เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์แบบใหม่กำลังก้าวสู่อนาคต

แผงโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่ที่ใช้คลุมหลังคาบ้าน ทุ่งนา และทะเลทรายทั่วโลกในปัจจุบันมีส่วนประกอบเหมือนกันคือซิลิคอนผลึก วัสดุนี้ทำจากโพลีซิลิคอนดิบ แล้วขึ้นรูปเป็นเวเฟอร์และต่อเข้ากับเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่แปลงแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้า เมื่อไม่นานมานี้ การพึ่งพาเทคโนโลยีเฉพาะตัวนี้ของอุตสาหกรรมได้กลายมาเป็นภาระต่อห่วงโซ่อุปทานกำลังช้าลงการติดตั้งโซลาร์เซลล์แห่งใหม่ทั่วโลก ซัพพลายเออร์โพลีซิลิคอนรายใหญ่ในภูมิภาคซินเจียงของจีนถูกกล่าวหาใช้แรงงานชาวอุยกูร์— กำลังเผชิญการคว่ำบาตรทางการค้าจากสหรัฐฯ

โชคดีที่ซิลิคอนผลึกไม่ใช่วัสดุเพียงชนิดเดียวที่สามารถช่วยควบคุมพลังงานจากดวงอาทิตย์ได้ นักวิทยาศาสตร์และผู้ผลิตในสหรัฐอเมริกากำลังทำงานเพื่อขยายการผลิตเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์แคดเมียมเทลลูไรด์ แคดเมียมเทลลูไรด์เป็นเซลล์แสงอาทิตย์แบบ "ฟิล์มบาง" ชนิดหนึ่ง และตามชื่อก็บ่งบอกว่ามีความบางกว่าเซลล์ซิลิคอนแบบดั้งเดิมมาก ปัจจุบัน แผงโซลาร์ที่ใช้แคดเมียมเทลลูไรด์จัดหามาได้ประมาณร้อยละ 40ของตลาดสาธารณูปโภคในสหรัฐฯ และประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์ของตลาดพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลก และพวกเขาจะได้ประโยชน์จากแรงต้านที่อุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์โดยรวมต้องเผชิญ

Kelsey Goss นักวิเคราะห์วิจัยพลังงานแสงอาทิตย์จากกลุ่มที่ปรึกษาพลังงาน Wood Mackenzie กล่าวว่า “เป็นช่วงเวลาที่ผันผวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับห่วงโซ่อุปทานซิลิคอนผลึกโดยทั่วไป มีศักยภาพอย่างมากสำหรับผู้ผลิตแคดเมียมเทลลูไรด์ที่จะเข้ามาครองส่วนแบ่งการตลาดในปีหน้า” โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เธอกล่าวเสริม เนื่องจากภาคส่วนแคดเมียมเทลลูไรด์กำลังขยายตัวแล้ว

ในเดือนมิถุนายน ผู้ผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ First Solar กล่าวว่าจะลงทุน 680 ล้านเหรียญสหรัฐในโรงงานผลิตแผงโซลาร์เซลล์แคดเมียมเทลลูไรด์แห่งที่สามในโอไฮโอตะวันตกเฉียงเหนือ เมื่อโรงงานสร้างเสร็จในปี 2025 บริษัทจะสามารถผลิตแผงโซลาร์เซลล์ได้ 6 กิกะวัตต์ในพื้นที่นั้น ซึ่งเพียงพอสำหรับจ่ายไฟให้กับบ้านเรือนในอเมริกาประมาณ 1 ล้านหลัง บริษัทโซลาร์เซลล์ Toledo Solar ซึ่งตั้งอยู่ในโอไฮโออีกแห่งเพิ่งเข้าสู่ตลาดและกำลังผลิตแผงโซลาร์เซลล์แคดเมียมเทลลูไรด์สำหรับหลังคาบ้านพักอาศัย และในเดือนมิถุนายน กระทรวงพลังงานสหรัฐและห้องปฏิบัติการพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติ หรือ NRELเปิดตัวโครงการมูลค่า 20 ล้านเหรียญสหรัฐเพื่อเร่งการวิจัยและขยายห่วงโซ่อุปทานสำหรับแคดเมียมเทลลูไรด์ หนึ่งในเป้าหมายของโครงการคือช่วยปกป้องตลาดพลังงานแสงอาทิตย์ของสหรัฐฯ จากข้อจำกัดด้านอุปทานทั่วโลก

นักวิจัยที่ NREL และ First Solar ซึ่งเดิมเรียกว่า Solar Cell Inc. ได้ทำงานร่วมกันตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1990 เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีแคดเมียมเทลลูไรด์แคดเมียมและเทลลูไรด์เป็นผลพลอยได้จากการถลุงแร่สังกะสีและการกลั่นทองแดงตามลำดับ ในขณะที่เวเฟอร์ซิลิกอนถูกเชื่อมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเซลล์ แคดเมียมและเทลลูไรด์ถูกนำไปใช้เป็นชั้นบางๆ — ประมาณหนึ่งในสิบของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมของมนุษย์ — บนแผ่นกระจกพร้อมกับวัสดุอื่นๆ ที่นำไฟฟ้าได้ First Solar ซึ่งปัจจุบันเป็นผู้ผลิตแผ่นฟิล์มบางที่ใหญ่ที่สุดในโลก ได้จัดหาแผงโซลาร์เซลล์สำหรับการติดตั้งโซลาร์เซลล์ใน 45 ประเทศ

