลแสงอาทิตยชนิดสารประกอบก่ึงตัวนําเหลานี้ มีดังตอไปน้ี

(1) มีศักยภาพท่ีทําใหเซลลแสงอาทิตยมีประสิทธิภาพสูง

จากการศึกษาทางทฤษฎีพบวา ชองวางพลังงานของสารก่ึงตัวนําท่ีจะใหประสิทธิภาพสูงท่ีสุดมีคาอยู

ในชวง 1.4-1.5 eV วัสดุสารประกอบก่ึงตัวนําหลายชนิด เชน GaAs (1.41 eV) InP (1.35 eV) และ

CdTe (1.44 eV) จึงมีศักยภาพท่ีจะใหประสิทธิภาพสูงได

(2) มีคาสัมประสิทธ์ิการดูดกลืนแสงสูงและสามารถผลิตใหเปนฟลมบางได

กรณีวัสดุ Si ซึ่งเปนสารก่ึงตัวนําชนิดชองวางพลังงานแบบไมตรง ดังนั้นสัมประสิทธ์ิการดูดกลืนแสง

ของ Si จึงมีคานอย และการท่ีจะให Si ดูดกลืนแสงอาทิตยมากๆ ตองใชผลึก Si ท่ีมีความหนาถึงระดับ 100

μm ในขณะท่ีสารประกอบก่ึงตัวนําหลายชนิดมีชองวางพลังงานชนิดตรง จึงมีความสามารถดูดกลืนแสงไดดี

และดวยความหนาเพียงระดับสิบ μm ก็สามารถดูดกลืนแสงอาทิตยไดมาก [91] รูปท่ี 1.107 แสดงการ

เปรียบเทียบความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยและความหนาของผลึกชนิด Si และชนิด

1-104

ตารางที่ 1.5 วัสดุสารก่ึงตัวนําท่ีใชประดิษฐเปนเซลลแสงอาทิตย

เทคนิคการแกะฟลม วิธีการเอชชิง

ผลึกเดี่ยวฟลมบาง วิธีการแกะฟลมใหรอน

เซลลชนิดราคาถูก/นํ้าหนักเบา เทคนิคเอพิแทกซีบน

แผนฐานตางๆ ชนิด

GaAs/Si, InP/Si, GaAs/Ge

ตระกูล III-V

GaAs, InP/Graphite, Mo, W

ผลึกโพลีฟลมบาง ตระกูล II-VI

CdS/CdTe

Cu2S/CdS

ชารลโคไพไลต CdZnS/CuInSe2,

CuInGaSe2, CuInS

2

a-Si/CuInSe2

วัสดุประสิทธิภาพสูง/

รอยตอเดี่ยว

GaAs AlGaAs/GaAs

GaAs

InP

เซลลชนิดประสิทธิภาพสูง

AlGaAs/GaAs

ชนิดรวมแสง มัลติเลเยอร GaAs/Si

AlGaAs/GaAs

InP

รอยตอหลายชั้น ซอนแบบกล GaAs/Si, GaAs/InGaAs,

GaAs/CuInSe2

โมโนลิทิก AlGaAs/GaAs,

GaInP/GaAs

GaAs/Si, GaAs/Ge

AlGaAs/GaAs

วัสดุประสิทธิภาพสูง GaAs/Si, GaAs/Ge,

AlGaAs/GaAs,

GaAs/CuInSe2

เซลลสําหรับใชในอวกาศ รวมแสง

วัสดุทนรังสีตางๆ InP

1-105

รูปที่ 1.107 การเปรียบเทียบความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยและความหนาของ

ผลึกชนิด Si และ GaAs

GaAs จากรูปจะเห็นไดวา ถาเราตองการไดประสิทธิภาพประมาณ 15% เซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs จะใช

ความหนาเพียง 10 μm ในขณะท่ีเซลลแสงอาทิตยชนิด Si จะตองใชความหนาถึง 100 μm

(3) มีความทนทานตอรังสีตางๆ ในอวกาศ

เนื่องจากเซลลแสงอาทิตยชนิดสารประกอบก่ึงตัวนําไมใชความหนามาก จึงมีคุณสมบัติทนทานตอ

รังสีตางๆ ในอวกาศไดดีกวา Si ในทางปฏิบัติจริงนิยมใชเซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs และ InP ในดาวเทียม

(4) ทํางานไดดีภายใตแสงท่ีมีความเขมสูง

สารประกอบก่ึงตัวนําเหลานี้ มีชองวางพลังงานกวางกวา Si ดังนั้นแมจะใชงานท่ีอุณหภูมิสูง

กระแสไฟฟามืดจึงเปลี่ยนแปลงนอยกวา จึงยังคงรักษาประสิทธิภาพใหคงไวท่ีคาสูงไดดีกวา Si ดังแสดงในรูปท่ี

1.108 [92] ดังนั้นจึงไดรับผลกระทบตอความรอนขณะใชงานนอย

รูปที่ 1.108 อิทธิพลของอุณหภูมิท่ีมีตอประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด Si และ AlGaAs/GaAs

(5) มีศักยภาพในการดูดกลืนแสงในลักษณะสเปกตรัมท่ีกวางไดดี

เราสามารถผลิตเซลลแสงอาทิตยท่ีประกอบดวยสารประกอบก่ึงตัวนําท่ีมีชองวางพลังงานตางๆ ให

ซอนทับกันหลายชั้นได ทําใหเซลลแสงอาทิตยแบบหลายชั้นสามารถดูดกลืนแสงอาทิตยไดท่ียานความยาวคลื่น

ท่ีกวาง ทําใหเซลลแสงอาทิตยสามารถดูดกลืนแสงอาทิตยไดอยางมีประสิทธิภาพ

1-106

1.8.2 คุณสมบัติพ้ืนฐานของสารประกอบก่ึงตัวนําสําหรับการใชงานเปน

เซลลแสงอาทิตย

1) คุณสมบัติพ้ืนฐานทั่วไป

ตารางท่ี 1.6 และ ตารางท่ี 1.7 แสดงคุณสมบัติทางฟสิกสตางๆ ของสารก่ึงตัวนําตระกูล III-V และ

II-VI ตามลําดับ คุณสมบัติเดนของสารประกอบก่ึงตัวนําเหลานี้คือ การเปล่ียนแปลงสวนผสม

ตารางที่ 1.6 คุณสมบัติพ้ืนฐานของสารประกอบกึ่งตัวนําตระกูล III-V

วัสดุ

โครง

สราง

คาคงท่ีโครงผลึก

(nm)

ชอวาง

พลังงาน

(eV)

ความคลองตัว

(cm2/V.s)

(300K)

เวลาอายุพาหะ

(s)

สัมประสิทธ์ิ

การดูดกลืน

แสง

(1/cm)

a0 c

0 อิเล็กตรอน โฮล อิเล็กตรอน โฮล

AlP CB

ZB

0.5463 2.45(X) 80

AlAs CB

ZB

0.5661 3.11(Γ)

2.13(X)

180

AlSb CB

ZB

0.6136 2.218(Γ)

1.62(X)

200 420 2.6 x 10-9

1.3 x 10-9

GaN HEX

WZ

0.3180 5.166 3.39 380 1.5x105

(hv~4eV)

GaP CB

ZB

0.5450 2.78(Γ)

2.24(X)

200 120

1,000

(77K)

3x10-9

8 x 10-8

GaAs CB

ZB

0.5642 1.428 8,500 420 10-5

~10-6

2.1 x10-3

1.1x104

(hv=1.6 eV)

GaSb CB

ZB

0.6094 0.72 7,700 1,400

4,800

(77K)

1x104

(hv=0.8 eV)

InN HEX

WZ

0.3533 5.692 2.4

InP CB

ZB

0.5869 1.351 6,060 150 2x10-3

2.6 x 10-6

InAs CB

ZB

6.6058 0.356 33,000 460 10-3

5x10-3

4x103

(0.5 eV)

1-107

ตารางที่ 1.7 คุณสมบัติพ้ืนฐานของสารประกอบกึ่งตัวนําตระกูล II-VI

รายการ ZnS ZnSe ZnTe CdS CdSe CdTe

คาคงตัวแลตทิซ a0 (ล) 3.822 5.669 6.103 4.137 4.297 6.483

c0 (ล) 6.259 6.716 7.006

ความหนาแนน g.cm-3

4.087 5.262 5.636 4.819 5.670 5.849

สัมประสิทธ์ิ

การขยายตัว

⊥ c

(10-6

/°C)

6.5 7.1 8.4 4.6 4.9 4.5

// c 4.6 2.6 2.9

จุดหลอมเหลว °C 1,718 1,526 1,292 1,397 1,258 1,097

ชองวางพลังงาน (eV) 3.6 2.7 2.23 2.42 1.72 1.44

ชนิด ตรง ตรง ตรง ตรง ตรง ตรง

การนําไฟฟา ชนิด n n, p p n n p, n

ความคลองตัว อิเล็กตรอน 120 530 530 350 650 1000

(cm2V

-1s

-1) โฮล 130 65

อิเล็กตรอนแอฟฟนิตี (eV) 3.9 4.09 3.5 4.5 4.95 4.28

คาคงที่ไดอิเล็กทริก ε33

/ε0 8.00 10.33 10.65

ε11

/ε0 8.58 9.25 10.1 9.35 9.70 11.0

ดัชนีหักเหแสง

(1 μm)

n0 2.356* 2.48 2.79 2.336 2.550 2.84

ne 2.378* 2.354 2.570

โครงสราง Hexagonal Cubic Cubic Hexagonal Hexagonal Hexagonal

*ท่ีความยาวคล่ืน 0.589 μm

ทําใหคาพารามิเตอรตางๆ เปลี่ยนแปลงได เชน ชองวางพลังงานและคาคงตัวแลตทิซ ชองวางพลังงานท่ี

เหมาะสมของสารก่ึงตัวนําท่ีจะทําใหสารก่ึงตัวนําสามารถดูดกลืนแสงอาทิตยไดดีท่ีสุดมีคาประมาณ 1.4-1.5

eV สารประกอบก่ึงตัวนําท่ีมีชองวางพลังงานชวงนี้ไดแก GaAs (1.41 eV), InP (1.35 eV) และ CdTe

(1.44 eV)

เปนท่ีนาโชคดีวา สารประกอบก่ึงตัวนําตระกูล III-V มีความบกพรองของโครงสรางนอย เราสามารถ

ปลูกผลึกของสารประกอบกึ่งตัวนําตระกูล III-V ใหเปนกอนใหญได และยังสามารถใชเทคโนโลยีเอพีแทกซี

ผลิตใหผลึกมีลักษณะเปนฟลมพ้ืนท่ีใหญไดดีและรักษาคา stoichiometry ไวได และท่ีสําคัญอีกประการหนึ่งคือ

สามารถโดปใหเปนชนิด p และ n ได ดานคุณสมบัติทางแสงก็มีชองวางพลังงานแบบตรง มีสัมประสิทธ์ิการ

ดูดกลืนแสงสูง

ทางดานสารประกอบก่ึงตัวนําตระกูล II-VI สวนมากมีชองวางพลังงานแบบตรงและมีสัมประสิทธ์ิการ

ดูดกลืนแสงสูง โดยเฉพาะอยางย่ิง CuInSe2 มีสัมประสิทธ์ิการดูดกลืนแสงสูงมาก จึงเหมาะสมในการผลิตให

เปนฟลมบาง ปญหาของสารก่ึงตัวนําตระกูล II-VI คือการโดป กลาวคือ วัสดุท่ีสามารถโดปใหเปนท้ังชนิด p

และ n ไดมีเฉพาะ CdTe และ CuInSe2 วัสดุ CdS ซึ่งมีชองวางพลังงานกวางประมาณ 2.42 eV นิยมใชเปน

ชั้นหนาตางกวางรับแสงอาทิตยในโครงสรางแบบเฮเทโร

2) อิทธิพลของการรวมตัวของพาหะ

1-108

พารามิเตอรท่ีสําคัญเก่ียวกับออปโตอิเล็กทรอนิกสของสารประกอบก่ึงตัวนําไดแก ความคลองตัว (μ)

สภาพนําไฟฟา (σ) เวลาอายุของพาหะขางนอย (τ) ระยะทางแพรซึมของพาหะขางนอย (L) และ

กระบวนการรวมตัวของพาหะ พารามิเตอรเหลาสามารถไดรับผลกระทบจากหลายสาเหตุ เชน สารเจือปน

ความบกพรอง เกรนตางๆ และผิวของผลึก

ในเซลลแสงอาทิตย พาหะขางนอยท่ีเกิดจากแสง เม่ือเวลาผานไปจะคอยๆ รวมตัวกับพาหะขางมาก

ดวยกระบวนการตางๆ และจํานวนของพาหะขางนอยก็จะลดลง ถาความหนาแนนของศูนยกลางการรวมตัว

(Nr) มีคามาก จํานวนของพาหะขางนอยก็จะย่ิงลดลงอยางรวดเร็ว เวลาอายุของพาหะขางนอย τ โดยท่ัวไป

แปรผกผันกับ Nr ตามสมการดังนี้

τσ

=1

vN r

(1.126)

โดยท่ี σ : พ้ืนท่ีตัดขวางของศูนยกลางจับพาหะ (capture cross section) และ

v : ความเร็วเชิงความรอน (thermal velocity) ของพาหะขางนอย

โดยพ้ืนฐานแลว ลักษณะสมบัติของเซลลแสงอาทิตยไดรับผลกระทบจากการรวมตัวของพาหะในเนื้อ

สารก่ึงตัวนํา (ซึ่งมีการรวมตัวของอิเล็กตรอนและโฮล การรวมชนิด Auger และการรวมตัวท่ีระดับแทร็ป) รูป

ท่ี 1.109 แสดงความสัมพันธระหวางระยะทางแพรซึมของพาหะขางนอยและความหนาแนนของการโดปสารก่ึง

ตัวนํา InP ท้ังชนิด n และชนิด p [93] และสามารถเขียนเปนสมการแสดงคาใกลเคียงไดดังนี้

รูปที่ 1.109 ความสัมพันธระหวางระยะทางแพรซึมของพาหะขางนอยและความหนาแนนของการโดป

ของสารก่ึงตัวนํา InP ชนิด n และชนิด p [93]

กรณีโฮลเปนพาหะขางนอย 1 1

3 104 102 4 2

11

Ln

h

=×

+ ×−−

( ) เม่ือ n cm≤ −1018 3

(1.127)

1

2.87 10

0 908

12L

n

h

=×

.

