หลักการของโซลาร์เซลล์

แสงอาทิตย์สาดส่องบนทางแยก pn ของสารกึ่งตัวนำเพื่อสร้างคู่โฮลอิเล็กตรอนใหม่ ภายใต้ผลกระทบของสนามไฟฟ้าในตัวที่รอยต่อ pn รูที่สร้างด้วยภาพถ่ายจะไหลไปยังบริเวณ p และอิเล็กตรอนที่สร้างจากภาพถ่ายจะไหลไปยังบริเวณ n หลังจากต่อวงจรแล้ว กระแสไฟจะถูกสร้างขึ้น นี่คือหลักการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์แบบโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์
การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์มีสองวิธี วิธีหนึ่งคือการแปลงแสงเป็นความร้อนเป็นไฟฟ้า และอีกวิธีคือการแปลงแสงเป็นไฟฟ้าโดยตรง
การแปลงโฟโต้เทอร์มอล-ไฟฟ้า
โหมดการแปลงแสงเป็นความร้อนเป็นไฟฟ้าจะสร้างกระแสไฟฟ้าโดยใช้พลังงานความร้อนที่เกิดจากรังสีดวงอาทิตย์ โดยทั่วไป พลังงานความร้อนที่ถูกดูดซับจะถูกแปลงเป็นไอน้ำของตัวกลางทำงานโดยตัวเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ จากนั้นกังหันไอน้ำจะถูกขับเคลื่อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า กระบวนการเดิมคือกระบวนการแปลงแสงเป็นความร้อน กระบวนการหลังคือกระบวนการแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้า ซึ่งเหมือนกับการผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนทั่วไป ข้อเสียของการผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนจากแสงอาทิตย์คือประสิทธิภาพต่ำมากและต้นทุนสูงมาก คาดว่าการลงทุนจะสูงกว่าโรงไฟฟ้าพลังความร้อนทั่วไปอย่างน้อย 5 ถึง 10 เท่า โรงไฟฟ้าพลังความร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ขนาด 1,000 เมกะวัตต์ต้องใช้เงินลงทุน 2 ถึง 2.5 พันล้านเหรียญสหรัฐ โดยมีการลงทุนเฉลี่ย 1 กิโลวัตต์ที่ 2,000 ถึง 2,500 เหรียญสหรัฐ ดังนั้นจึงใช้ได้กับโอกาสพิเศษในระดับเล็กๆ เท่านั้น ในขณะที่การใช้ประโยชน์ในปริมาณมากนั้นไม่ประหยัดและไม่สามารถแข่งขันกับโรงไฟฟ้าพลังความร้อนธรรมดาหรือโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ได้
การแปลงแสงเป็นไฟฟ้าโดยตรง
การผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ผลิตขึ้นตามคุณสมบัติของโฟโตอิเล็กทริกของวัสดุเฉพาะ วัตถุดำ (เช่น ดวงอาทิตย์) แผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นต่างกัน (ตามความถี่ที่ต่างกัน) เช่น อินฟราเรด อัลตราไวโอเลต แสงที่มองเห็น เป็นต้น เมื่อรังสีเหล่านี้ถูกฉายรังสีบนตัวนำหรือสารกึ่งตัวนำต่างๆ โฟตอนจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนอิสระในตัวนำ หรือสารกึ่งตัวนำเพื่อสร้างกระแส ยิ่งความยาวคลื่นสั้นลงและความถี่ของรังสียิ่งสูง ก็ยิ่งมีพลังงานสูง ตัวอย่างเช่น พลังงานของรังสีอัลตราไวโอเลตสูงกว่ารังสีอินฟราเรดมาก อย่างไรก็ตาม พลังงานของรังสีทุกความยาวคลื่นไม่สามารถแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ เป็นที่น่าสังเกตว่าเอฟเฟกต์เซลล์แสงอาทิตย์นั้นไม่ขึ้นกับความเข้มของรังสี กระแสสามารถสร้างได้เฉพาะเมื่อความถี่ถึงหรือเกินเกณฑ์ที่สามารถสร้างเอฟเฟกต์เซลล์แสงอาทิตย์ได้ ความยาวคลื่นสูงสุดของแสงที่สามารถทำให้เซมิคอนดักเตอร์สร้างเอฟเฟกต์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์นั้นสัมพันธ์กับความกว้างของแถบความถี่ของเซมิคอนดักเตอร์ ตัวอย่างเช่น ความกว้างของช่องว่างแถบของผลึกซิลิคอนอยู่ที่ประมาณ 1.155eV ที่อุณหภูมิห้อง ดังนั้น เฉพาะแสงที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 1100 นาโนเมตรเท่านั้นที่สามารถทำให้ผลึกซิลิคอนสร้างเอฟเฟกต์เซลล์แสงอาทิตย์ได้ การผลิตไฟฟ้าด้วยเซลล์แสงอาทิตย์เป็นวิธีการผลิตไฟฟ้าแบบหมุนเวียนและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม จะไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจก เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ และจะไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม ตามวัสดุการผลิต มันสามารถแบ่งออกเป็นแบตเตอรี่เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ซิลิกอน, แบตเตอรี่ฟิล์มบาง CdTe, แบตเตอรี่ฟิล์มบาง CIGS, แบตเตอรี่ฟิล์มบางที่ไวต่อสีย้อม, แบตเตอรี่วัสดุอินทรีย์ ฯลฯ ในหมู่พวกเขา เซลล์ซิลิกอนแบ่งออกเป็นผลึกเดี่ยว เซลล์ เซลล์โพลีคริสตัลไลน์ และเซลล์ฟิล์มบางอะมอร์ฟัสซิลิกอน ตัวแปรที่สำคัญที่สุดสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์คือประสิทธิภาพการแปลง ในบรรดาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอนที่พัฒนาขึ้นในห้องปฏิบัติการ ประสิทธิภาพของเซลล์โมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอนอยู่ที่ร้อยละ 25.0 ประสิทธิภาพของเซลล์โพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอนอยู่ที่ร้อยละ 20.4 ประสิทธิภาพของเซลล์ฟิล์มบาง CIGS อยู่ที่ร้อยละ 19.6 ประสิทธิภาพของเซลล์ฟิล์มบาง CdTe เท่ากับร้อยละ 16.7 และประสิทธิภาพของเซลล์ฟิล์มบางอะมอร์ฟัสซิลิกอน (amorphous silicon) เท่ากับร้อยละ 10.1
เซลล์แสงอาทิตย์เป็นองค์ประกอบตาแมวชนิดหนึ่งที่สามารถแปลงพลังงานได้ โครงสร้างพื้นฐานประกอบด้วยเซมิคอนดักเตอร์ชนิด P และ N วัสดุพื้นฐานที่สุดของเซมิคอนดักเตอร์คือ "ซิลิกอน" ซึ่งไม่นำไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม หากสารกึ่งตัวนำผสมสิ่งเจือปนต่างๆ กัน สารกึ่งตัวนำเหล่านี้สามารถสร้างเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด P และ N ได้ จากนั้น สารกึ่งตัวนำชนิด P จะมีรู (สารกึ่งตัวนำชนิด P มีอิเล็กตรอนน้อยกว่าหนึ่งตัวที่มีประจุลบ ซึ่งถือได้ว่าเป็นประจุบวกอีกหนึ่งตัว) และสารกึ่งตัวนำชนิด N มีความต่างศักย์ของอิเล็กตรอนอิสระเพิ่มขึ้นอีกหนึ่งตัวเพื่อสร้างกระแส ดังนั้น เมื่อดวงอาทิตย์ส่องแสง พลังงานแสงจะกระตุ้นอิเล็กตรอนในอะตอมของซิลิกอนให้เกิดการพาอิเล็กตรอนและโฮล อิเล็กตรอนและโฮลเหล่านี้จะได้รับผลกระทบจากศักยภาพในตัว และจะถูกดึงดูดโดยสารกึ่งตัวนำชนิด N และ P ตามลำดับ และจะรวมตัวกันที่ปลายทั้งสองด้าน สมัยนี้ถ้าเอาอิเล็กโทรดมาต่อภายนอกเป็นวงจร นี่คือ หลักการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์
กล่าวโดยย่อ หลักการของการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์คือการใช้เซลล์แสงอาทิตย์ในการดูดซับแสงแดดความยาวคลื่น 0.4 μ m-1.1 μ M (สำหรับผลึกซิลิคอน) ซึ่งจะแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง การส่งออกพลังงาน
เนื่องจากไฟฟ้าที่ผลิตได้จากแผงโซล่าเซลล์เป็นไฟฟ้ากระแสตรง หากจำเป็นต้องจ่ายไฟให้กับเครื่องใช้ในครัวเรือนหรือเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ จำเป็นต้องติดตั้งเครื่องแปลงไฟ DC/AC เพื่อทดแทนไฟกระแสสลับก่อนที่จะจ่ายไฟให้กับครัวเรือนหรือ พลังงานอุตสาหกรรม
พัฒนาการชาร์จของโซลาร์เซลล์ การนำโซลาร์เซลล์มาประยุกต์ใช้ในสินค้าอุปโภคส่วนใหญ่มักมีปัญหาในการชาร์จ ในอดีต วัตถุชาร์จทั่วไปใช้เซลล์แห้ง NiMH หรือ NiCd แต่เซลล์แห้ง NiMH ไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้ และเซลล์แห้ง NiCd มีปัญหาด้านมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ ความจุขนาดใหญ่ พื้นที่ป้องกันการหดตัว และราคาต่ำ ผลิตภัณฑ์พลังงานแสงอาทิตย์บางรุ่นเริ่มใช้ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์เป็นวัตถุสำหรับชาร์จ ซึ่งช่วยแก้ปัญหาต่างๆ ของการชาร์จพลังงานแสงอาทิตย์ให้ดีขึ้น:
ชาร์จเร็ว,
อายุการใช้งานนานกว่า 5 เท่า
ช่วงอุณหภูมิการชาร์จกว้าง
ลดการใช้พลังงานของแผงโซล่าเซลล์ (สามารถชาร์จด้วยแรงดันไฟต่ำได้)