Lorelle Mansfield นักวิทยาศาสตร์ของ NREL กล่าวว่าเทคโนโลยีนี้มีข้อได้เปรียบบางประการเหนือซิลิคอนผลึก ตัวอย่างเช่น กระบวนการฟิล์มบางต้องใช้วัสดุจำนวนน้อยกว่าวิธีที่ใช้เวเฟอร์ นอกจากนี้ เทคโนโลยีฟิล์มบางยังเหมาะสำหรับใช้กับแผงแบบยืดหยุ่น เช่น แผงที่ใช้คลุมกระเป๋าเป้หรือโดรน หรือแผงที่ติดตั้งเข้ากับผนังอาคารและหน้าต่าง ที่สำคัญ แผงฟิล์มบางทำงานได้ดีกว่าในอุณหภูมิที่ร้อน ในขณะที่แผงซิลิคอนอาจร้อนเกินไปและมีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าลดลง เธอกล่าว

อย่างไรก็ตาม ซิลิคอนผลึกมีข้อได้เปรียบในด้านอื่นๆ เช่น ประสิทธิภาพโดยเฉลี่ย ซึ่งหมายถึงเปอร์เซ็นต์ของแสงอาทิตย์ที่แผงโซลาร์เซลล์ดูดซับและแปลงเป็นไฟฟ้า ในอดีต แผงโซลาร์เซลล์ซิลิคอนมีประสิทธิภาพสูงกว่าเทคโนโลยีแคดเมียมเทลลูไรด์ แม้ว่าช่องว่างจะแคบลงก็ตาม แผงโซลาร์เซลล์ซิลิคอนที่ผลิตในเชิงอุตสาหกรรมในปัจจุบันสามารถบรรลุประสิทธิภาพได้18 ถึง 22 เปอร์เซ็นต์ขณะที่ First Solar รายงานประสิทธิภาพเฉลี่ยที่ 18 เปอร์เซ็นต์สำหรับแผงโซลาร์เชิงพาณิชย์รุ่นใหม่ล่าสุด

อย่างไรก็ตาม เหตุผลหลักที่ซิลิคอนครองตลาดโลกนั้นค่อนข้างเรียบง่าย “ทุกอย่างขึ้นอยู่กับต้นทุน” กอสส์กล่าว “ตลาดพลังงานแสงอาทิตย์มักถูกขับเคลื่อนโดยเทคโนโลยีที่มีราคาถูกที่สุด”

เธอกล่าวว่าซิลิคอนผลึกมีต้นทุนประมาณ 0.24 ถึง 0.25 ดอลลาร์ในการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์หนึ่งวัตต์ ซึ่งน้อยกว่าคู่แข่งรายอื่นๆ First Solar กล่าวว่าบริษัทไม่รายงานต้นทุนต่อวัตต์ในการผลิตแผงแคดเมียมเทลลูไรด์อีกต่อไป แต่เพียงระบุว่าต้นทุนได้ “ลดลงอย่างมาก” ตั้งแต่ปี 2015 ซึ่งเป็นปีที่บริษัทรายงานต้นทุนที่ 0.46 ดอลลาร์ต่อวัตต์— และยังคงลดลงทุกปี มีหลายสาเหตุที่ทำให้ซิลิคอนมีราคาถูกกว่า โพลีซิลิคอนซึ่งเป็นวัตถุดิบที่ใช้ในคอมพิวเตอร์และสมาร์ทโฟนนั้นหาได้ง่ายและมีราคาถูกกว่าแคดเมียมและเทลลูไรด์ เมื่อโรงงานผลิตแผงซิลิคอนและส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องขยายตัว ต้นทุนโดยรวมของการผลิตและติดตั้งเทคโนโลยีดังกล่าวก็ลดลง รัฐบาลจีนยังพยายามอย่างหนักได้รับการสนับสนุนและอุดหนุนภาคส่วนโซลาร์ซิลิคอนของประเทศ — มากจนถึงขนาดที่ประมาณร้อยละ 80ห่วงโซ่อุปทานการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ของโลกปัจจุบันไหลผ่านประเทศจีน

ต้นทุนแผงโซลาร์เซลล์ที่ลดลงเป็นแรงผลักดันให้พลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลกเติบโตอย่างรวดเร็ว ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา กำลังการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งทั้งหมดทั่วโลกเพิ่มขึ้นเกือบสิบเท่า จากประมาณ 74,000 เมกะวัตต์ในปี 2011 เป็นเกือบ 714,000 เมกะวัตต์ในปี 2020ตามสำนักงานพลังงานหมุนเวียนระหว่างประเทศ สหรัฐอเมริกาคิดเป็นประมาณหนึ่งในเจ็ดของพลังงานทั้งหมดของโลก และพลังงานแสงอาทิตย์ในปัจจุบันแหล่งหนึ่งที่ใหญ่ที่สุดของกำลังการผลิตไฟฟ้าใหม่ที่ติดตั้งในสหรัฐฯ ทุกปี