( ) เม่ือ n cm> −1018 3

(1.128)

กรณีอิเล็กตรอนเปนพาหะขางนอย 1

215

0 3

L

p

e

=.

( . ) เม่ือ p cm≤ × −4 1017 3

(1.129)

1

4.77 10

0 83

10L

p

e

=×

.

( ) เม่ือ p cm> −1017 3

(1.130)

1-109

รูปท่ี 1.110 แสดงตัวอยางผลการคํานวณความสัมพันธระหวางลักษณะสมบัติเอาตพุตของ เซลล

แสงอาทิตยชนิด CuInSe2 และเวลาอายุของพาหะขางนอย [94] จากรูปนี้ทําใหเราทราบวาเม่ือเวลา อายุ

พาหะสั้นลง จะทําใหพารามิเตอรเอาตพุตตางๆ ท้ังแรงดันไฟฟาวงจรเปด กระแสไฟฟาลัดวงจร และ

ประสิทธิภาพลดลง ระยะทางการแพรซึมของพาหะขางนอยจะลดอยางชาเม่ือความหนาแนนของการโดป

เพ่ิมขึ้น แตเม่ือความหนาแนนของการโดปมากกวาประมาณ 5×1017∼10

18 cm

-3 เวลาอายุของพาหะจะลดลง

อยางรวดเร็วซึ่งไดรับอิทธิพลจากการรวมตัวชนิด Auger

รูปท่ี 1.111 แสดงระดับพลังงานของจุดบกพรองและสารเจือปนในผลึกสารก่ึงตัวนําชนิด GaAs,

InP และ CdTe เรามีความจําเปนตองพยายามลดปริมาณของสารเจือปนประเภทโลหะทรานซิชัน ออกซิเจน

ชองวาง (vacancy) อะตอมแทรกใหนอยท่ีสุด เพราะวาความบกพรองเหลานี้เปนสาเหตุของเกิดระดับแทร็

ปท่ีอยูลึกในชองวางพลังงาน และสามารถจับพาหะขางมากได และเปนศูนยกลางการรวมตัวของพาหะดวย

นอกจากนี้ ผิวของสารก่ึงตัวนําก็เปนศูนยกลางของการรวมตัวดวย ท้ังนี้เพราะวาอะตอมท่ีผิวจะมีแขน

ขาดเกิดขึ้นเสมอ แขนขาดท่ีผิวเหลานี้เปนสาเหตุของการเกิดระดับแทร็ปท่ีผิวสารก่ึงตัวนําซึ่งจะทําใหพาหะขาง

นอยรวมตัวและเปนการสูญเสีย

รูปที่ 1.110 ผลการคํานวณความสัมพันธระหวางลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิด

CuInSe2 และเวลาอายุของพาหะขางนอย [94]

รูปที่ 1.111 ระดับพลังงานของจุดบกพรองและสารเจือปนในผลึกสารก่ึงตัวนําชนิด GaAs, InP และ CdTe

1-110

ในกรณีสารก่ึงตัวนําชนิด n กระแสไฟฟา Js ของพาหะขางนอยท่ีสูญเสียไปอันเนื่องจากการรวมตัวท่ี

ผิวจะแปรผันตรงกับความหนาแนนของโฮลซึ่งเปนพาหะขางนอยสวนเกิน (excess minority carriers) ดังนี้

J qS ps h n= Δ (1.131)

โดยท่ี Sh คือความเร็วของการรวมตัวของโฮลท่ีผิวและมีคาเทากับ

S vNh p ss= σ (1.132)

โดยท่ี Nss คือความหนาแนนของศูนยกลางการรวมตัวท่ีผิวตอหนวยพ้ืนท่ี

นอกจากนี้ การปลูกสารก่ึงตัวนําตางชนิดกันหรือสวนผสมที่ไมเทากันใหซอนทับกัน อาจทําใหเกิด

ปญหาความไมตอเนื่องของแถบพลังงานและความไมเทากันของคาคงตัวแลตทิซ และจะเปนสาเหตุท่ีทําใหเกิด

ระดับแทร็ปและศูนยกลางของการรวมตัวของพาหะจํานวนมากท่ีรอยตอของสารก่ึงตัวนํา และจะทําให

ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยลดลง

1.8.3 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดสารประกอบก่ึงตัวนํา

เราอาจแบงโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดสารประกอบก่ึงตัวนําออกเปนชนิดรอยตอเดี่ยว

(single-junction) ซึ่งมีรอยตอ p-n เพียงชุดเดียว และชนิดหลายรอยตอ (multi-junction) ซึ่งมีรอยตอ p-n

หลายชุด ดังมีรายละเอียดตอไปน้ี

(1) เซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอเดี่ยว

รูปท่ี 1.112 แสดงโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอเดี่ยวซึ่งสามารถแบงออกเปนชนิด

ยอยๆ ไดดังนี้

1. รอยตอโฮโม (homo-junction) เชน n+-p-InP, n

+-p-GaAs

2. รอยตอซิงเกิลเฮเทโร (single hetero-junction) เชน p-AlGaAs/p-n-GaAs

3. รอยตอดับเบิลเฮเทโร (double hetero-junction) เชน p-InGaP/p-n-GaAs/n-InGaP

4. รอยตอชองวางพลังงานลาด (graded band gap) เชน p-AlGaAs/n-GaAs

5. รอยตอเฮเทโรของวัสดุตางชนิด (hetero-junction) เชน n-CdS/p-InP, n-ITO/p-InP

6. รอยตอ MIS (Metal/Insulator/Semiconductor junction)

หรือชอตตกีแบรเรียร (Schottky barrier) เชน p-InP/SiO2/metal

โดยท่ัวไป ความเร็วของการรวมตัวของพาหะขางนอยท่ีผิวของวัสดุ GaAs มีคาสูงมากถึงระดับ 106-

107cm/s ในยุคแรกๆ ชวง ค.ศ. 1956 ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเดี่ยวมีคาต่ํามากเพียง

6.5% [95] ตอมาจึงมีการเสนอใหชั้นรับแสงบางลง ดังนั้นชั้นดานบนท่ีรับแสงอาทิตยจะตองออกแบบใหบาง

มาก เชน อาจบางกวา 500 ล ท้ังนี้เพราะวาการสรางใหรอยตอบาง จะทําใหชั้นปลอดพาหะขยายไปเกือบถึงผิว

ของเซลลแสงอาทิตย และสนามไฟฟาจากชั้นปลอดพาหะจะชวยขับพาหะใหไหลออกสูวงจร ภายนอกไดดี

ขึ้น ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยรอยตอโฮโมท่ีดีท่ีสุดมีคาประมาณ 20% [96]

1-111

รูปที่ 1.112 โครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดรอยตอเดี่ยวแบบตางๆ

ตอมาเพ่ือแกปญหาลดความเร็วในการรวมตัวของพาหะท่ีผิว GaAs นักวิทยาศาสตรท่ี IBM จึงเสนอ

ใหเคลือบชั้นดานบนดวย AlGaAs ซึ่งปรากฏวาไดผลเปนอยางดี [97] และในปจจุบันการใช AlGaAs ดานบน

ถือวาเปนโครงสรางมาตรฐานของเซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs มีการใชงานอยางแพรหลายในดาวเทียม

ขอดีเดนของชั้น AlGaAs ชั้นบนสุดนี้มีหลายขอ เชน

- มีชองวางพลังงานกวาง จึงเปนชั้นหนาตางท่ีดี

- ความเร็วในการรวมตัวท่ีผิวมีคานอยกวา GaAs

- ทําใหสามารถออกแบบความลึกของรอยตอไดอิสระขึ้น

- ทําหนาท่ีเปนชั้นคลาย Back Surface Field (BSF) ได

ขอเสียบางประการของ AlGaAs คือ เม่ือ AlGaAs สัมผัสกับอากาศจะเกิดปฏิกิริยากับออกซิเจนท่ี

คอนขางเร็ว ทําใหมีชั้นออกไซดบางๆ ท่ีมีความตานทานสูงเกิดขึ้นท่ีผิวของ AlGaAs ตอมาไดมีการคนพบวา

GaInP ทําปฏิกิริยากับออกซิเจนไดชากวาและสามารถผลิตใหเปนชั้นหนาตางไดเชนกัน รูปท่ี 1.113 แสดง

ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยท่ีมีโครงสรางรอยตอเฮเทโรของ InGaP และ GaAs มีประสิทธิภาพ

สูงถึง 25.7% [98]

ทางดานรอยตอชนิดชองวางพลังงานลาดซึ่งออกแบบใหชองวางพลังงานของชั้น p คอยๆ ลดลงตาม

ความลึก ความลาดของชองวางพลังงานเชนนี้จะสรางสนามไฟฟาซึ่งจะชวยขับใหพาหะไมรวมตัวท่ีผิวแตจะวิ่ง

ไปยังชั้นปลอดพาหะไดดีขึ้น

(2) เซลลแสงอาทิตยชนิดหลายรอยตอ

คาประสิทธิภาพสูงสุดในทางทฤษฎีของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเดี่ยวมีคาประมาณ 26-28% การท่ี

จะไดประสิทธิภาพสูงกวานี้ เราจําเปนตองออกแบบใหเซลลแสงอาทิตยมีรอยตอ p-n จํานวนหลายชุดซอนทับ

กัน บางคร้ังอาจเรียกโครงสรางเชนนี้วา “ทันเด็ม” (tandem cell) ขอเดนของโครงสรางทันเด็มไดแก การใช

สรางรอยตอ p-n ของสารก่ึงตัวนําท่ีมีชองวางพลังงานท่ีกวางอยูดานบนสุด และการใชรอยตอ p-n ของสารก่ึง

ตัวนําท่ีมีชองวางพลังงานแคบอยูดานลาง ดวยเทคนิคนี้จะทําใหเซลลแสงอาทิตยสามารถดูดกลืนแสงอาทิตยท่ี

1-112

ความยาวคลื่นหลายๆ คาไดอยางดี รูปท่ี 1.114 แสดงตัวอยางโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดทันเด็ม

จํานวนของข้ัวไฟฟาอาจมีเพียง 2 ขั้ว (รูป ก) หรือ 3 ขั้ว (รูป ข) หรือ 4 ขั้ว (รูป ค)

1.8.4 เซลลแสงอาทิตยที่ทนตอรังสีตางๆ

เซลลแสงอาทิตยท่ีติดตั้งอยูในดาวเทียมท่ีโคจรอยูรอบโลกหรือในยานอวกาศท่ีเดินทางไกล ตองมี

คุณสมบัติทนทานตอสภาพแวดลอมท่ีรุนแรง เชน อุณหภูมิสูงและตองรับรังสีตางๆ จากอวกาศ เซลลแสง-

อาทิตชนิด InP มีการทดลองสรางตั้งแตชวง ค.ศ. 1958 แตยังไมมีจุดเดน จนกระท่ังมีการคนพบใน ค.ศ.

1984 วา InP เปนสารก่ึงตัวนําท่ีทนตอรังสีในอวกาศและอุณหภูมิสูงๆ ไดดี รูปท่ี 1.115 แสดงผลการ

ทดลองผลกระทบของการยิงลําอิเล็กตรอนท่ีมีตอกําลังไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ [99]

จากรูปนี้ไดขอมูลวาเซลลแสงอาทิตยชนิด InP จะทนตอรังสีไดดีกวาชนิด Si และ GaAs และท่ีนาสนใจคือการ

รูปที่ 1.113 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยท่ีมีรอยตอเฮเทโรของ InGaP และ GaAs [98]

รูปที่ 1.114 ตัวอยางโครงสรางของเซลลแสงอาทิตยชนิดทันเด็มซึ่งมีขั้วไฟฟา 2 ขั้ว -4 ขั้ว

รูปที่ 1.115 ผลการทดลองผลกระทบของการยิงลําอิเล็กตรอนท่ีมีตอกําลังไฟฟาเอาตพุต

ของเซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ [99]

1-113

สองดวยแสงเขาสูเซลลแสงอาทิตยชนิด InP เปนเวลานานๆ จะทําใหเกิดการแอนนีลิง (annealing) และทําให

ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิด InP ฟนกลับดีขึ้นมาได (recovery) ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย

ชนิด InP ในปจจุบันสูงถึงระดับ 22% แลว [100]

1.8.5 เซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs บนแผนฐานชนิด Si

ไดกลาวมาแลววาผลึก Si เปนสารก่ึงตัวนําท่ีมีราคาถูก แตมีขอเสียตรงท่ีชองวางพลังงานเปนชนิดไม

ตรง ในขณะท่ีผลึก GaAs เปนสารก่ึงตัวนําท่ีมีชองวางพลังงานเปนชนิดตรงและมีราคาแพงมาก ดังนั้นถาเรา

สามารถนําเอาขอดีของผลึกท้ัง 2 ชนิดมาใชใหเปนประโยชนท่ีสุด ก็อาจทําใหเราไดเซลลแสงอาทิตยท่ีมีราคา

ไมแพงมากนักและประสิทธิภาพสูง ดวยหลักการเชนนี้จึงไดมีความคิดท่ีจะสรางเซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs

ซอนทับแผนฐาน Si (นิยมเรียกวา GaAs on Si) รูปท่ี 1.116 แสดงตัวอยางโครงสรางและผลการทดลอง

ประดิษฐเซลลแสงอาทิตยชนิด GaAs on Si ซึ่งมีประสิทธิภาพ 19.2% [101]

ปญหาที่ตองแกไขในเซลลแสงอาทิตยชนิดนี้คือ คาคงตัวแลตทิซของ GaAs แตกตางกับของ Si ถึง

4% ความไมเขาคูของคาคงตัวแลตทิซ (lattice mismatch) ท่ีมากเชนนี้ ทําใหเกิดจุดบกพรองข้ึนท่ีรอยตอและ

บางครั้งทําให GaAs ถึงกับแตกเสียหาย และเกิดสภาพเคนภายในฟลม GaAs ปญหาเหลานี้ทําใหคุณสมบัติ

ออปโตอิเล็กทรอนิกสของ GaAs เลวลง ตัวอยางความพยายามแกปญหาเหลานี้ เชน การปลูกฟลม GaAs ให

เปนมัลติเลเยอรหรือเปนชั้นสเตรน (strained layer) เปนตน รูปท่ี 1.117 แสดงความสัมพันธระหวาง

ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยและความหนาแนนของจุดบกพรองในหนึ่งหนวยพ้ืนท่ี เสนทึบแสดงผลการ

คํานวณและจุดตางๆ แสดงผลการทดลอง จากรูปนี้จะเห็นวาความหนาแนนของจุดบกพรองควรมีคานอยกวา 5

