เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ประเภทต่าง ๆ พร้อมที่จะก้าวไปสู่ตลาดใหญ่

แผงโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่ที่ครอบคลุมหลังคาบ้าน ทุ่งนา และทะเลทรายของโลกในปัจจุบันมีส่วนผสมเดียวกัน นั่นคือ ผลึกซิลิคอน วัสดุนี้ทำจากโพลีซิลิคอนดิบ มีรูปร่างเป็นแผ่นเวเฟอร์และต่อเข้ากับเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์แปลงแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้า เมื่อเร็ว ๆ นี้ การพึ่งพาเทคโนโลยีเอกพจน์ของอุตสาหกรรมได้กลายเป็นเรื่องที่ต้องรับผิด คอขวดของห่วงโซ่อุปทานกำลังชะลอตัวลงการติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์ใหม่ทั่วโลก ซัพพลายเออร์โพลีซิลิคอนรายใหญ่ในภูมิภาคซินเจียงของจีน —ถูกกล่าวหาว่าใช้แรงงานบังคับจากชาวอุยกูร์— กำลังเผชิญกับการคว่ำบาตรทางการค้าของสหรัฐฯ

โชคดีที่ผลึกซิลิคอนไม่ใช่วัสดุชนิดเดียวที่สามารถช่วยควบคุมพลังงานจากดวงอาทิตย์ได้ ในสหรัฐอเมริกา นักวิทยาศาสตร์และผู้ผลิตกำลังทำงานเพื่อขยายการผลิตเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์แคดเมียมเทลลูไรด์ แคดเมียม เทลลูไรด์เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ประเภท "ฟิล์มบาง" และบางกว่าเซลล์ซิลิคอนแบบเดิมมาก ตามชื่อดังกล่าว ปัจจุบันแผงใช้แคดเมียมเทลลูไรด์อุปทานประมาณร้อยละ 40ของตลาดสาธารณูปโภคของสหรัฐอเมริกา และประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์ของตลาดพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลก และพวกเขาได้รับประโยชน์จากกระแสลมที่อุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ในวงกว้างต้องเผชิญ

“นี่เป็นช่วงเวลาที่ผันผวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับห่วงโซ่อุปทานผลึกซิลิคอนโดยทั่วไป” Kelsey Goss นักวิเคราะห์การวิจัยพลังงานแสงอาทิตย์ของกลุ่มที่ปรึกษาด้านพลังงาน Wood Mackenzie กล่าว “มีศักยภาพอย่างมากสำหรับผู้ผลิตแคดเมียมเทลลูไรด์ที่จะแย่งส่วนแบ่งตลาดมากขึ้นในปีหน้า” เธอตั้งข้อสังเกตโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากภาคส่วนแคดเมียมเทลลูไรด์กำลังขยายขนาดขึ้นแล้ว

ในเดือนมิถุนายน บริษัทผู้ผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ First Solar กล่าวว่าจะดำเนินการดังกล่าวลงทุน 680 ล้านดอลลาร์ในโรงงานพลังงานแสงอาทิตย์แคดเมียมเทลลูไรด์แห่งที่สามทางตะวันตกเฉียงเหนือของรัฐโอไฮโอ เมื่อโรงงานสร้างเสร็จในปี 2568 บริษัทจะผลิตแผงโซลาร์เซลล์ในพื้นที่ขนาด 6 กิกะวัตต์ได้ ซึ่งเพียงพอต่อการจ่ายไฟให้กับบ้านในอเมริกาประมาณ 1 ล้านหลัง Toledo Solar บริษัทพลังงานแสงอาทิตย์อีกแห่งหนึ่งในรัฐโอไฮโอ เพิ่งเข้าสู่ตลาด และกำลังผลิตแผงแคดเมียมเทลลูไรด์สำหรับหลังคาที่อยู่อาศัย และในเดือนมิถุนายน กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาและห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติหรือ NRELเปิดตัวโครงการมูลค่า 20 ล้านดอลลาร์เพื่อเร่งการวิจัยและขยายห่วงโซ่อุปทานสำหรับแคดเมียมเทลลูไรด์ เป้าหมายประการหนึ่งของโครงการคือการช่วยป้องกันตลาดพลังงานแสงอาทิตย์ของสหรัฐฯ จากข้อจำกัดด้านอุปทานทั่วโลก