คาดว่าต้นทุนต่อวัตต์ของแคดเมียมเทลลูไรด์และเทคโนโลยีฟิล์มบางอื่นๆ จะหดตัวลงเช่นกัน เมื่อการผลิตขยายตัวเฟิร์สโซลาร์กล่าวว่าเมื่อโรงงานแห่งใหม่ในรัฐโอไฮโอเปิดทำการ บริษัทจะส่งมอบต้นทุนต่อวัตต์ที่ต่ำที่สุดในตลาดพลังงานแสงอาทิตย์ทั้งหมด) แต่ต้นทุนไม่ใช่ตัวชี้วัดเดียวที่มีความสำคัญ ดังที่เห็นได้จากปัญหาห่วงโซ่อุปทานและข้อกังวลด้านแรงงานของอุตสาหกรรมในปัจจุบัน

มาร์ก วิดมาร์ ซีอีโอของเฟิร์สโซลาร์ กล่าวว่าแผนขยายกิจการมูลค่า 680 ล้านดอลลาร์ของบริษัทเป็นส่วนหนึ่งของความพยายามครั้งยิ่งใหญ่ในการสร้างห่วงโซ่อุปทานที่สามารถพึ่งพาตนเองได้และ "แยก" อุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ของสหรัฐฯ ออกจากจีน แม้ว่าแผงโซลาร์เซลล์แคดเมียมเทลลูไรด์จะไม่มีการใช้โพลีซิลิกอน แต่เฟิร์สโซลาร์ก็เผชิญกับความท้าทายอื่นๆ ที่อุตสาหกรรมต้องเผชิญ เช่น ปริมาณงานค้างในอุตสาหกรรมการขนส่งทางทะเลที่เกิดจากการระบาดใหญ่ เมื่อเดือนเมษายน เฟิร์สโซลาร์ได้แจ้งนักลงทุนว่าความแออัดที่ท่าเรือของสหรัฐฯ ทำให้การขนส่งแผงโซลาร์เซลล์จากโรงงานในเอเชียล่าช้า การเพิ่มการผลิตในสหรัฐฯ จะทำให้บริษัทสามารถใช้ถนนและทางรถไฟในการขนส่งแผงโซลาร์เซลล์ได้ โดยไม่ต้องใช้เรือขนส่งสินค้า วิดมาร์กล่าว และโปรแกรมรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์ที่มีอยู่ของบริษัทช่วยให้บริษัทสามารถนำวัสดุกลับมาใช้ซ้ำได้หลายครั้ง ซึ่งช่วยลดการพึ่งพาห่วงโซ่อุปทานและวัตถุดิบจากต่างประเทศลงไปอีก

ขณะที่ First Solar ผลิตแผงโซลาร์เซลล์ นักวิทยาศาสตร์ทั้งจากบริษัทและ NREL ยังคงทดสอบและปรับปรุงเทคโนโลยีแคดเมียมเทลลูไรด์ต่อไป ในปี 2019 พันธมิตรพัฒนาวิธีการใหม่ซึ่งเกี่ยวข้องกับการ “เติม” ทองแดงและคลอรีนลงในวัสดุฟิล์มบางเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น เมื่อต้นเดือนนี้ NRELประกาศผลแล้วจากการทดสอบภาคสนามเป็นเวลา 25 ปีที่โรงงานกลางแจ้งในเมืองโกลเดน รัฐโคโลราโด แผงโซลาร์เซลล์แคดเมียมเทลลูไรด์ 12 แผงทำงานที่ประสิทธิภาพ 88 เปอร์เซ็นต์ของประสิทธิภาพเดิม ซึ่งถือเป็นผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมสำหรับแผงโซลาร์เซลล์ที่ติดตั้งอยู่กลางแจ้งมานานกว่าสองทศวรรษ การเสื่อมสภาพนี้ “สอดคล้องกับการทำงานของระบบซิลิกอน” ตามข่าวเผยแพร่ของ NREL

แมนส์ฟิลด์ นักวิทยาศาสตร์ของ NREL กล่าวว่าเป้าหมายไม่ได้อยู่ที่การแทนที่ซิลิคอนผลึกด้วยแคดเมียมเทลลูไรด์ หรือการสร้างเทคโนโลยีหนึ่งให้เหนือกว่าอีกเทคโนโลยีหนึ่ง “ฉันคิดว่าเทคโนโลยีทั้งหมดนั้นมีพื้นที่ในตลาด และแต่ละเทคโนโลยีก็มีการใช้งานของตัวเอง” เธอกล่าว “เราต้องการให้พลังงานทั้งหมดไปสู่แหล่งพลังงานหมุนเวียน ดังนั้นเราจึงต้องการเทคโนโลยีประเภทต่างๆ เหล่านี้เพื่อรับมือกับความท้าทายดังกล่าว”