× 105 cm

-2

รูปท่ี 1.116 ตัวอยางโครงสรางและลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยรอยตอเฮเทโรชนิด

GaAs/Si ซึ่งมีประสิทธิภาพ 19.2% [101]

รูปที่ 1.117 ความสัมพันธระหวางประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยและความหนาแนนของจุดบกพรอง

ในหนึ่งหนวยพ้ืนท่ี เสนทึบแสดงผลการคํานวณและจุดตางๆ แสดงผลการทดลอง

1-114

อนึ่ง ความหนาแนนของจุดบกพรองตอหนวยพ้ืนท่ี ภาษาอังกฤษนิยมเรียกวา EPD ซึ่งยอมาจากคําวา

etched pitch density (cm-2

) ศัพทคํานี้มีท่ีมาวาเม่ือตัดผลึกออกเปนแวนผลึก (wafer) แลว ผูผลิตจะทําการ

กัด (etch) ผิวผลึกและทําการนับจํานวนจุดบกพรองท่ีผิวของแวนผลึก

1.8.6 เซลลแสงอาทิตยชนิด CdTe และ CIS

สารประกอบก่ึงตัวนําตระกูล II-VI มีลักษณะเดนท่ีสามารถผลิตใหเปนพ้ืนท่ีใหญไดงาย และแมวา

เกรน (grain) ของผลึกจะมีขนาดเล็กระดับ μm ก็สามารถใหประสิทธิภาพท่ีสูงได เซลลแสงอาทิตยชนิด

CdS/Cu2S ไดรับการพัฒนาขึ้นเม่ือ ค.ศ. 1980 [102] แตมีปญหาเร่ืองประสิทธิภาพลดลงเม่ือใชงานนานๆ

และไมสามารถแกไขปญหานี้ได ตอมาจึงถึงยุคของเซลลแสงอาทิตยชนิด CdTe และ CuInSe2 (นิยมเรียกสั้นๆ

วา CIS) ปจจุบันเซลลแสงอาทิตยท้ัง 2 ชนิดนี้มีประสิทธิภาพสูงถึง 14-15% แลว ขณะนี้ภาคอุตสาหกรรมเร่ิม

ผลิตเซลลแสงอาทิตยชนิด CdTe และ CIS ออกขายแลว [103-104]

1.8.7 แนวทางการพัฒนาเซลลแสงอาทิตยใหมีประสิทธิภาพสูง

ดังไดกลาวมาแลววาเซลลแสงอาทิตยสามารถประดิษฐไดจากวัสดุสารก่ึงตัวนําชนิดตางๆ ไดมากมาย

สารก่ึงตัวนําเปนวัสดุท่ีนิยมนํามาใชงานมากท่ีสุดเพราะมีคุณสมบัติทางแสงท่ีดีกวาวัสดุชนิดอ่ืน ประสิทธิภาพ

ของเซลลแสงอาทิตยหมายถึงอัตราสวนของพลังงานไฟฟาท่ีเซลลแสงอาทิตยสามารถผลิตไดสูงสุดตอพลังงาน

ของแสงท่ีตกกระทบเซลลแสงอาทิตย เหตุผลความจําเปนท่ีเราตองการเซลลแสงอาทิตยท่ีมีประสิทธิภาพสูงก็

เพราะจะชวยลดพ้ืนท่ีการใชงานลงได ซึ่งจะชวยใหระบบการใชงานเซลลแสงอาทิตยมีราคาถูกลง เซลล

แสงอาทิตยจะทํางานไดประสิทธิภาพสูงเพียงไรนั้นมีหลักการท่ีสําคัญ คือจะตองชักนําใหพลังงานแสงเดิน

ทางเขาสูเซลลแสงอาทิตยใหมากท่ีสุด จะตองผลิตคูอิเล็กตรอนและโฮลดวยพลังงานแสงใหไดปริมาณมากท่ีสุด

และจะตองกวาดอิเล็กตรอนและโฮลเหลานั้นใหไหลออกไปสูวงจรภายนอกใหไดมากท่ีสุด ตารางท่ี 1.8 แสดง

กลไกพ้ืนฐานท่ีจําเปนและเทคโนโลยีเพ่ือปรับปรุงใหประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยสูงข้ึนได [105] ใน

หัวขอนี้เราจะสรุปอีกคร้ังวาจะมีเทคโนโลยีในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยใหสูงข้ึนไดอยางไร

ตารางที่ 1.8 กลไกพ้ืนฐานการทํางานของเซลลแสงอาทิตยและเทคโนโลยีพ้ืนฐานเพ่ือปรับปรุง

ประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย

กลไกพ้ืนฐานที่จําเปน เทคโนโลยีทางปฏิบัติ

1. ชักนําใหแสงเขาสูสารกึ่งตัวนําใหมากที่สุด

และขยายผลตอบสนองเชิงสเปกตรัมใหกวางที่สุด

1.1 เคลือบวัสดุปองกันการสะทอนแสงที่ผิวดานหนา

1.2 ทําผิวใหขรุขระเพื่อเพิ่มระยะทางเดินของแสงใน

สารกึ่งตัวนํา

1.3 เพ่ิมการสะทอนแสงที่ผิวดานหลัง

2. ผลิตคูอิเล็กตรอนและโฮลใหไดมากที่สุด 2.1 เลือกสารกึ่งตัวนําที่มีสัมประสิทธ์ิการดูดกลืนแสงสูงและมี

สภาพนําไฟฟาดวยแสงสูง

2.2 ปรับปรุงคุณภาพของสารกึ่งตัวนําโดยพยายามเพ่ิมผลคูณของ

อายุพาหะและความคลองตัว

2.3 ลดการรวมตัวของคูอิเล็กตรอนและโฮลที่ถูกผลิตดวยแสง

โดยลดการรวมตัวที่รอยตอ p-n, p-i และ i-n (เชน ใช

รอยตอแบบลาดเพ่ือลดความไมเขาคูของแลตทิซ) และที่

ผิวดานหนาและดานหลัง

1-115

3. รวบรวมคูอิเล็กตรอนและโฮลที่ผลิตดวยแสง

ใหมากที่สุด

3.1 ใชปรากฏการณโฟโตโวลทาอิกแบบพัดพา (driff type)

เชน ใชรอยตอ p-i-n

3.2 ใชชองวางพลังงานแบบลาด การโดปสารเจือปนแบบลาด

และใช back surface field effect (BSF)

3.3 ใชปรากฏการณ minority carrier mirror effect

3.4 ใชโครงสรางซูเปอรแลตทิซ

4. ลดการสูญเสียอันเน่ืองจากความตานทานอนุกรม

ภายในของเซลลแสงอาทิตย

4.1 ลดความตานทานของขั้วโปรงใสดานหนา

4.2 ออกแบบรูปรางของขั้วโลหะใหเหมาะสมที่สุด

4.3 ใชปรากฏการณ tunneling injection (MIS)

5. ลดการสูญเสียของแรงดันไฟฟา 5.1 ลดการรวมตัวของคูอิเล็กตรอนและโฮลโดยใช mirror

effect ของรอยตอแบบเฮเทโร

5.2 ใชปรากฏการณโฟโตโวลทาอิกแบบพัดพา

5.3 ใชโครงสร าง BSF

6. เพิ่มผลตอบสนองทางสเปกตรัมใหมีความกวาง

ที่สุด

6.1 ใชเซลลฯ แบบ stack 4 ขั้ว

6.2 ใชเซลลฯ แบบ stack 2 ขั้ว

6.3 ใชรอยตอแบบเฮเทโร

6.4 ใชช้ันหนาตางที่มีชองวางพลังงานกวาง เชน รอยตอเฮเทโร

และซูเปอรแลตทิซ

ในกลไก (1) เราสามารถชักนําใหแสงเดินทางเขาสูสารก่ึงตัวนําไดดีขึ้น ดวยการลดการสะทอนแสงท่ี

ผิวดานหนาโดยการเคลือบวัสดุปองกันการสะทอนแสง (Anti-Reflective Coating ยอวา AR) ซึ่งมีหลายชนิด

เชน ซิลิคอนออกไซด (SiO) ไททาเนียมออกไซด (TiO) อินเดียมทินออกไซด (ITO) วัสดุ AR เหลานี้เตรียม

ขึ้นไดหลายวิธี เชน sputtering, evaporation และ Chemical Vapor Deposition (CVD) ในกรณีเซลล

แสงอาทิตยชนิดซิลิคอนถาเคลือบผิวหนาดวยซิลิคอนออกไซด จะทําใหกระแสไฟฟาลัดวงจรเพ่ิมขึ้นถึง 20 %

นอกจากนี้ก็มีการทําผิวของเซลลใหขรุขระ (textured surface) ซึ่งจะชวยเพ่ิมระยะทางเดินของแสงในเซลล

แสงอาทิตยใหยาวข้ึน ดวยวิธีการทําผิวใหขรุขระนี้ กลุมของมหาวิทยาลัย New South Wales สามารถผลิต

เซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกซิลิคอนมีประสิทธิภาพสูงถึง 23 % [32-34]

ในกลไก (2) คือ การผลิตคูอิเล็กตรอนและโฮลดวยแสงซึ่งเปนการอาศัยกระบวนการดูดกลืนแสงทาง

ควอนตัม สัมประสิทธ์ิการดูดกลืนแสงของวัสดุควรมีคาสูงและคูอิเล็กตรอนและโฮลท่ีเกิดจากการดูดกลืนแสง

จะตองไมรวมตัวกันหรือตายกอนท่ีจะถูกพัดพาออกสูวงจรภายนอก ในทางปฏิบัติเราตองปรับปรุงคุณภาพของ

สารก่ึงตัวนําใหดี เชน ลดจํานวนจุดบกพรอง ลดจํานวนแขนขาด ลดความไมเขาคูของแลตทิซ (lattice

mismatch) เพ่ือเพ่ิมเวลาอายุพาหะ (life time) และความคลองตัว (mobility) ตัวอยางการปรับปรุงคุณภาพ

ของฟลมบางอะมอรฟสซิลิคอนอาจใชการใชเคร่ืองมือปลูกฟลมวิธีพิเศษตางๆ เชน ระบบผลิตแบบ cross-

field [106], ระบบผลิตแบบ triode, Photo-CVD และ Electron-Cyclotron Resonance Plasma CVD [107]

เปนตน

เม่ือไดคูอิเล็กตรอนและโฮลแลว ขั้นตอไปจะตองกวาดหรือขับเคลื่อนพาหะเหลานี้ใหไหลออกสูวงจร

ภายนอกใหมากท่ีสุด การขับเคลื่อนพาหะใหไหลออกสูวงจรภายนอกทําไดโดยการใชปรากฏการณแพรกระจาย

ของพาหะ และการใชสนามไฟฟาศักยใหเกิดขึ้นภายในเซลลแสงอาทิตยดวยการประดิษฐเซลลแสง-อาทิตยให

เปนรอยตอ p-n หรือ p-i-n นี้สิ้นเปลืองถึง 30 % ของคาใชจายท้ังหมด ถึงแมวาปจจุบันเทคนิคการสราง

รอยตอชนิดตางๆ เชน เฮเทโร และชอตตกีแบรเรียรจะพัฒนาไปมาก แตเทคนิคการสรางรอยตอแบบพ้ืนท่ี

กวางใหญและมีความหนาสมํ่าเสมอ ยังจําเปนจะตองมีการปรับปรุงอีกมาก การเพ่ิมศักยภายในของเซลล

แสงอาทิตยอาจทําไดโดยการสรางใหมีรอยตอเปนแบบตางๆ เชน เฮเทโร ซูเปอรแลตทิซ และ back surface

1-116

field (BSF) และแบบชองวางพลังงานมีความลาด เปนตน ตารางท่ี 1.9 แสดงขอมูลประสิทธิภาพสูงสุดของ

เซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ ท่ีผลิตไดในปจจุบัน [105]

แนวทางการเพ่ิมประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยท่ีสําคัญอีกแนวทางหนึ่ง ไดแกการออกแบบให

เซลลแสงอาทิตยประกอบดวยเซลลแสงอาทิตยท่ีมีชองวางพลังงานแตกตางกันซอนทับกันหลายๆ ชั้น ซึ่ง

เรียกวา “โครงสรางทันเดม” (tandem structure) โดยท่ัวไปจะออกแบบใหชองวางพลังงานของเซลลชั้นบนสุด

ท่ีรับแสงกวางกวาชั้นท่ีอยูลึกลงไปตามลําดับ การออกแบบเชนนี้จะชวยทําใหสเปกตรัมการตอบสนองกวางข้ึน

เพราะเซลลแสงอาทิตยชั้นตางๆ จะชวยกันดูดกลืนแสงอาทิตยในยานความยาวคลื่นแสงท่ีแตกตางกัน กลาวคือ

แสงท่ีมีความยาวคล่ืนสั้นจะถูกดูดกลืนมากดวยเซลลแสงอาทิตยท่ีอยูชั้นบนๆ และแสงท่ีมีความยาวคล่ืนยาวจะ

ถูกดูดกลืนมากดวยเซลลแสงอาทิตยท่ีอยูชั้นลึกลงไป

ตารางที่ 1.9 ลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยท่ีมีประสิทธิภาพสูงชนิดตางๆ [105]

ชองวาง

พลังงาน

วัสดุ ลักษณะสมบัติ

(eV) ความ

เขมแสง

η

(%)

Voc

(V)

FF Jsc

(mA/cm2 )

T

(°C)

0.67 GaAs/Ge 238 3.6 0.306 0.69 13.2 21

0.73 GaAs/GaSb 158 8.9 0.48 0.713 19.8 21

1.0 CuInSeS/Cds 1 15.2 0.613 0.74 32.2 25

1.1 Si (ใชในอวกาศ) 1 15.0 0.615 0.809 41.2 28

1.1 Si 1 20.4 0.654 0.826 36.2 25

1.1 Si 21 20.4 0.711 0.818 26.8 25

1.1 Si 1 23.0 0.696 0.81 39.3 24

1.1 Si Pt. cont. 105 26.1 0.80 0.83 30.2 24

1.2 CuxS/Cd(ZnS) 1 10.2 0.578 0.773 22.0 28.5

1.35 InP 1 20.0 0.83 0.80 29.0 21

1.4 CdTe/CdS 1 15.8 0.843 0.745 24.2 25

1.42 GaAs/Ge

(ใชในอวกาศ)

1 18.5 1.01 0.808 31.0 28

1.42 GaAs 1 24.0 1.05 0.845 26.0 25

1.42 GaAs

(ใชในอวกาศ)

