หลักการผลิตพลังงานจากแผงโซลาร์เซลล์

แสงอาทิตย์ส่องกระทบกับรอยต่อ PN ของสารกึ่งตัวนำ ทำให้เกิดคู่ของอิเล็กตรอนและโฮลขึ้นใหม่ ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าของรอยต่อ PN โฮลจะไหลจากบริเวณ P ไปยังบริเวณ N และอิเล็กตรอนจะไหลจากบริเวณ N ไปยังบริเวณ P เมื่อวงจรเชื่อมต่อกัน กระแสไฟฟ้าจึงเกิดขึ้น นี่คือหลักการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์แบบใช้ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก

การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์มีสองประเภท คือ ประเภทแรกคือการแปลงแสงเป็นความร้อนเป็นไฟฟ้า และประเภทที่สองคือการแปลงแสงเป็นไฟฟ้าโดยตรง

(1) วิธีการแปลงแสง-ความร้อน-ไฟฟ้าใช้พลังงานความร้อนที่เกิดจากรังสีแสงอาทิตย์เพื่อผลิตไฟฟ้า โดยทั่วไป พลังงานความร้อนที่ดูดซับจะถูกแปลงเป็นไอน้ำของตัวกลางทำงานโดยตัวเก็บรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ จากนั้นจึงขับเคลื่อนกังหันไอน้ำเพื่อผลิตไฟฟ้า กระบวนการแรกคือกระบวนการแปลงแสง-ความร้อน กระบวนการหลังคือกระบวนการแปลงความร้อน-ไฟฟ้า

(2) ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกใช้ในการแปลงพลังงานรังสีจากแสงอาทิตย์โดยตรงให้เป็นพลังงานไฟฟ้า อุปกรณ์พื้นฐานของการแปลงโฟโตอิเล็กทริกคือเซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์แสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงเนื่องจากปรากฏการณ์โฟโตเจเนอเรชันโวลต์ เป็นโฟโตไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ เมื่อแสงแดดส่องกระทบโฟโตไดโอด โฟโตไดโอดจะเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าและสร้างกระแสไฟฟ้า เมื่อเซลล์จำนวนมากเชื่อมต่อกันแบบอนุกรมหรือแบบขนาน จะสามารถสร้างแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบสี่เหลี่ยมที่มีกำลังไฟฟ้าขาออกค่อนข้างสูงได้

ในปัจจุบัน ซิลิคอนผลึก (รวมถึงโพลีซิลิคอนและซิลิคอนผลึกเดี่ยว) เป็นวัสดุสำคัญที่สุดสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ โดยมีส่วนแบ่งการตลาดมากกว่า 90% และในอนาคตก็จะยังคงเป็นวัสดุหลักของเซลล์แสงอาทิตย์ต่อไปอีกเป็นเวลานาน

เป็นเวลานานแล้วที่เทคโนโลยีการผลิตวัสดุโพลีซิลิคอนถูกควบคุมโดยโรงงาน 10 แห่งของ 7 บริษัทใน 3 ประเทศ ได้แก่ สหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น และเยอรมนี ก่อให้เกิดการปิดล้อมทางเทคโนโลยีและการผูกขาดตลาด

ความต้องการโพลีซิลิคอนส่วนใหญ่มาจากอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และเซลล์แสงอาทิตย์ โดยแบ่งตามข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์ที่แตกต่างกันออกเป็นระดับอิเล็กทรอนิกส์และระดับเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งในจำนวนนี้ โพลีซิลิคอนระดับอิเล็กทรอนิกส์คิดเป็นประมาณ 55% และโพลีซิลิคอนระดับเซลล์แสงอาทิตย์คิดเป็น 45%

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ ความต้องการโพลีซิลิคอนในเซลล์แสงอาทิตย์จึงเติบโตเร็วกว่าการพัฒนาโพลีซิลิคอนสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ และคาดว่าความต้องการโพลีซิลิคอนสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์จะแซงหน้าความต้องการโพลีซิลิคอนเกรดอิเล็กทรอนิกส์ภายในปี 2551

ในปี 1994 การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ทั่วโลกมีเพียง 69 เมกะวัตต์ แต่ในปี 2004 เพิ่มขึ้นเกือบ 1200 เมกะวัตต์ ซึ่งเพิ่มขึ้นถึง 17 เท่าในเวลาเพียง 10 ปี ผู้เชี่ยวชาญคาดการณ์ว่าอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์จะแซงหน้าพลังงานนิวเคลียร์ขึ้นมาเป็นหนึ่งในแหล่งพลังงานพื้นฐานที่สำคัญที่สุดในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 21