ธาตุซิลิคอน

วิธีการใหม่ในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์สามารถลดปริมาณซิลิคอนต่อหน่วยพื้นที่ได้ถึง 90 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับมาตรฐานปัจจุบัน ด้วยราคาของซิลิกอนบริสุทธิ์ที่สูงจะช่วยลดต้นทุนของพลังงานแสงอาทิตย์ “เรากำลังใช้วัตถุดิบที่มีราคาไม่แพงในปริมาณที่น้อยลง เรามีขั้นตอนการผลิตที่น้อยลง และมีแนวโน้มการใช้พลังงานโดยรวมที่น้อยลง” Fredrik Martinsen ผู้สมัครระดับปริญญาเอกและศาสตราจารย์ Ursula Gibson จากภาควิชาฟิสิกส์ที่ NTNU อธิบาย พวกเขาเพิ่งเผยแพร่เทคนิคของพวกเขาในรายงานทางวิทยาศาสตร์ เทคนิคการประมวลผลของพวกเขาทำให้สามารถผลิตเซลล์แสงอาทิตย์จากซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์น้อยกว่า 1,000 เท่า จึงมีราคาถูกกว่ามาตรฐานอุตสาหกรรมปัจจุบัน ใยแก้วที่มีแกนซิลิกอน เซลล์แสงอาทิตย์ของนักวิจัยประกอบด้วยเส้นใยซิลิกอนเคลือบแก้ว แกนซิลิกอนถูกใส่เข้าไปในหลอดแก้วที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 30 มม. จากนั้นจะถูกทำให้ร้อนขึ้นเพื่อให้ซิลิกอนละลายและแก้วจะนิ่มลง หลอดถูกยืดออกเป็นใยแก้วบาง ๆ ที่เต็มไปด้วยซิลิกอน กระบวนการให้ความร้อนและการยืดทำให้เส้นใยบางลงถึง 100 เท่า นี่เป็นวิธีการทางอุตสาหกรรมที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางซึ่งใช้ในการผลิตสายเคเบิลใยแก้วนำแสง แต่นักวิจัยจากภาควิชาฟิสิกส์ที่ NTNU ซึ่งทำงานร่วมกับผู้ทำงานร่วมกันที่ Clemson University ในสหรัฐอเมริกา เป็นคนกลุ่มแรกที่ใช้เส้นใยซิลิกอนคอร์ที่ทำด้วยวิธีนี้ในเซลล์แสงอาทิตย์ ส่วนที่ใช้งานของเซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้คือแกนซิลิคอนซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100 ไมโครเมตร ลดการใช้พลังงาน วิธีการผลิตนี้ยังทำให้พวกเขาแก้ปัญหาอื่นได้ นั่นคือ เซลล์แสงอาทิตย์แบบดั้งเดิมต้องใช้ซิลิกอนที่บริสุทธิ์มาก กระบวนการผลิตเวเฟอร์ ซิลิคอน บริสุทธิ์นั้นใช้แรงงานมาก ใช้พลังงานมาก และมีราคาแพง “เราสามารถใช้ซิลิกอนที่ค่อนข้างสกปรกได้ และการทำให้บริสุทธิ์นั้นเกิดขึ้นตามธรรมชาติโดยเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการละลายและแข็งตัวใหม่ในรูปแบบเส้นใย” Gibson กล่าว “นั่นหมายความว่าคุณประหยัดพลังงานและหลายขั้นตอนในการผลิต” คาดว่าจะใช้พลังงานประมาณหนึ่งในสามในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ด้วยวิธีนี้ เมื่อเทียบกับวิธีดั้งเดิมในการผลิตแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน Gibson ทำงานเป็นเวลาหลายปีเพื่อรวมการทำให้บริสุทธิ์และการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์เข้าด้วยกัน เธอได้แนวคิดสำหรับโครงการนี้หลังจากอ่านบทความเกี่ยวกับเส้นใยแกนกลางของซิลิคอนโดย John Ballato ที่มหาวิทยาลัยเคลมสันในเซาท์แคโรไลนา ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยด้านการพัฒนาวัสดุไฟเบอร์ออปติก “ฉันเห็นว่าวิธีการที่เขาอธิบายสามารถใช้กับเซลล์แสงอาทิตย์ได้ด้วย” เธอกล่าว “และเราได้พัฒนาเทคนิคสำคัญที่ NTNU เพื่อปรับปรุงคุณภาพเส้นใย” Gibson และกลุ่มวิจัยของเธอเริ่มทำงานร่วมกับ Ballato ซึ่งเป็นผู้เขียนร่วมของบทความที่ตีพิมพ์ในรายงานทางวิทยาศาสตร์ แท่งซิลิกอน เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่นี้มีพื้นฐานมาจากการออกแบบทางแยกแนวรัศมีของแกนแนวตั้ง ซึ่งเป็นแนวทางที่ค่อนข้างใหม่ การออกแบบใช้ซิลิคอนที่บริสุทธิ์น้อยกว่าเซลล์ระนาบ Martinsen อธิบาย จากนั้นจึงเริ่มเข้าสู่หลักสูตรการชนเกี่ยวกับการทำงานภายในของเซลล์แสงอาทิตย์: โฟตอนที่มีความยาวคลื่นต่างกันจะถูกดูดซับในชั้นต่างๆ ของซิลิคอนเวเฟอร์ พวกเขาสร้างประจุฟรีหรือตัวพาประจุซึ่งแยกจากกันเพื่อจัดหาพลังงานไฟฟ้า ประจุเหล่านี้ต้องอยู่ใกล้กับอิเล็กโทรดและใกล้กับจุดเชื่อมต่อ pn จึงจะถูกดักจับ จุดเชื่อมต่อ pn คือพื้นที่ที่ใช้งานอยู่ในอุปกรณ์ ซึ่งแยกผู้ให้บริการชาร์จประเภทต่างๆ ออกจากกัน หากไม่เก็บประจุไว้ พลังงานจะกระจายไปและทำให้เซลล์แสงอาทิตย์ร้อนขึ้นเอง ในเซลล์แสงอาทิตย์แบบดั้งเดิม การเดินทางจากจุดที่มีประจุไฟฟ้าขึ้นสู่พื้นผิวอาจใช้เวลานานพอสมควร ซึ่งหมายความว่าต้องใช้ซิลิกอนบริสุทธิ์สูง แต่ด้วยเส้นใยซิลิกอน มีจุดเชื่อมต่อรอบเส้นใย ระยะทางจากจุดที่ประจุไฟฟ้าไปถึงจุดที่ประจุไฟฟ้านั้นค่อนข้างสั้น สามารถจับตัวพาประจุได้อย่างมีประสิทธิภาพ แม้ในขณะที่ใช้ซิลิกอนที่ไม่บริสุทธิ์ “การออกแบบแกนแนวตั้งยังคงไม่เป็นที่นิยมในการใช้งานเชิงพาณิชย์ ปัจจุบัน แท่งซิลิกอนถูกผลิตขึ้นโดยใช้เทคนิคนาโนขั้นสูงและมีราคาแพงซึ่งยากต่อการปรับขนาด” Martinsen กล่าว “แต่เรากำลังใช้กระบวนการเทกองทางอุตสาหกรรมที่ได้รับการทดลองและปฏิบัติจริง ซึ่งจะทำให้การผลิตมีราคาถูกลงมาก” ศักยภาพ พลังงานที่ผลิตโดยเซลล์ต้นแบบยังไม่ได้มาตรฐานเชิงพาณิชย์ เซลล์แสงอาทิตย์ในปัจจุบันมีประสิทธิภาพประมาณ 18 เปอร์เซ็นต์ ต้นแบบที่สร้างโดยนักวิจัยของ NTNU มีเพียงประมาณ 3.6 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น Gibson และ Martinsen ยังคงเชื่อมั่นในศักยภาพของวิธีการผลิตนี้ และกำลังทำงานเพื่อปรับปรุงกระบวนการออกแบบและการผลิต “นี่เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดแรกที่ผลิตด้วยวิธีนี้ โดยใช้ซิลิกอนที่ไม่บริสุทธิ์ ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่กำลังขับจะไม่สูงมากนัก” Martinsen กล่าว “มันไม่ยุติธรรมเลยสักนิดที่จะเปรียบเทียบวิธีการของเรากับเซลล์แสงอาทิตย์ทั่วไป ซึ่งใช้เวลา 40 ปีในการปรับแต่งกระบวนการผลิตทั้งหมดอย่างละเอียด เรามีช่วงการเรียนรู้ที่สูงชัน แต่ขั้นตอนทั้งหมดของกระบวนการของเรายังไม่ได้รับการพัฒนาอย่างเต็มที่ เราเป็นคนแรกที่แสดงให้เห็นว่าคุณสามารถสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ด้วยวิธีนี้ได้ มีการเผยแพร่ผลลัพธ์และกระบวนการเริ่มเคลื่อนไหว” ขั้นตอนต่อไปคือการปรับแต่งการผลิต สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น และรวมเซลล์หลายเซลล์เข้าด้วยกัน