350 23.9 1.18 0.862 32.1 28

1.42 GaAs/GaInP2 1 25.7 1.04 0.868 27.4 8

1.42 GaAs 1050 26.2 1.18 0.89 19.1 28

1.42 GaAs 240 27.8 1.16 0.857 21.5 21

1.6 a-Si:H 1 12.0 0.891 0.701 18.4 25

1.93 AlGaAs 1 16.0 1.41 0.82 13.3 25

หมายเหตุ ความเขมแสง หมายถึงจํานวนเทาของแสงปกติ

รูปท่ี 1.118 แสดงผลการคํานวณประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนท่ี

ประกอบดวยเซลลท่ีซอนทับกัน 2 ชั้น (double junctions) ถาชองวางพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชั้นบนและ

ชั้นลางเทากับ 1.75 eV และ 1.15 eV ตามลําดับ ผลการคํานวณจะไดประสิทธิภาพสูงสุด 21% [108]

1-117

รูปท่ี 1.119 แสดงผลการคํานวณประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนซึ่ง

ประกอบดวยเซลลแสงอาทิตยจํานวน 3 เซลลซอนทับกัน (triple junctions) ถาชองวางพลังงานของเซลล-

แสงอาทิตยชั้นบน ชั้นกลางและชั้นลางเทากับ 2.0 eV 1.7 eV และ 1.45 eV ตามลําดับ ผลการคํานวณจะได

ประสิทธิภาพสูงสุด 24% [108]

รูปที่ 1.118 ผลการคํานวณประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนท่ีประกอบดวย

เซลลท่ีซอนทับกัน 2 ชั้น (double junctions) ประสิทธิภาพสูงสุดมีคา 21% ไดจากกรณีท่ี

ชองวางพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชั้นบนและชั้นลางเทากับ 1.75 eV และ 1.15 eV

ตามลําดับ [108]

รูปที่ 1.119 ผลการคํานวณประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนท่ีประกอบดวย

เซลลท่ีซอนทับกัน 3 ชั้น (triple junctions) ประสิทธิภาพสูงสุดมีคา 24% ไดจากกรณีท่ี

ชองวางพลังงานของเซลลแสงอาทิตยชั้นบน ชั้นกลางและชั้นลางเทากับ 2.0 eV 1.7 eV

และ 1.45 eV ตามลําดับ [108]

1-118

ชองวางพลังงานของวัสดุอะมอรฟสซิลิคอน (a-Si:H) มีคาประมาณ 1.7-1.8 eV ถาตองการเพ่ิม

ชองวางพลังงานทําไดโดยการใชสารประกอบของอะมอรฟสซิลิคอนคารไบด (a-SiC:H) และถาตองการลด

ชองวางพลังงานทําไดโดยการใชสารประกอบของอะมอรฟสซิลิคอนเจอรเมเนียม (a-SiGe:H) อยางไรก็ตาม

เทคโนโลยีในภาคปฏิบัตินั้นยังมีปญหาวา คุณภาพของวัสดุอะมอรฟสซิลิคอนอัลลอย เชน a-SiC:H และ a-

SiGe:H นั้นยังไมดีมากนัก ดังนั้นประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตยชนิดทันเดมเหลานี้จึงยังไมสูงไปกวาชนิด

เซลลเดี่ยวมากนัก กลาวคือยังคงอยูท่ีระดับประมาณ 12-13 % เทานั้น [109]

1.9 การใชงานเซลลแสงอาทิตย

ปจจุบันเซลลแสงอาทิตยถูกนําไปใชงานในหลายดานหลายสาขา ตารางท่ี 1.10 แสดงตัวอยางการ

ประยุกตใชงานเซลลแสงอาทิตย ในหัวขอนี้จะกลาวถึงหลักการออกแบบระบบเซลลแสงอาทิตย เพ่ือความ

สะดวกตอการอธิบาย ในหัวขอนี้จะขอแบงการใชงานเซลลแสงอาทิตยออกเปน 2 ประเภทคือ 1) การใชงานกับ

ผลิตภัณฑอิเล็กทรอนิกสซึ่งตองการเซลลแสงอาทิตยท่ีมีกําลังเอาตพุตไมสูง และ 2) การใชงานกับระบบไฟฟา

กําลังซึ่งตองการเซลลแสงอาทิตยท่ีมีกําลังเอาตพุตสูงๆ ตั้งแตหลายสิบวัตตขึ้นไปถึงหลายกิโลวัตต

1.9.1 การออกแบบระบบเซลลแสงอาทิตยสําหรับผลิตภัณฑอิเล็กทรอนิกส

จุดทํางานของเซลลแสงอาทิตย

ในการใชงานเซลลแสงอาทิตยไมวาประเภทใด เริ่มแรกผูใชควรทําความเขาใจเก่ียวกับจุดทํางานของ

เซลลแสงอาทิตย รูปท่ี 1.120 แสดงกราฟลักษณะสมบัติเอาตพุตและจุดทํางานของเซลลแสงอาทิตย ปกติ

กระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาท่ีเซลลแสงอาทิตยจะสามารถปอนใหกับโหลดไดนั้น จะอยูบนเสนกราฟ I-V นี้

เสมอ ดังนั้นคําวา “จุดทํางาน” จึงหมายถึงจุดท่ีกําหนดคากระแสไฟฟาและแรงดันไฟฟาท่ีเซลลแสงอาทิตย

ปอนใหโหลดนั่นเอง ตัวอยางวิธีการกําหนดจุดทํางานมีดังนี้

(1) ในกรณีของการตอเซลลแสงอาทิตยกับโหลด

จุดทํางานของเซลลแสงอาทิตยจะถูกกําหนดโดยอิมพิแดนซของโหลดดังแสดงในรูป (ก) เสนตรง

ในรูปนี้คือเสนโหลด จุดตัดของเสนโหลดกับกราฟ I-V คือ “จุดทํางาน” จากจุดทํางานนี้ เม่ือเราลากเสน

ตรงไปตัดกับแกนกระแสไฟฟา จะไดคากระแสไฟฟาทํางาน (คือกระแสไฟฟาท่ีปอนใหโหลด) และเม่ือเรา

ลากเสนตรงไปตัดกับแกนแรงดันไฟฟา ก็จะไดคาแรงดันไฟฟาทํางาน (คือแรงดันไฟฟาท่ีปอนใหโหลด)

(2) ในกรณีของการตอเซลลแสงอาทิตยกับแบตเตอร่ี (เพ่ือประจุไฟฟา)

ในรูป (ข) จุดทํางานของเซลลแสงอาทิตยจะถูกกําหนดโดยแรงดันไฟฟาท่ีประจุแบตเตอร่ี เม่ือเรา

ลากเสนตรงจากจุดทํางานไปตัดแกนกระแสไฟฟา จะไดคากระแสไฟฟาท่ีประจุเขาแบตเตอรี่ และเม่ือเรา

ลากเสนตรงจากจุดทํางานไปตัดแกนแรงดันไฟฟา จะไดคาแรงดันไฟฟาท่ีประจุเขาแบตเตอรี่

ในการใชงานจริง จุดทํางานของเซลลแสงอาทิตยในท้ัง 2 กรณี ไมจําเปนจะตองเปนจุดเดียวกับ จุด

ท่ีเซลลแสงอาทิตยจะใหกําลังไฟฟาเอาตพุตไดสูงสุด (Pmax) กราฟลักษณะสมบัติของเซลลแสงอาทิตยใน

1-119

ตารางที่ 1.10 ตัวอยางการใชงานเซลลแสงอาทิตยในดานตางๆ

การคมนาคม ทางทะเล แสงไฟประภาคาร แสงไฟของทุนลอยนํ้า แสงไฟขางเรือ

ทางบก ไฟสัญญาณขางถนน ไฟสัญญาณพื้นถนน ไฟสัญญาณใหรถไฟ

โคมไฟบนทางดวน โทรศัพทฉุกเฉินบนทางดวน กลองวิดีโอขางถนน

พัดลมระบายอากาศท่ีหนาตาง/หลังคารถยนต

ทางอากาศ ดวงไฟสิ่งกีดขวางในที่สูง ดวงไฟนํารองขึ้นลง

การสื่อสาร สถานีถายทอดวิทยุโทรทัศนบนภูเขาสูง เคร่ืองวัดพยากรณอากาศ วิทยุสื่อสาร

กลองตรวจความปลอดภัยที่เขื่อน โทรศัพทมือถือ โทรศัพททหาร

การปองกันการสึกกรอน ทอนํ้ามัน ทอกาซ สะพานเหล็ก เขื่อนก้ันคลื่น แสงไฟทอกาซ

อุปกรณนอกอาคาร โคมไฟถนน โคมไฟสนามหญา โคมไฟประตูรั้ว โคมไฟปายรถเมล โคมไฟตูโทรศัพท

โคมไฟปายประกาศ โคมไฟปายลี้ภัย โคมไฟหอนาฬิกา หอนาฬิกา เคร่ืองขยายเสียง ปม

สูบนํ้า ประตูรั้วไฟฟา ประตูบานไฟฟา ติดผนังอาคารเสริมงานสถาปตยกรรม

ติดตั้งที่หลังคาสระวายนํ้า ติดตั้งที่หลังคาสนามกีฬา

การอวกาศ ดาวเทียม สถานีอวกาศ ยานอวกาศเดินทางไกล

การปศุสัตว รั้วไฟฟาปองกันสัตวหนี ปมนํ้าดื่มนํ้าใช แสงไฟจับกบจับแมลงตางๆ

การประมง เคร่ืองกระตุนการแพรพันธุสัตวนํ้าในทะเลดวยเสียงและแสงไฟ โคมไฟลอปลาในทะเล

โคมไฟหาปลาในทะเล หองเย็นเก็บสัตวทะเล เปาลมลงบอเลี้ยงสัตวนํ้ากระตุนการแพร

พันธุ

การเกษตรกรรม ปมสูบนํ้า แสงไฟกรีดยางพารา บานชาวสวนยาง หุนไลการองไลนก หองอบพืชใหแหง

เคร่ืองนวดขาวกลางทุงนา การชลประทาน ระบบฉีดพนนํ้า

การวัดและรักษา

สภาพแวดลอม

เคร่ืองวัดอุณหภูมินํ้าทะเล เคร่ืองวัดความเค็มนํ้าทะเล เคร่ืองวัดความเร็วนํ้าทะเล

เคร่ืองวัดความสูงคลื่นทะเล เคร่ืองวัดฝุนในอากาศ เครื่องวัดระดับเสียง/ควัน

เคร่ืองวัดละอองเกสรดอกไม(ปองกันโรคภูมิแพ) เปาลมลงบอนํ้า/คลอง

การแพทย ตูเย็นเก็บยาและวัคซีน โคมไฟสถานีอนามัย วิทยุสื่อสาร

การบันเทิง เรือมอเตอร โคมไฟแคมป วิทยุสื่อสาร โทรทัศน โคมไฟบานพักตากอากาศ เคร่ืองบิน

เคร่ืองรอน รถยนตไฟฟา ของเลนไฟฟา รถไฟฟาสนามกอลฟ หมวกติดพัดลม

ระบบไฟฟา ตอเขาระบบของการไฟฟา หมูบานหางไกล โรงเรียนหางไกล สถานีอนามัยหางไกล

ภายในอาคาร เคร่ืองคิดเลข นาฬิกาขอมือ ของเลน ประตู-หนาตางผลิตไฟฟาได

พัดลมระบายอากาศที่หนาตาง

ติดตั้งบนหลังคาบาน จายไฟฟาตอนกลางวันใหเคร่ืองใชไฟฟาตางๆ ในบาน

1-120

รูปที่ 1.120 กราฟลักษณะสมบัติเอาตพุตและจุดทํางานของเซลลแสงอาทิตย

รูปท่ี 1.120 โดยท่ัวไปจะเปล่ียนแปลงตามความเขมของแสงและอุณหภูมิ ดังนั้นผูใชงานจึงควรทราบ

สภาพแวดลอมเหลานี้ใหชัดเจนดวย ตารางท่ี 1.11 แสดงตัวอยางผลิตภัณฑอิเล็กทรอนิกสและความเขมของ

แสงท่ีเหมาะสม [110]

ตารางที่ 1.11 ตัวอยางเงื่อนไขความสวางของแสงท่ีใชกับเซลลแสงอาทิตยในการใชงานตางๆ

อุปกรณ ตนกําเนิดแสง ความสวางของแสง

เคร่ืองคิดเลข หลอดฟลูออเรสเซนต หรือ

แสงภายในหองทํางาน

ต่ําสุด 50-100 lux

มาตรฐาน 200-800 lux

สูงสุด ประมาณ 120,000 lux

นาฬิกาขอมือ แสงภายในหอง หรือ

แสงอาทิตย

มาตรฐาน 3,000-100,000 lux

สูงสุด 120,000 lux

วิทยุ แสงภายในหอง หรือ

แสงอาทิตย

มาตรฐาน 3,000-100,000 lux

สูงสุด 120,000 lux

เคร่ืองประจุแบตเตอร่ี สวนมากเปนแสงอาทิตย มาตรฐาน 10,000-100,000 lux

สูงสุด 120,000 lux

วงจรพ้ืนฐาน

การใชงานเซลลแสงอาทิตยเพ่ือปอนพลังงานไฟฟาใหผลิตภัณฑอิเล็กทรอนิกสมี 2 วิธีคือ

1. วิธีใชเซลลแสงอาทิตยเพียงอยางเดียวเปนแหลงกําเนิดพลังงาน เชน การใชเซลลแสงอาทิตยกับ

เคร่ืองคิดเลข ซึ่งเรามักจะใชเคร่ืองคิดเลขเฉพาะเม่ือมีแสงเทานั้น

2. ใชแบตเตอร่ีสําหรับประจุไฟฟาควบคูดวย เชน กรณีนาฬิกาขอมือ ซึ่งบางคร้ังเราอาจเก็บนาฬิกา

ไวในท่ีมืด จึงตองมีแบตเตอร่ีหรือตัวเก็บประจุเก็บพลังงานไฟฟาไว

กรณีการใชเซลลแสงอาทิตยเพียงอยางเดียวเปนตนกําเนิดพลังงานไฟฟา

รูปท่ี 1.121 แสดงวงจรพ้ืนฐานการใชเซลลแสงอาทิตยเพียงอยางเดียวเปนตนกําเนิดพลังงานไฟฟา

ถาเราใชเซลแสงอาทิตยเพ่ือปอนพลังงานไฟฟาใหเคร่ืองคิดเลขซึ่งมี LSI เปนโหลด ในวงจรจะตองมีไดโอด

