พื้นฐานโซลาร์เซลล์และแผง PV — เซลล์แสงอาทิตย์ทำงานอย่างไร มีกี่ชนิด และประกอบเป็นระบบอย่างไร

โซลาร์เซลล์คืออะไร

โซลาร์เซลล์ หรือ เซลล์แสงอาทิตย์ (Photovoltaic cell, PV cell) คืออุปกรณ์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ ปัจจุบันเกือบทั้งหมดคือซิลิคอน ส่วนแคดเมียมเทลลูไรด์และสารประกอบอื่นใช้ในแผงฟิล์มบาง ทำหน้าที่เปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าโดยตรง เมื่อเซลล์ดูดกลืนแสง จะเกิดอิเล็กตรอนอิสระและโฮลที่รอยต่อขั้วบวก/ลบ ถ้าต่อสองขั้วของเซลล์เข้ากับโหลดไฟฟ้ากระแสตรง กระแสก็จะไหล

พลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานหมุนเวียน เกิดขึ้นใหม่ทุกวันตราบที่ดวงอาทิตย์ยังส่องแสง และการใช้มันก็คือการอนุรักษ์พลังงานรูปแบบหนึ่ง เพราะไปแทนเชื้อเพลิงที่ต้องเผา บทความนี้ครอบคลุมตั้งแต่ตัวเซลล์ แผงที่สร้างจากเซลล์ ไปจนถึงสิ่งที่ทำให้แผงหลายใบกลายเป็นระบบไฟฟ้าที่ใช้งานได้ เป็นฉบับปรับปรุงของคู่มือ "Basics of Solar Cell" ในส่วน Support ของ LEONICS ที่วิศวกรและนักศึกษาใช้อ้างอิงกันมาตั้งแต่ปี 2009

---

โซลาร์เซลล์ทำงานอย่างไร

เซลล์ซิลิคอนคือ รอยต่อ p-n พื้นที่กว้าง: ชั้นบางของซิลิคอนชนิด n (อิเล็กตรอนเกิน) ซ้อนบนซิลิคอนชนิด p (โฮลเกิน) ตรงรอยต่อของสองชั้นจะเกิดสนามไฟฟ้าภายใน

1. แสงอาทิตย์ตกกระทบเซลล์ โฟตอนที่มีพลังงานพอจะเคาะอิเล็กตรอนให้หลุด เกิดคู่อิเล็กตรอน-โฮล
2. สนามไฟฟ้าที่รอยต่อแยกประจุ อิเล็กตรอนถูกกวาดไปชั้น n โฮลไปชั้น p
3. วงจรปิดครบลูป อิเล็กตรอนอิสระไหลออกจากฝั่ง n ผ่านโหลด แล้วกลับมาฝั่ง p เพื่อรวมกับโฮล การไหลนี้คือกระแสตรงที่เซลล์จ่ายออกมา

เซลล์หนึ่งเซลล์ให้แรงดันแค่ราว 0.5-0.7 V จึงไม่เคยใช้เดี่ยวๆ

---

จากเซลล์ เป็นแผง เป็นอาร์เรย์

• เซลล์ → แผง เซลล์ถูกต่ออนุกรมกันในกรอบที่เคลือบและปิดด้วยกระจก เรียกว่า แผงโซลาร์ หรือ PV module (มักเรียกสั้นๆ ว่าแผง) แผงยุคนี้มีเซลล์ half-cut 108-144 เซลล์ กำลัง 400-600 Wp แรงดันที่จุดกำลังสูงสุดราว 40-50 V
• แผง → สตริง → อาร์เรย์ แผงที่ต่อ อนุกรม เป็นสตริงจะได้แรงดันสูงขึ้น สตริงที่ต่อ ขนาน จะได้กระแสเพิ่ม ทั้งหมดรวมกันคือ PV array

กฎสองข้อที่ต้องจำ:

• ต่ออนุกรม แรงดันเพิ่ม (กระแสเท่าเดิม)
• ต่อขนาน กระแสเพิ่ม (แรงดันเท่าเดิม)

แรงดันของอาร์เรย์ต้องอยู่ในช่วงรับของอินเวอร์เตอร์หรือชาร์จคอนโทรลเลอร์ การตรวจข้อนี้เป็นส่วนหนึ่งของ วิธีออกแบบระบบโซลาร์ PV

---

ชนิดของเซลล์และแผง

ตอนที่คู่มือนี้เขียนครั้งแรก แผงโมโนที่ดีมีประสิทธิภาพราว 17% ปัจจุบันเซลล์ PERC และ TOPCon ดันขึ้นไปเกิน 22% นี่คือเหตุผลที่แผง 2 ตารางเมตรวันนี้ให้ 550 Wp จากที่เคยให้ 250 Wp ซิลิคอนยังเป็นวัสดุหลักเพราะหาง่าย ไม่เป็นพิษ เสถียรหลายสิบปี และแปรรูปเป็นเวเฟอร์ได้ง่าย

---

ระบบโซลาร์ PV ต้องมีอะไรนอกจากแผง

โซลาร์เซลล์ผลิต ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ถ้าจะใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้า AC เก็บพลังงาน หรือส่งเข้ากริด ระบบต้องมีองค์ประกอบเพิ่ม ขึ้นกับประเภทระบบ:

LEONICS ผลิตส่วนอิเล็กทรอนิกส์ของรายการนี้ ทั้ง ไฮบริดอินเวอร์เตอร์ MPPT ชาร์จคอนโทรลเลอร์ ระบบกักเก็บพลังงาน และ ตัวควบคุมไมโครกริด และจัดหา ระบบโซลาร์ PV ครบชุด

---

ข้อดีของโซลาร์เซลล์

• ผลิตไฟสะอาด ไม่ใช้เชื้อเพลิงนอกจากแสงแดด ไม่มีไอเสีย ไม่มีการเผาไหม้ ลดคาร์บอนมอนอกไซด์ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ไนโตรเจนออกไซด์ และ CO₂ จากโรงไฟฟ้าเชื้อเพลิง
• ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว ไม่มีอะไรสึกหรอทางกล การบำรุงรักษาหลักคือทำความสะอาดและตรวจระบบไฟฟ้าตามรอบ
• อายุยืน แผงรับประกันสมรรถนะ 25-30 ปี และยังใช้ต่อได้หลังจากนั้นโดยกำลังลดลงทีละน้อย
• เป็นโมดูล เล็กได้เท่าแผงเดียวบนเสาสัญญาณ ใหญ่ได้เท่าโซลาร์ฟาร์ม และขยายภายหลังได้
• ติดตั้งเร็ว ขนส่งง่าย แผงส่งและติดตั้งได้ในไม่กี่วัน สำคัญที่สุดในพื้นที่ห่างไกล
• ราคาลดลงต่อเนื่อง ราคาแผงลดลงกว่า 90% นับจากคู่มือนี้เผยแพร่ครั้งแรก โซลาร์จึงเป็นแหล่งผลิตไฟใหม่ที่ถูกที่สุดในแทบทุกประเทศ

---

โซลาร์เซลล์ใช้ที่ไหนบ้าง

---

คำถามที่พบบ่อย

โซลาร์เซลล์ แผงโซลาร์ และโมดูล ต่างกันอย่างไร

เซลล์คืออุปกรณ์สารกึ่งตัวนำชิ้นเดียว แผงหรือโมดูลคือชุดเซลล์หลายเซลล์ที่ต่ออนุกรมและปิดผนึกในกรอบ ส่วนอาร์เรย์คือกลุ่มแผงที่ต่อกันจนได้แรงดันและกระแสที่ระบบต้องการ

โซลาร์เซลล์ทำจากอะไร

เซลล์เชิงพาณิชย์แทบทั้งหมดเป็นซิลิคอนผลึก เซลล์ฟิล์มบางใช้อะมอร์ฟัสซิลิคอน แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) หรือ CIGS ซิลิคอนครองตลาดเพราะหาง่าย ไม่เป็นพิษ และเสถียรหลายสิบปี

โซลาร์เซลล์มีประสิทธิภาพเท่าไร

แผงโมโนเชิงพาณิชย์วันนี้อยู่ราว 21-23% เซลล์ในห้องปฏิบัติการเกิน 26% ประสิทธิภาพสำคัญที่สุดเมื่อพื้นที่หลังคาจำกัด นอกจากนั้นตัวตัดสินคือราคาต่อวัตต์

วันเมฆมากโซลาร์เซลล์ยังทำงานไหม

ทำงานแต่กำลังลดลง แสงกระจายยังผลิตไฟได้ราว 10-25% ของแดดเต็มเมื่อเมฆหนา แบตเตอรี่หรือการเชื่อมกริดจะเติมส่วนที่ขาด

แผงโซลาร์ใช้ได้กี่ปี

ผู้ผลิตรับประกันสมรรถนะ 25-30 ปี โดยทั่วไปที่ 80-87% ของกำลังเดิมเมื่อสิ้นสุดระยะ แผงจากทศวรรษ 1990 หลายชุดยังผลิตไฟอยู่ทุกวันนี้

ต่อโซลาร์เซลล์เข้าเครื่องใช้ไฟฟ้าโดยตรงได้ไหม

เครื่องใช้ DC ใช้ไฟจากแบตเตอรี่ที่มีชาร์จคอนโทรลเลอร์ได้ เครื่องใช้ AC ต้องมีอินเวอร์เตอร์ และห้ามต่ออาร์เรย์เข้าแบตเตอรี่โดยตรงโดยไม่มีชาร์จคอนโทรลเลอร์ เพราะแบตเตอรี่จะถูกชาร์จเกิน

---

สรุป

โซลาร์เซลล์คือรอยต่อ p-n ของซิลิคอนที่เปลี่ยนแสงเป็นกระแสตรง แผงรวมเซลล์ให้ได้แรงดันที่ใช้ได้ อาร์เรย์รวมแผงให้ได้กำลังที่ต้องการ แล้วอินเวอร์เตอร์ ชาร์จคอนโทรลเลอร์ แบตเตอรี่ และระบบป้องกันทำให้อาร์เรย์กลายเป็นระบบ ประสิทธิภาพแผงขึ้นจาก 17% เป็นกว่า 22% นับจากคู่มือฉบับแรก และการใช้งานขยายจากไฟส่องสว่างในที่ห่างไกลไปถึงโซลาร์ฟาร์มระดับกิกะวัตต์

อ่านต่อที่ วิธีออกแบบและหาขนาดระบบโซลาร์ PV หรือดู ระบบโซลาร์ PV และ โซลูชันโซลาร์รูฟท็อป ของ LEONICS