สําหรับควบคุมแรงดันไฟฟาไมใหสูงเกินขีดจํากัด (นิยมใชซีเนอรไดโอด) และตัวเก็บประจุสําหรับควบคุม

1-121

แรงดันไฟฟาใหคงท่ี ตัวเก็บประจุนี้ชวยควบคุมมิใหการเปล่ียนแปลงของแรงดันไฟฟามากเกินไป (<± 10%)

เชน กรณีท่ีความเขมแสงเปลี่ยนแปลงมากๆ หรือเกิดแสงไฟกะพริบจามากๆ

กรณีใชแบตเตอร่ีสําหรับประจุไฟฟาควบคูดวย

รูปท่ี 1.122 แสดงวงจรการใชงานเซลลแสงอาทิตยซึ่งมีแบตเตอร่ีสําหรับประจุไฟฟา จะตองมี

ไดโอดท่ีทําหนาท่ีปองกันมิใหกระแสไฟฟาไหลยอนจากแบตเตอรี่กลับไปสูเซลลแสงอาทิตย และมีตัวตานทาน

สําหรับควบคุมไมใหกระแสไฟฟาไหลเกินขีดจํากัด (หรืออาจใชวงจรควบคุมแรงดันไฟฟาแทนก็ได)

รูปท่ี 1.121 วงจรพ้ืนฐานการใชเซลลแสงอาทิตยในกรณีท่ีมีเซลลแสงอาทิตยเปนตนกําเนิดพลังงาน

เพียงอยางเดียว

รูปที่ 1.122 วงจรการใชงานเซลลแสงอาทิตยซึ่งใชแบตเตอร่ีสําหรับประจุไฟฟา

วงจรควบคุมแรงดันไฟฟาและกระแสไฟฟา

ไดโอดสําหรับควบคุมแรงดันไฟฟาครอมโหลดไมใหสูงเกินขีดจํากัด

ปกติการปอนพลังงานไฟฟาใหผลิตภัณฑอิเล็กทรอนิกสมักจะตองการใหแรงดันไฟฟาคงท่ี หรือ

ตองการไมใหแรงดันไฟฟาสูงเกินขีดจํากัด มิฉะนั้นผลิตภัณฑอิเล็กทรอนิกสอาจจะเสียหายได วิธีการควบคุม

แรงดันไฟฟามี 2 วิธีคือ

(1) วิธีการตอซีเนอรไดโอดแบบไบแอสยอน (กลับทิศทาง) กับเซลลแสงอาทิตย รูปท่ี 1.123 แสดง

กราฟลักษณะสมบัติ I-V ของซีเนอรไดโอด หลักการทํางานของซีเนอรนี้คือ ในกรณีท่ีแรงดันไฟฟาจากเซลล

แสงอาทิตยสูงเกินแรงดันพังทลายของซีเนอรไดโอด กระแสไฟฟาจะไหลผานซีเนอรไดโอดทันที และ

แรงดันไฟฟาท่ีครอมโหลดจะไมสูงเกินกวาคาแรงดันพังทลายของซีเนอรไดโอด แรงดันพังทลายของซีเนอร

ไดโอดท่ีมีขายมีหลายชนิด เชน ตั้งแตคาต่ําระดับ 1.5 V ไปจนถึงระดับ 100 V

1-122

(2) วิธีการตอไดโอดแบบไบแอสตามกับเซลลแสงอาทิตย เม่ือมีแรงดันไฟฟาจากเซลลแสงอาทิตย

สูงเกินคาแรงดันเทรชโฮลดของไดโอดกระแสไฟฟาก็จะไหลผานไดโอด ตัวอยางกรณีถาใช LED ชนิด GaP

เปนไดโอด แรงดันไฟฟาจะถูกจํากัดอยูท่ีประมาณ 1.5 V ซึ่งเหมาะสมตอการใชวิธีกับ LSI รูปท่ี 1.124 แสดง

กราฟ I-V ของ LED ชนิด GaP เม่ือกระแสไฟฟาไหลผาน LED กระแสไฟฟาสวนเกินนี้ก็จะถูกเปล่ียนเปน

แสง จึงชวยกําจัดพลังงานสวนเกินจากเซลลแสงอาทิตยไดดวย เปนการรักษาไมให LSI เสียหาย

ไดโอดสําหรับปองกันไมใหกระแสไฟฟาไหลยอนกลับเขาเซลลแสงอาทิตย

ในสภาพท่ีเกิดความมืด เชน ตอนกลางคืนหรือ เซลลแสงอาทิตยวางอยูในท่ีมืด ถาแรงดันไฟฟา

เอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยลดลงตํ่ากวาแรงดันของแบตเตอร่ี จะทําใหกระแสไฟฟาไหลยอนจากแบตเตอรี่

ไปสูเซลลแสงอาทิตย วิธีการปองกันไมใหเกิดเหตุการณเชนนี้ จําเปนจะตองมีไดโอดตอเพ่ิมเขาไปในวงจรดัง

แสดงในรูปท่ี 1.122 ไดโอดท่ีทําหนาท่ีนี้เรี่ยกวา “บล็อกกิงไดโอด” (blocking diode) วิธีการตอบล็อกกิง

ไดโอดคือ ใหตอแบบอนุกรมกับเซลลแสงอาทิตยโดยใหกระแสไฟฟาจากเซลลแสงอาทิตยไหลไดสะดวกขณะมี

แสง (ไบแอสตาม) คุณสมบัติของบล็อกกิงไดโอดท่ีพึงปรารถนาไดแก กระแสไฟฟาไหลยอนกลับอ่ิมตัวควรมี

คานอยท่ีสุด และแรงดันไฟฟาครอมตอนไบแอสตามควรมีคานอยท่ีสุด รูปท่ี 1.125 แสดงตัวอยางกราฟ I-V

ของไดโอดชนิด Ge, Si และ ชอตตกีไดโอด เนื่องจากกระแสไฟฟาไหลยอนกลับอ่ิมตัวของชนิด Ge คอนขาง

มีคามาก ดงันั้นจึงนิยมใชบล็อกกิงไดโอดชนิด Si และชอตตกีแบเรียชนิด Si

วงจรควบคุมอัตราการประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอร่ีไมใหสูงเกินขีดจํากัด

ในการประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่จะตองมีการควบคุมมิใหกระแสไฟฟาไหลเขาแบตเตอรี่ดวย

อัตราที่สูงเกินขีดจํากัด อัตราการประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่มีหนวยเปนแอมแปร-ชั่วโมง (Ah)

ตัวอยางเชน ถากําหนดวา อัตราการประจุเทากับ 40 Ah หมายความวาในการประจุเปนเวลา 1 ชั่วโมง จะตอง

ควบคุมไมใหกระแสไฟฟาไหลเกิน 40 A วิธีการควบคุมอัตราการประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่สามารถทํา

ไดโดย

รูปที่ 1.123 กราฟลักษณะสมบัติ I-V ของซีเนอรไดโอด

1-123

รูปที่ 1.124 กราฟลักษณะสมบัติ I-V ของ LED ชนิด GaP

รูปที่ 1.125 กราฟลักษณะสมบัติ I-V ของไดโอดชนิด Ge, Si และ ชอตตกีไดโอด

การตอตัวตานทานแบบอนุกรมเขากับแบตเตอรี่ รูปท่ี 1.126 แสดงวิธีการกําหนดคาความตานทาน Rc สําหรับ

ควบคุมอัตราการประจุกระแสไฟฟา

ให A คือเสนกราฟลักษณะสมบัติเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยเม่ือมีแสงความเขมสูงมากท่ีสุด

ให B คือเสนกราฟเม่ือมีการตอบล็อกกิงไดโอด

ให Vb คือแรงดันไฟฟาครอมแบตเตอร่ี

ดังนั้นกระแสไฟฟาท่ีไหลเขาแบตเตอรี่คือ Iout

ถาเราตองการลดกระแสไฟฟาท่ีประจุเขาแบตเตอรี่ใหเหลือ Ilimit เราสามารถทําไดโดยการตอตัว

ตานทาน Rc แบบอนุกรมกับแบตเตอรี่ และจะทําใหกราฟกลายเปนเสน C คา Rc กําหนดไดจากสมการ

RV

Ic =Δ

limit

(1.133)

โดยท่ี ΔV คือแรงดันไฟฟาท่ีลดลงตามท่ีแสดงในรูป

วงจรปองกันไมใหประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอร่ีนานเกินขีดจํากัด

1-124

การประจุกระแสไฟฟาจากเซลลแสงอาทิตยเขาแบตเตอรี่นานเกินขีดจํากัด กลาวคือ แมวาแบตเตอรี่

จะเต็มแลว ยังปลอยใหกระแสไฟฟาไหลเขาเรื่อยๆ โดยไมสิ้นสุด จะทําใหแบตเตอร่ีเสียหายได ดังนั้นจึง

จําเปนจะตองมีวงจรท่ีทําหนาท่ีตัดแบตเตอรี่ออกจากเซลลแสงอาทิตยหรือทําการลัดวงจรของเซลลแสงอาทิตย

รูปที่ 1.126 วิธีการกําหนดคาตัวตานทาน Rc สําหรับควบคุมกระแสไฟฟา

รูปที่ 1.127 ตัวอยางวงจรปองกันการประจุแบตเตอร่ีสูงเกินขีดจํากัด

รูปท่ี 1.127 แสดงตัวอยางวงจรปองกันการประจุแบตเตอร่ีสูงเกินขีดจํากัด ถาแรงดันของแบตเตอร่ีสูงเกิน

ขีดจํากัด วงจรนี้จะทําใหเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยอยูในสภาพลัดวงจร จึงชวยรักษาแบตเตอรี่ไวได

การออกแบบขนาดของมอดูลของเซลลแสงอาทิตย

คําวามอดูล หมายถึงชุดท่ีประกอบดวยเซลลแสงอาทิตยจํานวนหลายแผนท่ีถูกนํามาตอกัน เพ่ือใหได

แรงดันและกระแสไฟฟาตามท่ีตองการ กําลังไฟฟาเอาตพุตท่ีจะไดจากมอดูลจะแปรผันตรงกับพ้ืนท่ีของมอดูล

การออกแบบมอดูลจะตองกําหนดชนิดของเซลลแสงอาทิตย และตองทราบเง่ือนไขสภาพการใชงาน เชน

สเปกตรัมของแสง ความเขมของแสง อุณหภูมิการใชงาน กําลังไฟฟา แรงดันไฟฟาและกระแสไฟฟาท่ีตองการ

ตัวอยางในกรณีของเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอน สามารถดูดกลืนแสงจากหลอดไฟชนิด

ฟลูออเรสเซนตไดดีกวาชนิดผลึกซิลิคอน ดังนั้นจึงนิยมใชเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนกับผลิต

อิเล็กทรอนิกสท่ีใชในหองสํานักงาน

(1) การกําหนดจํานวนของเซลลแสงอาทิตยที่จะตออนุกรม

1-125

เซลลแสงอาทิตยตางชนิดกัน จะใหแรงดันไฟฟาเอาตพุตแตกตางกัน ตัวอยางการใชงานภายใตแสง

ความเขม 100 lux - 100,000 lux แรงดันไฟฟาสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยชนิดตางๆ จะมีคาโดยประมาณ

ดังนี้

ชนิดผลึก Si ชนิดอะมอรฟสซิลิคอน (a-Si:H) ชนิดผลึก GaAs

แรงดันไฟฟาสูงสุด (V) 0.3-0.4 0.4-0.6 0.6-0.8

กรณีท่ีใชเซลลแสงอาทิตยเปนตนกําเนิดไฟฟาใหโหลด

จํานวนเซลลแสงอาทิตยท่ีตออนุกรม =

(แรงดันไฟฟาเอาตพุตท่ีตองการ)÷(แรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุดของ 1 เซลล) (1.134)

กรณีท่ีใชเซลลแสงอาทิตยประจุกระแสไฟฟาใหแบตเตอร่ี

จํานวนเซลลแสงอาทิตยท่ีตออนุกรม =

(แรงดันไฟฟาท่ีตองใช+แรงดันไฟฟาครอมบล็อกกิงไดโอด)÷(แรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุดของ 1 เซลล)

(1.135)

(2) การกําหนดพ้ืนที่ของเซลลแสงอาทติย

กระแสไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยถูกกําหนดดวยพ้ืนท่ีของเซลลแสงอาทิตย ในกรณีท่ีความ

ตองการกระแสไฟฟาไมสูงมากนัก ไมจําเปนตองตอเซลลแสงอาทิตยแบบขนาน แตถาความตองการแสไฟฟา

สูงมาก เราก็จะตองตอเซลลแสงอาทิตยแบบขนานหลายๆ ตัว ถาให S คือพ้ืนท่ีของเซลลแสงอาทิตย และ Imax

คือกระแสไฟฟาเอาตพุตสูงสุดของเซลลแสงอาทิตยตอหนวยพ้ืนท่ี I คือความตองการกระแสไฟฟาท่ีจุดทํางาน

ดังนั้นพ้ืนท่ีของเซลลแสงอาทิตยท่ีตองใชคือ

Sm

II

=1

max (1.136)

โดยท่ี m คือแฟกเตอรท่ีขึ้นกับชนิดของเซลลแสงอาทิตย

(3) การออกแบบขนาดของเซลลแสงอาทิตยที่ตอกับแบตเตอร่ี

การประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่ มีแฟกเตอรหลายขอท่ีควรระวัง เชน กําลังไฟฟาท่ีประจุจะ

เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาซึ่งข้ึนกับความจุของแบตเตอรี่ และเวลากลางคืนจะไมมีการประจุกระแสไฟฟา เปนตน

ความเขมของแสงอาทิตยในเวลาวันมีคาประมาณ 100,000-200,000 lux และมีแสงประมาณ 5-7 ชั่วโมง

คําวา “ความจุของแบตเตอรี่” หมายถึง “ปริมาณของกระแสไฟฟาท่ีสามารถนําไปใชงานได โดยเม่ือมี

การประจุแบตเตอร่ีจนเต็มแลวและใชงานดวยอัตรากระแสไฟฟาท่ีคงท่ีจนกระท่ังแรงดันของแบตเตอร่ีลดลง

จนถึงคาต่ําสุด” มีหนวยคือ แอมแปร-ชั่วโมง (Ah) หรือ วัตต-ชั่วโมง (Wh) โดยท่ัวไปนิยมใชหนวย Ah

เพ่ือปองกันมิใหแบตเตอร่ีเสื่อมสภาพเร็ว จะมีการกําหนดคาการประจุกระแสไฟฟาสูงสุดท่ีใชในการ

ประจุเขาแบตเตอรี่ดวยตัวอักษร C เชน อัตราการประจุกระแสไฟฟาเทากับ 0.1C สําหรับแบตเตอรี่ขนาด

100 mAh หมายความวา จะตองประจุดวยกระแสไฟฟาท่ีไมสูงกวา 10 mA (=0.1×100 mAh) ตารางท่ี

1.12 แสดงคามาตรฐานของการประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่ชนิดตางๆ [110]

ในกรณีการใชแบตเตอร่ีชนิด Ni-Cd กับวิทยุ การประจุท่ีอัตรา 0.1C จะทําใหไมเกิดการประจุมาก

เกินไป หรือถาพิจารณาวา ความเขมของแสงไมสูงมากนักและมีแสงอาทิตยสั้นเพียง 3-4 ชั่วโมงตอวัน ก็อาจ

1-126

ประจุท่ีอัตรา 0.2-0.4C ก็ได ในกรณีแบตเตอร่ีชนิด AgCl ซึ่งนิยมใชกับนาฬิกาขอมือนั้น ควรใชอัตราการ

ประจุท่ีนอยมากๆ คือ 0.001C

รูปท่ี 1.128 แสดงตัวอยางการใชงานเซลลแสงอาทิตยจายกระแสไฟฟาใหอุปกรณอิเล็กทรอนิกสชนิด

ตางๆ

รูปที่ 1.128 ตัวอยางการใชงานเซลลแสงอาทิตยจายกระแสไฟฟาใหอุปกรณอิเล็กทรอนิกสชนิดตางๆ

1.9.2 การออกแบบระบบเซลลแสงอาทิตยสําหรับไฟฟากําลัง

เซลลแสงอาทิตยท่ีใชงานสําหรับไฟฟากําลังในท่ีนี้หมายถึง การใชงานท่ีกําลังไฟฟาสูงระดับหลายสิบ

วัตตขึ้นไปถึงระดับหลายกิโลวัตตหรืออาจถึงระดับเมกะวัตต เราสามารถแบงประเภทการใชงานออกเปน 2

ประเภท คือ 1) ระบบโดดเดี่ยว (Stand Alone System) และ 2) ระบบตอเขากริดของการไฟฟา (Grid

Connected System)

เริ่มแรกผูจะใชงานเซลลแสงอาทิตยตองเขาใจกอนวากระแสไฟฟาท่ีไดจากเซลลแสงอาทิตยนั้นเปน

ชนิดกระแสตรง และเซลลแสงอาทิตยผลิตไฟฟาไดเฉพาะชวงเวลากลางวันขณะมีแสงอาทิตยเทานั้น ถา

ตองการใชเซลลแสงอาทิตยจายกระแสไฟฟาใหกับเคร่ืองใชไฟฟากระแสสลับ จะตองตออินเวอรเตอรดวย

และถาตองการใชงานในตอนกลางคืน ก็ตองใชแบตเตอร่ีเก็บสะสมไฟฟาไวในตอนกลางวันดวย ดังนั้นวิธีการ

ออกแบบระบบเซลลแสงอาทิตยอยางงายๆ พอจะสรุปไดดังตอไปน้ี (สมมติใหวาแสงอาทิตยกระทบเซลล

แสงอาทิตยแบบมุมฉาก)

1. ขั้นตอนการกําหนดองคประกอบของระบบ

ผูใชตองกําหนดวาจะใชเซลลแสงอาทิตยจายไฟฟาใหเคร่ืองใชไฟฟาอะไร และตองการใชไฟฟาเวลา

กลางวันหรือกลางคืน (ในทุกรูปแบบการใชงานจะตองมีไดโอดตอดังรูป เพ่ือปองกันมิใหกระแสไฟฟาไหล

ยอนกลับเขาเซลลแสงอาทิตย)

ถาจายไฟฟาใหเฉพาะเครื่องใชไฟฟากระแสตรงในเวลากลางวัน เชน หลอดไฟกระแสตรง ระบบจะ

เปนดังรูปท่ี 1.129

ถาจายไฟฟาใหเคร่ืองใชไฟฟากระแสสลับในเวลากลางวัน เชน ตูเย็น เคร่ืองปรับอากาศ ในระบบจะมี

อินเวอรเตอรดังรูปท่ี 1.130

1-127

ถาตองการใชไฟฟาในเวลากลางคืนดวย จะตองมีแบตเตอร่ีเพ่ิมเขามาดังรูปท่ี 1.131 กลอง

ควบคุมการประจุไฟฟาทําหนาท่ี 1) เลือกวาจะสงกระแสไฟฟาไปยังอินเวอรเตอรหรือสงไปยังแบตเตอรี่ หรือ

2) ตัดเซลลแสงอาทิตยออกจากระบบและตอแบตเตอรี่ตรงไปยังอินเวอรเตอร

รูปที่ 1.129 วิธีการตอเซลลแสงอาทิตยเพ่ือจายไฟฟาใหเคร่ืองใชไฟฟากระแสตรงในเวลากลางวัน

รูปที่ 1.130 วิธีการตอเซลลแสงอาทิตยเพ่ือจายไฟฟาใหเคร่ืองใชไฟฟากระแสสลับในเวลากลางวัน

รูปที่ 1.131 วิธีการตอเซลลแสงอาทิตยเพ่ือจายไฟฟาในเวลากลางคืนดวย จะตองมีแบตเตอร่ีสําหรับ

เก็บพลังงานไฟฟา

2. ขั้นตอนการกําหนดขนาดของระบบ

1. กําหนดจํานวนของแผงเซลลแสงอาทิตย รายละเอียดจะกลาวถึงในหัวขอท่ี 5

2. กําหนดขนาดและจํานวนของแบตเตอรี่ แบตเตอร่ีท่ีใชในระบบเซลลแสงอาทิตยจะตองเปนชนิด

ท่ีสามารถประจุกระแสไฟฟาไดหลายคร้ัง ซึ่งมีหลายชนิด เชน ชนิดนิกเกิลแคดเมียม (Ni-Cd) ชนิดตะก่ัว

(Pb) (นิยมใชในระบบใหญๆ มากท่ีสุด) และชนิดนิกเกิลไฮไดรด (NiH) เริ่มแรกผูใชตองกําหนดขนาดของ

แบตเตอร่ีวาควรเปนเทาใด

ตัวอยางท่ี 9 ถาตองการใชกระแสไฟฟา 20 Ah แรงดันไฟฟา 100 V ในกรณีแบตเตอร่ีชนิดตะก่ัวซึ่งให

แรงดัน 12 V จงออกแบบวาจะตองใชแบตเตอร่ีท่ีมีขนาดความจุเทาไร

1-128

วิธีทํา จํานวนแบตเตอร่ีท่ีตองตออนุกรม = 100 V÷12 V= 9 ตัว (ปดเศษขึ้น)

ความจุ B ของแบตเตอรี่แตละตัวคือ (B-20 Ah) ÷B = 70% (คา70% คือปริมาณท่ีควรเหลือของ

แบตเตอร่ี)

เพราะฉะนั้น แบตเตอร่ีแตละตัวควรมีความจุมากกวา 66 Ah ขึ้นไป

อนึ่งตารางท่ี 1.12 ระบุวากระแสไฟฟาท่ีควรใชประจุคือ 0.5-1 เทาของคาความจุของแบตเตอรี่

หมายความวา ถานําแบตเตอรี่ขนาด 66 Ahมาใชประจุ ก็ควรประจุกระแสไฟฟาท่ีปริมาณไมเกิน 66×0.5 =

33-66 Ah ถาประจุกระแสไฟฟาดวยอัตรามากกวานี้จะทําใหแบตเตอร่ีเสื่อมเร็ว สําหรับจํานวนครั้งของการใช

งานนั้น ประมาณ 150-300 คร้ังตอแบตเตอรี่หนึ่งตัว

ตารางที่ 1.12 อัตรามาตรฐานของการประจุกระแสไฟฟาเขาแบตเตอรี่

ชนิดของแบตเตอร่ี ประสิทธิ-

ภาพ

อัตรากระแสไฟฟา

ที่ใชประจุ

ควรใชงานใหเหลือกี่เปอรเซ็นต

ของคาความจุ จึงจะประจุคร้ังตอไป

นิกเกิลแคดเมียม

(Ni-Cd)

0.8-0.9 0.1C-0.3C 0% (ใชใหหมด)

ตะก่ัว (Lead acid) 0.85-0.95 0.5C-1C 70%

นิกเกิลไฮไดรด (NiH) 0.7-0.9 0.1C 0% (ใชใหหมด)

เงินคลอไรด (AgCl) 0.9-1.0 0.001C 70%

3. กําหนดขนาดของอินเวอรเตอร อินเวอรเตอรคืออุปกรณท่ีใชสําหรับแปลงไฟฟากระแสตรงใหเปน

ไฟฟากระแสสลับ ในการแปลงดังกลาวจะมีการสูญเสียเกิดขึ้นเสมอ โดยท่ัวไปประสิทธิภาพของอินเวอร-เตอร

มีคาประมาณ 0.85-0.9 หมายความวา ถาเราปอนกําลังไฟฟาเขาอินเวอรเตอร 100 W เราจะไดกําลังไฟฟา

เอาตพุตออกจากอินเวอรเตอรมาใชประมาณ 85 -90 W นั่นเอง ดังนั้นถาเราทราบกําลังของไฟฟาท่ีตองการ

แลว เราจะตองเผ่ือขนาดของอินเวอรเตอรไวดวย เชน ถาตองการใชไฟฟา 85-90 W เราควรเลือกใช

อินเวอรเตอรท่ีมีเอาตพุตขนาด 100 W เปนตน ในทางปฏิบัติ อินเวอรเตอรท่ีมีขายในทองตลาดสําหรับใชกับ

เซลลแสงอาทิตยนั้นมีขนาดมาตรฐานรุน 3 kW และ 5 kW เงื่อนไขสําคัญของสถานท่ีสําหรับติดตั้ง

อินเวอรเตอรคือ จะตองอยูในท่ีรม อุณหภูมิไมสูงมากหรือต่ํามากเกินไป (ควรอยูในชวง -10°C และ 40°C)

ความชื้นไมสูงเกิน 60% วางในท่ีระบายอากาศไดดี ไมมีสัตว เชน หนู งู ซึ่งอาจกัดสายไฟฟาได มีพ้ืนท่ีให

บํารุงรักษาไดเพียงพอ เปนตน

3. ขั้นตอนการกําหนดสถานที่ติดตั้งแผงเซลลแสงอาทิตย

สถานท่ีติดตั้งแผงเซลลแสงอาทิตยควรเปนท่ีโลง ไมมีเงามาบังแผงเซลลแสงอาทิตย ไมอยูใกลสถานท่ี

เกิดฝุนมาก อาจติดตั้งแผงเซลลแสงอาทิตยบนพ้ืนดินก็ไดหรือบนหลังคาบานก็ได ควรวางใหแผงเซลลแสง-

อาทิตยมีความลาดเอียงประมาณ 10-15 องศา จากระดับแนวนอนและหันหนาไปทางทิศใต การวางแผงเซลล

แสงอาทิตยใหมีความลาดดังกลาวจะชวยใหเซลลแสงอาทิตยรับแสงอาทิตยไดเฉลี่ยมากท่ีสุดและเกิดการระบาย

น้ําฝนไดรวดเร็ว ตองออกแบบใหมีอุปกรณยึดแผงเซลลแสงอาทิตยไดอยางแข็งแรง สามารถทนตอแรงลม

และฝนไดเพียงพอ และถาดานลางของแผงมีชองระบายลมไดดวยก็จะดีท่ีสุด

1-129

4. การใชบล็อกกิงไดโอดและบายพาสไดโอดในระบบไฟฟากําลัง

ดังไดกลาวขางตนแลววา การใชเซลลแสงอาทิตยกับแบตเตอรี่นั้น จะตองมีบล็อกกิงไดโอดเพ่ือ

ปองกันการไหลยอนกลับของกระแสไฟฟาจากแบตเตอร่ีสูเซลลแสงอาทิตย ในระบบไฟฟากําลัง เชนเดียวกัน

ก็จะตองมีบล็อกกิงไดโอดตออยูเสมอ รูปท่ี 1.132 แสดงวิธีการตอบล็อกกิงไดโอดกับเซลล-แสงอาทิตย

จํานวนมากๆ ท่ีปลายดานหนึ่งของเซลลแสงอาทิตยท่ีตออนุกรมแตละแถวจะมีบล็อกกิงไดโอด 1ตัว บางครั้ง

ถาเกิดเงาบังเซลลแสงอาทิตยบางตัวหรือบางแถว จะทําใหแรงดันไฟฟาเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยแถวนั้น

ลดลง ดังนั้นบล็อกกิงไดโอดจะเปนตัวปองกันมิใหกระแสไฟฟาจากแถวอ่ืนไหลมาผานแถวท่ีเกิดเงาซึ่งเปนการ

ปองกันมิใหแรงดันไฟฟาเอาตพุตของระบบลดลงดวย

รูปท่ี 1.132 วิธีการตอบล็อกกิงไดโอดกับเซลลแสงอาทิตยจํานวนมากๆ โดยมีบล็อกกิงไดโอด 1ตัว

ตออยูท่ีปลายดานหนึ่งของเซลลแสงอาทิตยในแตละแถว

นอกจากนี้สถานท่ีและมุมการติดตั้งระบบเซลลแสงอาทิตยก็มีความสําคัญตอกําลังไฟฟาเอาตพุตดวย

ตัวอยางถาติดตั้งเซลลแสงอาทิตยในสถานท่ีมีเงาเปนแถบบังเซลลแสงอาทิตยดังท่ีแสดงในรูปท่ี 1.133 นั้นถือ

วาเปนกรณีท่ีไมดี เพราะเงาเหลานั้นสามารถบังเซลลแสงอาทิตยจํานวนหลายแถว จะทําใหกําลังไฟฟาเอาตพุต

ลดลงแทบจะไมมีเอาตพุตเลย

วิธีการแกไขคือ ใหพยายามจัดวางเพ่ือใหเงาเหลานั้นบังเซลลแสงอาทิตยเพียงแถวใดแถวหนึ่งดังท่ี

แสดงในรูปท่ี 1.134 ในรูปนี้กําลังไฟฟาท่ีลดลงจะมีมีคาเพียง 1/6 ของระบบท้ังหมดเทานั้น

นอกจากบล็อกกิงไดโอดแลว การตอบายพาสไดโอดกับเซลลแสงอาทิตยก็มีความสําคัญดวยเชนกัน

รูปท่ี 1.135 แสดงวิธีการตอบายพาสไดโอดเขากับเซลลแสงอาทิตย บทบาทของบายพาสไดโอดคือ ในแผง

หรือมอดูลของเซลลแสงอาทิตยท่ีตออนุกรมกันนั้น เชน สมมติวาตออนุกรมกัน 10 เซลล ถามีเงาไปบังเซลล

แสงอาทิตยตัวใดตัวหนึ่ง แรงดันไฟฟาจากเซลลท่ีเหลืออีก 9 เซลลก็จะไปตกครอมเซลลมืดตัวนั้น จะเปน

สาเหตุทําใหเซลลท่ีมืดนั้นเกิดความรอนสูง และในท่ีสุดก็จะสงผลใหแผงหรือมอดูลท้ังหมดรอนและเสียหายได

ดังนั้นบายพาสไดโอดนี้จึงทําหนาท่ีใหกระแสไฟฟาจากเซลลอ่ืนไหลผานไดโอดไดสะดวก

รูปที่ 1.133 การเกิดเงาบนเซลลแสงอาทิตยตามรูปนี้จะทําใหไมไดกําลังไฟฟาเอาตพุตเลย

1-130

รูปที่ 1.134 การเกิดเงาบนเซลลแสงอาทิตยตามรูปนี้จะทําใหกําลังไฟฟาเอาตพุตลดลงเพียง

1/6 ของท้ังหมด

รูปที่ 1.135 วิธีการตอบายพาสไดโอดเขากับเซลลแสงอาทิตย

1.9.3 ตัวอยางการใชงานเซลลแสงอาทิตยในประเทศไทย

สําหรับในประเทศไทยเราจากอดีตถึงปจจุบัน (พ.ศ 2546) มีการติดตั้งใชงานเซลลแสงอาทิตยแลว

ท่ัวประเทศประมาณ 6 MW สวนใหญเปนการติดตั้งในพ้ืนท่ีหางไกลท่ีสายไฟฟาเขาไปไมถึง ตัวอยางการใชงาน

เชน

ไฟฟาหมูบานหางไกล (โดยการไฟฟาสวนภูมิภาค)

สถานีทวนสัญญาณสื่อสาร (โดยองคการโทรศัพทแหงประเทศไทย)

ระบบสูบน้ําในท่ีทุรกันดาน (โดยกรมโยธาธิการกระทรวงมหาดไทย และกระทรวง

กลาโหม)

สถานีประจุแบตเตอร่ี (โดยกรมพัฒนาและสงเสริมพลังงาน กระทรวงวิทยาศาสตร

เทคโนโลยีและสิ่งแวดลอม และการไฟฟาสวนภูมิภาค)

ในโรงเรียนประถมศึกษาพ้ืนท่ีหางไกล (โดยกระทรวงศึกษาธิการ)

ระบบผลิตไฟฟาตอเขาระบบกริด (โดยการไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย)

ฯลฯ

ระบบเซลลแสงอาทิตยดังกลาวเหลานี้ ไดสรางความเจริญใหกับพ้ืนท่ีไดเปนอยางดี บางพ้ืนท่ีชวยทํา

ใหเกิดอาชีพตางๆ เพ่ิมขึ้นอันเปนประโยชนตอเศรษฐกิจ และบางพ้ืนท่ีชวยทําใหเด็กไดมีโรงเรียน ในอดีตเม่ือ

เกิดเหตุการณน้ําทวมในภาคใต เสาไฟฟาและสายโทรศัพทไดรับความเสียหาย เซลลแสงอาทิตยไดกลายเปน

อุปกรณสําคัญในการกําเนิดไฟฟาสําหรับการติดตอวิทยุสื่อสาร ทําใหการชวยเหลือผูประสบอุทกภัยมี

ประสิทธิภาพและมีความปลอดภัย

1-131

ผูเขียนไดทดลองนําเซลลแสงอาทิตย 4 แผงไปติดตั้งท่ีสวนยางพาราในอําเภอสะเดา จังหวัดสงขลา

เพ่ือใชประจุแบตเตอร่ีสําหรับไฟฉายท่ีใชในการกรีดยางพาราแทนการใชตะเกียงถานหิน พบวาชาวสวนยางมี

ความพอใจ เพราะไมตองดมกลิ่นควันถานหินอีกตอไป และไดแสงสวางท่ีดีกวาตะเกียงถานหิน

รายละเอียดเก่ียวกับการใชงานเซลลแสงอาทิตยในประเทศไทย จะกลาวถึงอีกคร้ังในบท่ี 46 ซึ่งจะ

กลาวถึงสถานภาพการวิจัยและพัฒนาสิ่งประดิษฐออปโตอิเล็กทรอนิกสในประเทศไทย

1.9.4 การออกแบบขนาดของระบบเซลลแสงอาทิตยสําหรับติดตั้งบนหลังคาบาน

ขั้นตอนที่ 1 การกําหนดกําลังไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยที่ควรติดตั้ง

กอนจัดหาซื้อเซลลแสงอาทิตยมาใชงาน ผูใชควรพิจารณาวาจะใชเซลลแสงอาทิตยสําหรับผลิต

กระแสไฟฟาใหกับเคร่ืองใชไฟฟาใดบาง ท้ังนี้เพ่ือจะไดติดตั้งเซลลแสงอาทิตยไดเพียงพอกับความตองการและ

ไมติดตั้งมากจนเกินความจําเปนซึ่งจะทําใหระบบมีราคาแพงโดยไมจําเปน จะขอยกตัวอยางวิธีคํานวณ

กําลังไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยอยางงายๆ ดังตอไปน้ี

ตัวอยางท่ี 10 บานหลังหนึ่งมีเคร่ืองใชไฟฟาและจํานวนชั่วโมงของการใชงานดังตารางขางลางนี้

จงออกแบบระบบเซลลแสงอาทิตย

เคร่ืองใชไฟฟา จํานวน

(1)

กําลังไฟฟาตอชิ้น

(W) (2)

จํานวนช่ัวโมงที่ใชงานใน

หน่ึงวัน (3)

Wh

(1)×(2)×(3)

หลอดฟลูออเรสเซนต 2 30 6 360

โทรทัศน 1 100 3 300

เคร่ืองปรับอากาศ 1 1,500 4 6,000

อื่นๆ 100 1 100

รวม 6,760

วิธีทํา จากตารางขางตนนี้ ไดขอมูลวาในหนึ่งวัน บานหลังนี้ใชไฟฟา 6,760 Wh

กําลังไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยท่ีควรติดตั้ง (Pcell) คํานวณไดจากสูตรดังตอไปน้ี

Pcell = P

Q A B C DL

× × × /

(1.137)

โดยท่ี PL : ความตองการพลังงานไฟฟาในหนึ่งวัน

Q : พลังงานแสงอาทิตยในหนึ่งวัน (Wh/m2) สําหรับประเทศไทยเทากับ 4,000 Wh/m

2 โดย

ประมาณ

A : คาชดเชยการสูญเสียของเซลลแสงอาทิตย โดยท่ัวไปกําหนดคาประมาณ 0.8

B : คาชดเชยการสูญเสียเชิงความรอน โดยท่ัวไปกําหนดคาประมาณ 0.85

C : ประสิทธิภาพของอินเวอรเตอร โดยท่ัวไปกําหนดคาประมาณ 0.85-0.9

D : ความเขมแสง โดยปกติความเขมแสงประมาณ 1,000 W/m2

เพราะฉะนั้น บานหลังนี้ตองใชเซลลแสงอาทิตยท่ีมีกําลังเอาตพุตเทากับ

1-132

Pcell

= 6,760

400 0 8 0 85 0 85 1× × ×. . . / ,000 = 2,923 W หรือประมาณ 2.9 kW

ขั้นตอนที่ 2 การกําหนดจํานวนแผงของเซลลแสงอาทิตย

เม่ือทราบกําลังไฟฟาของเซลลแสงอาทิตยท่ีจะตองติดตั้งแลว ขั้นตอนตอไปคือ จะตองคํานวณวา

จะตองใชเซลลแสงอาทิตยก่ีแผง จํานวนแผงของเซลลแสงอาทิตยคํานวณไดโดยใชกําลังไฟฟาของระบบหาร

ดวยกําลังไฟฟาท่ีเซลลแสงอาทิตยหนึ่งแผงผลิตได เม่ือทราบคาจํานวนแผงแลว ขั้นตอนตอไปคือ จะตอง

คํานวณวา จะตองนําเซลลแสงอาทิตยจํานวนหลายเซลลมาตออนุกรมหรือขนานกันอยางไร จึงจะได

แรงดันไฟฟาท่ีเพียงพอตอการใชงาน จํานวนของแผงเซลลแสงอาทิตยท่ีจะตองตออนุกรมกันนั้น คํานวณได

โดยการใชคาแรงดันไฟฟาท่ีตองการหารดวยแรงดันเอาตพุตของเซลลแสงอาทิตยหนึ่งแผง

ตัวอยางท่ี 11 จากตัวอยางขางตน ทราบวาจะตองติดตั้งเซลลแสงอาทิตยเทากับ 2.9 kW และ

แรงดันไฟฟากระแสตรงท่ีตองปอนใหอินเวอรเตอรคือ 200 V ถามวาจะตองใชแผงเซลลแสงอาทิตยก่ีแผง

และควรตอเรียงกันอยางไร กําหนดใหแผงเซลลแสงอาทิตยมีลักษณะสมบัติดังนี้ กําลังเอาตพุตสูงสุด 50 W

แรงดันไฟฟาสูงสุด 17 V กระแสไฟฟาสูงสุด 2.94 A แรงดันไฟฟาวงจรเปด 21.3 V และกระแสไฟฟา

ลัดวงจร 3.15 A

วิธีทํา

ประมาณการเร่ิมแรกของจํานวนของแผงเซลลท่ีตองติดตั้งท้ังหมด = 2,900 W ÷50 W = 58 แผง

จํานวนของแผงเซลลท่ีตออนุกรม = 200 V ÷ 17 V = 12 แผง (ปดเศษขึ้น)

จํานวนแถวท่ีตองตอขนาน = 58 ÷12 = 5 แถว (ปดเศษขึ้น)

ดังนั้น กรณีบานหลังนี้ จะใชแผงเซลลแสงอาทิตยท้ังหมด = 12×5 = 60 แผง โดยตออนุกรมแถวละ

12 แผง และตอขนานจํานวน 5 แถว

หมายเหตุ ถาในการใชงาน เม่ือเซลลแสงอาทิตยรับแสงอาทิตยเปนเวลานาน อุณหภูมิของเซลลแสงอาทิตยจะ

สูงข้ึน และจะสงผลใหแรงดันไฟฟาลดลง ดังนั้นในการออกแบบ จึงควรใชคาแรงดันไฟฟาเอาตพุตสูงสุด ณ ท่ี

อุณหภูมิท่ีใชงานจริงในการคํานวณ

ตัวอยางการติดตั้งระบบเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานในประเทศไทย

การไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย (กฟผ.) เปนหนวยงานหนึ่งของประเทศไทยท่ีมีความสนใจและ

กระตือรือรนในการนําเซลลแสงอาทิตยมาใชงานเปนเวลานาน และไดติดตั้งระบบเซลลแสงอาทิตยไปแลวหลาย

แหงรวมเกือบ 100 kW “โครงการสาธิตการติดตั้งเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบาน” เปนโครงการท่ีกฟผ.

กําลังใหความสนใจมาก ตัวอยางท่ีติดตั้งไปแลวไดแก ท่ีอําเภอสันกําแพง จังหวัดเชียงใหม มีแผงเซลล-

แสงอาทิตย 44 แผง รวมกําลังไฟฟาเอาตพุต 2.5 kW เซลลแสงอาทิตยท้ังหมดผลิตไฟฟากระแสตรงในชวง ท่ี

มีแสงอาทิตยผานอินเวอรเตอรใหเปนกระแสสลับขนาด 220 V ความถ่ี 50 Hz และผานระบบปองกันแลวจึง

นํามาใชภายในบาน กระแสไฟฟาสวนเกินจะสงขายเขาระบบ

สําหรับใน พ.ศ. 2541 นี้ กฟผ. ยังไดรับงบสนับสนุนจากสํานักงานคณะกรรมการนโยบายพลังงาน-

แหงชาติ (สวทช.) ใหดําเนินการติดตั้งเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานเพ่ิมอีก 10 หลังคาเรือนในเขต

กรุงเทพมหานคร จากการประกาศรับสมัครประชาชนผูสนใจ มีผูเสนอชื่อขอเขารวมโครงการกวา 200 ราย

1-133

แตตองคัดเลือกเหลือเพียง 10 ราย คาใชจายซึ่งสํานักงานนโยบายพลังงานแหงชาติใหการสนับสนุนหลังละ

ประมาณ 2 แสนบาทเศษ และเจาของบานรับผิดชอบเองอีกประมาณ 2 แสนบาทเศษ ลักษณะเดนของ

โครงการนี้คือ

1. ไมมีการใชแบตเตอร่ี ทําใหลดราคาของระบบลงไดมาก

2. กระแสไฟฟาท่ีผลิตไดจากเซลลแสงอาทิตยจะถูกนําไปใชในบานทันที และถามีไฟฟาเหลือ ไฟฟาท่ี

เหลือนั้นจะถูกสงออกไปสูระบบของการไฟฟานครหลวงอยางอัตโนมัติ นั่นคือ มีการขายไฟฟาท่ีเหลือใช

3. มีวัตตมิเตอร ซึ่งสามารถวัดไฟฟาท่ีซื้อจากการไฟฟานครหลวง อีกวัดไฟฟาท่ีขายใหการไฟฟานคร

หลวง ทําใหเจาของบานทราบปริมาณไฟฟาท่ีซื้อและท่ีขายไดอยางถูกตอง

รูปท่ี 1.136 แสดงสวนประกอบท่ีสําคัญของชุดสาธิตระบบเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานซึ่งมี 5

สวนคือ

รูปที่ 1.136 แผนภูมิแสดงสวนประกอบท่ีสําคัญของชุดสาธิตระบบเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบาน

(ภาพเอ้ือเฟอจากการไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย)

1. ชุดแผงเซลลแสงอาทิตย (Photovoltaic arrays)

ในโครงการนี้ บานจํานวน 8 หลังใชแผงเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนซึ่งมีกําลังไฟฟา

เอาตพุตสูงสุด 75 W/แผง บานแตละหลังใชเซลลแสงอาทิตยจํานวน 30 แผงโดยตออนุกรมกัน 15 แผง

จํานวน 2 แถว ทําใหไดกําลังสูงสุดหลังละ 2,250 W แรงดันไฟฟาสูงสุด 255 V กระแสไฟฟาสูงสุด 8.8 A

ใชพ้ืนท่ีติดตั้งท้ังระบบ 20 m2 เซลลแสงอาทิตยท้ังหมดมีน้ําหนักรวม 228 kg

นอกจากนี้บานอีก 2 หลังใชแผงเซลลแสงอาทิตยชนิดฟลมบางอะมอรฟสซิลิคอนซึ่งมีกําลังไฟฟา

เอาตพุตสูงสุด 64 W/แผง บานหนึ่งหลังใชเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟส 45 แผงโดยตออนุกรมกัน 15

แผง จํานวน 2 แถว ทําใหไดกําลังสูงสุดหลังละ 2,880 W แรงดันไฟฟาสูงสุด 240 V กระแสไฟฟาสูงสุด 12

A ใชพ้ืนท่ีติดตั้งเซลลแสงอาทิตยท้ังหมด 46 m2 เซลลแสงอาทิตยท้ังหมดมีน้ําหนักรวม 418 kg

2. กลองรวมสาย (Junction box)

กลองรวมสายเปนกลองท่ีใชเปนท่ีพักสายไฟฟาจากแผงเซลลและเปนท่ีพักสายไฟฟากระแสสลับ

กอนท่ีจะตอเขากับอินเวอรเตอร และภายในกลองจะมีอุปกรณมิเตอรสําหรับวัดแรงดันและกระแสไฟฟา

1-134

กระแสตรงท่ีผลิตไดจากเซลลแสงอาทิตย รวมท้ังมีฟวสและสวิตชเบรกเกอร เพ่ือปองกันการเกิดไฟฟาลัดวงจร

และสามารถปดเม่ือเกิดเหตุการณฉุกเฉิน

3. อินเวอรเตอร (Inverter)

อินเวอรเตอรท่ีใชในโครงการมีกําลังเอาตพุตสูงสุด 5,000 W แรงดันไฟฟากระแสตรงขาเขา

อินเวอรเตอร 170-230 V แรงดันไฟฟากระแสสลับขาออก 220 V ความถ่ี 50 Hz ประสิทธิภาพในการแปลง

กระแสไฟฟาสูงกวา 90% ฮารมอนิกต่ํากวา 5% มีระบบปองกันใหอินเวอรเตอรหยุดทํางานในกรณีท่ี

แรงดันไฟฟาอินพุตมีการเปล่ียนแปลงมากคาท่ีกําหนด

4. มิเตอรผลิตไฟฟาและมิเตอรขายไฟฟา (Product kWh meter & Export KWh meter)

มิเตอรผลิตไฟฟาจะทําหนาท่ีบันทึกขอมูลท่ีอินเวอรเตอรจายกําลังไฟฟาท่ีผลิตไดออกมาเปน kWh ซึ่ง

จะทําใหเราทราบวาใน 1 วันหรือ 1 เดือนสามารถผลิตไฟฟารวมไดเทาไร มิเตอรผลิตไฟฟานี้จะติดตั้งไวท่ี

กลองรวมสาย มิเตอรขายไฟฟาจะทําหนาท่ีบันทึกขอมูลท่ีไดจากปริมาณการใชไฟฟาท่ีเหลือใชภายในบาน แลว

สงขายผานระบบจําหนายของการไฟฟาฯ (อาจใชมิเตอรเพียง 1 เคร่ืองท่ีสามารถหมุนได 2 ทิศทาง)

5. ระบบบันทึกขอมูล (Data acquisition system)

การบันทึกขอมูลอยางละเอียดจะกําหนดสําหรับบาน 2 หลัง เพ่ือใชประเมินผลตอไป โดยมีการติดตั้ง

เคร่ืองวัดความเขมของแสงอาทิตย (pyrometer) เคร่ืองวัดอุณหภูมิของแผงเซลลแสงอาทิตยและกําลังผลิตเปน

ตน

ผลท่ีคาดวาจะไดรับจากโครงการสาธิตติดตั้งเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานนี้ไดแก

1) ชวยผลิตพลังงานทดแทนในชวงเวลากลางวันซึ่งใชไฟฟามาก

2) ทําใหประชาชนมีสวนรวมในการผลิตไฟฟา และสรางจิตสํานึกในการใชไฟฟาอยางประหยัด

3) ลดผลกระทบที่ทําลายสิ่งแวดลอม

4) ชะลอการกอสรางโรงไฟฟาและขยายระบบสายสง

5) ชวยลดการสูญเสียพลังงานไฟฟาในระบบสายสง เปนตน

รูปท่ี 1.137 แสดงตัวอยางภาพบานท่ีติดตั้งแผงเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานในโครงการ 10

หลังคาแรกของประเทศไทยใน พ.ศ. 2541

บานในรูป (ก) อยูในเขตดอนเมือง กรุงเทพมหานคร ใชเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน

จํานวน 30 แผงใหกําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด 2.25 kW

บานในรูป (ข) อยูในหมูบานเมืองเอก ปทุมธานี ใชเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอนจํานวน

45 แผงใหกําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด 2.88 kW

1.9.5 การบํารุงรักษาเซลลแสงอาทิตยและอายุการใชงาน

อายุการใชงานเซลลแสงอาทิตยโดยท่ัวไปยาวนานกวา 20 ป และบริษัทผูผลิตเซลลแสงอาทิตย

รับประกันในระยะเวลาที่นานหลายป ดังนั้นผูใชจึงไมจําเปนตองกังวลเก่ียวกับอายุการใชงาน การบํารุงรักษา

ก็งาย เพียงแตคอยดูแลวามีสิ่งสกปรกตกคางบนแผงเซลลแสงอาทิตยหรือไม เชน ฝุน มูลนก ใบไม ถาพบวามี

สิ่งสกปรก ก็ใชน้ําลางทําความสะอาดบางเปนคร้ังคราว เชน ปละ 1-2 คร้ังก็เพียงพอ หามใชน้ํายาพิเศษลาง

1-135

หรือใชกระดาษทรายขัดผิวกระจกโดยเด็ดขาด เม่ือฝนตก น้ําฝนจะชวยชําระลางแผงเซลลแสงอาทิตยไดตาม

ธรรมชาติ ในบางคร้ังเซลลแสงอาทิตยท่ีประกอบไมดี เม่ือใชงานไปนานๆ ความชื้นจากอากาศอาจซึมเขาสู

ภายในแผง และจะทําใหแผงเซลลแสงอาทิตยมีสีเหลืองน้ําตาลซึ่งเปนสีท่ีแสดงวาแผนโพลิเมอรในแผงเซลล

แสงอาทิตยเสื่อมคุณภาพลง หรือบางคร้ังอาจพบวาฉนวนอิปอกซีซึ่งถูกอัดอยูท่ีขอบของแผงมีน้ําขังหรือเปราะ

ในกรณีเหลานี้ใหผูใชติดตอบริษัทผูผลิตเพ่ือขอแลกเปลี่ยนแผงเซลลแสงอาทิตยท่ีชํารุด

สําหรับในระบบที่มีการใชแบตเตอร่ีชนิดใชน้ํากลั่น (lead acid) หามใชไฟฟาจนแบตเตอร่ีหมด แต

ควรใชไฟฟาเพียง 30-40% และเริ่มประจุไฟฟาใหมใหเต็มกอนใชงานคร้ังตอไป และตองคอยหม่ันเติมน้ํา

กลั่นและเช็ดทําความสะอาดขั้วของแบตเตอร่ี ในกรณีท่ีมีการใชอินเวอรเตอร ก็ควรสังเกตวามีเสียงดังผิดปกติ

หรือเกิดความรอนผิดปกติหรือไม ถาพบความผิดปกติท่ีอินเวอรเตอร ใหตัดหยุดการปอนกระแสไฟฟาเขา

อินเวอรเตอรและติดตอบริษัทผูจําหนายหรือผูเชี่ยวชาญ

สุดทายนี้ ขอแนะนําตัวอยางแนวความคิดในการประยุกตใชงานเซลลแสงอาทิตยในลักษณะตางๆ

ดังท่ีแสดงในรูปท่ี 1.138-1.152

รูปที่ 1.137 ตัวอยางภาพบานท่ีติดตั้งแผงเซลลแสงอาทิตยบนหลังคาบานในกรุงเทพมหานคร

(ก) อยูในเขตดอนเมือง กรุงเทพมหานคร ใชเซลลแสงอาทิตยชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอน

จํานวน 30 แผง ใหกําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด 2.25 kW

(ข) อยูในหมูบานเมืองเอก ปทุมธานี ใชเซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอน จํานวน

45 แผง ใหกําลังไฟฟาเอาตพุตสูงสุด 2.88 kW

(ภาพเอ้ือเฟอจาก การไฟฟาฝายผลิตแหงประเทศไทย)

1-136

รูปที่ 1.138 ระบบลอปลาดวยแสงไฟพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย แผงเซลลวางอยูบนทุนลอยกลางทะเล

หลอดไฟอยูใตน้ํา ชาวประมงจะออกไปจับปลาเม่ือเห็นภาพฝูงปลาปรากฏบนจอโทรทัศน

รูปที่ 1.139 ระบบปมอากาศ (ออกซิเจน) ดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย เปาลมลงไปใตน้ําเพ่ือเลี้ยง

สัตวน้ํา เชน ปลา กุง และลอสัตวน้ําใหเขาใกล แผงเซลลวางอยูบนทุนลอยกลางทะเลหรือ

กลางบอ

รูปที่ 1.140 ระบบปอนอาหารแบบอัตโนมัติใหสัตวน้ําดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย

แผงเซลลแสงอาทิตยวางอยูบนทุนลอย กอนปอนอาหาร จะสรางเสียงใตน้ํา

เพ่ือเรียกปลาใหเขาใกล ทําใหปอนอาหารไดอยางมีประสิทธิภาพ

1-137

รูปที่ 1.141 ระบบการตรวจวัดสภาพแวดลอมแบบอัตโนมัติดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย

ประกอบดวย เคร่ืองวัดความเร็วลม เคร่ืองวัดความเร็วกระแสน้ํา เคร่ืองวัด

อุณหภูมิและความลึก และเครื่องวัดระดับน้ําข้ึนน้ําลง เปนตน

รูปที่ 1.142 ระบบสูบน้ําบาดาลดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย มีถังเก็บน้ําไวใชอยางเพียงพอ

รูปที่ 1.143 ระบบชลประทานดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย เคร่ืองสูบน้ําจากคลองใหไหลไป

ตามทางสงน้ําขนาดเล็กเพ่ือการเพาะปลูก

1-138

รูปที่ 1.144 ระบบฉีดโปรยน้ําดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย เพ่ือการเพาะปลูกพืชผัก

รูปที่ 1.145 การใชงานแบบผสมระหวางระบบทําความรอนและระบบผลิตกระแสไฟฟาดวย

เซลลแสงอาทิตยเพ่ือการกสิกรรม

รูปที่ 1.146 ระบบอบแหงธัญพืชดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย โดยใชพัดลมเปาอากาศแหง

และรอนเขาไปในหองอบท่ีอยูกลางทุงนา

1-139

รูปที่ 1.147 เคร่ืองนวดขาวพลังงานเซลลแสงอาทิตย สามารถติดตั้งท่ีกลางทุงนา

รูปที่ 1.148 สถานีอนามัยทํางานดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตย ในชนบทหางไกล

รูปที่ 1.149 สถานีผลิตกระแสไฟฟาดวยเซลลแสงอาทิตยสําหรับหมูบานชนบทหางไกล

1-140

รูปที่ 1.150 สถานีสังเกตอุตุนิยมวิทยา ในท่ีหางไกล เชน วัดปริมาณน้ําฝน วัดความเร็วลม

พรอมดวยชุดเตือนอุทกภัย

รูปที่ 1.151 สถานีถายทอดสัญญาณวิทยุโทรทัศนดวยพลังงานจากเซลลแสงอาทิตยบนภูเขาสูงหางไกล

รูปที่ 1.152 ชุดโทรศัพทมือถือพลังงานเซลลแสงอาทิตย จุดเดนอยูท่ีการใชเซลลแสงอาทิตยชนิด

อะมอรฟสซิลิคอนซึ่งผลิตบนแผนโลหะท่ีเบาและโคงงอได สามารถพับแผนเซลลได

ไมแตกหักแมจะทําหลน มีน้ําหนักเบา ทําใหพกติดตัวไดสะดวก [111]

1-141

เอกสารอางอิง

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

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

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

[4] 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, ED-

26, 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).

1-142

[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).

1-143

[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, รายงานการวิจัยฉบับสมบูรณเรื่อง “เซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิ-

คอน”, หองปฏิบัติการวิจัยสิ่งประดิษฐสารก่ึงตัวนํา ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย

เสนอสํานักงานคณะกรรมการวิจัยแหงชาติ (1990) 181 หนา.

[53] ดุสิต เครืองาม และคณะฯ, รายงานการวิจัยฉบับสมบูรณ, เซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอน,

หองปฏิบัติการวิจัยสิ่งประดิษฐสารก่ึงตัวนํา, ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟา, คณะวิศวกรรมศาสตร, จุฬาลง-

กรณมหาวิทยาลัย เสนอศูนยเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกสและคอมพิวเตอรแหงชาติ (1993) 130

หนา.

[54] ดุสิต เครืองาม และคณะฯ, “เซลลแสงอาทิตยชนิดอะมอรฟสซิลิคอน”, การประชุมวิชาการของเนค-

เทค คร้ังท่ี 4, โรงแรมอโนมา, กรุงเทพมหานคร, 190 (1992).

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

10(1996).

[56] ดุสิต เครืองาม, “สถานภาพเทคโนโลยีและอุตสาหกรรมเซลลแสงอาทิตยในปจจุบัน”, วิศวกรรมสารป

ท่ี 42 เลมท่ี 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).

1-144

[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 SnO

2/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 i-

layer 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).

1-145

[81] D. Kruangam, W. Boonkosum and P. Siamchai, “Development of Amorphous Si:H High-Voltage Solar Cell Based upon p-i-n Multi-Layered 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

1-146

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, “สถานภาพของเทคโนโลยีเซลลแสงอาทิตย”, วิศวกรรมสาร เลมท่ี 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, 1-

1, 67 (1986).

[107] 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 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).