นักวิจัยที่ NREL และ First Solar ซึ่งเดิมเรียกว่า Solar Cell Inc. ได้ทำงานร่วมกันมาตั้งแต่ต้นทศวรรษ 1990 ในการพัฒนาเทคโนโลยีแคดเมียมเทลลูไรด์- แคดเมียมและเทลลูไรด์เป็นผลพลอยได้จากการถลุงแร่สังกะสีและการกลั่นทองแดงตามลำดับ ในขณะที่เวเฟอร์ซิลิคอนถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเซลล์ แคดเมียมและเทลลูไรด์จะถูกทาเป็นชั้นบางๆ ประมาณหนึ่งในสิบของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมมนุษย์ ลงบนบานกระจกพร้อมกับวัสดุนำไฟฟ้าอื่นๆ First Solar ซึ่งปัจจุบันเป็นผู้ผลิตฟิล์มบางรายใหญ่ที่สุดของโลก ได้จัดหาแผงสำหรับการติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์ใน 45 ประเทศ

เทคโนโลยีนี้มีข้อได้เปรียบเหนือผลึกซิลิคอนบางประการ Lorelle Mansfield นักวิทยาศาสตร์ของ NREL กล่าว ตัวอย่างเช่น กระบวนการฟิล์มบางต้องใช้วัสดุน้อยกว่าวิธีการแบบเวเฟอร์ เทคโนโลยีฟิล์มบางยังเหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้ในแผงที่มีความยืดหยุ่น เช่น ที่ใช้คลุมเป้หรือโดรน หรือนำไปรวมเข้ากับส่วนหน้าอาคารและหน้าต่างของอาคาร ที่สำคัญ แผงฟิล์มบางทำงานได้ดีกว่าในอุณหภูมิที่ร้อน ในขณะที่แผงซิลิกอนอาจมีความร้อนมากเกินไปและมีประสิทธิภาพในการผลิตไฟฟ้าน้อยลง เธอกล่าว

แต่ผลึกซิลิคอนมีความได้เปรียบในด้านอื่นๆ เช่น ประสิทธิภาพโดยเฉลี่ย ซึ่งหมายถึงเปอร์เซ็นต์ของแสงอาทิตย์ที่แผงดูดซับและแปลงเป็นไฟฟ้า ในอดีต แผงซิลิคอนมีประสิทธิภาพสูงกว่าเทคโนโลยีแคดเมียมเทลลูไรด์ แม้ว่าช่องว่างจะลดลง แผงซิลิคอนที่ผลิตทางอุตสาหกรรมในปัจจุบันสามารถบรรลุประสิทธิภาพของ18 ถึง 22 เปอร์เซ็นต์ในขณะที่ First Solar รายงานประสิทธิภาพเฉลี่ย 18 เปอร์เซ็นต์สำหรับแผงเชิงพาณิชย์ใหม่ล่าสุด

ถึงกระนั้น เหตุผลหลักที่ซิลิคอนครองตลาดโลกนั้นค่อนข้างง่าย “ทุกอย่างขึ้นอยู่กับต้นทุน” Goss กล่าว “ตลาดพลังงานแสงอาทิตย์มีแนวโน้มที่จะได้รับแรงผลักดันอย่างมากจากเทคโนโลยีที่ถูกที่สุด”

ผลึกซิลิคอนมีราคาประมาณ 0.24 ถึง 0.25 เหรียญสหรัฐเพื่อผลิตพลังงานแสงอาทิตย์แต่ละวัตต์ ซึ่งน้อยกว่าคู่แข่งรายอื่น เธอกล่าว First Solar กล่าวว่าจะไม่รายงานต้นทุนต่อวัตต์ในการผลิตแผงแคดเมียมเทลลูไรด์อีกต่อไป มีเพียงต้นทุนเท่านั้นที่ "ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ" ตั้งแต่ปี 2558 เมื่อบริษัทรายงานต้นทุน 0.46 ดอลลาร์ต่อวัตต์— และลดลงอย่างต่อเนื่องทุกปี มีเหตุผลบางประการที่ทำให้ซิลิคอนมีราคาถูก วัตถุดิบโพลีซิลิคอนซึ่งใช้ในคอมพิวเตอร์และสมาร์ทโฟนนั้น มีจำหน่ายอย่างแพร่หลายและมีราคาถูกกว่าแคดเมียมและเทลลูไรด์ เนื่องจากโรงงานสำหรับแผงซิลิคอนและส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องได้ขยายขนาดขึ้น ต้นทุนโดยรวมในการผลิตและติดตั้งเทคโนโลยีจึงลดลง รัฐบาลจีนก็มีอย่างหนักเช่นกันได้รับการสนับสนุนและอุดหนุนภาคพลังงานแสงอาทิตย์ซิลิคอนของประเทศ - มากขนาดนั้นประมาณร้อยละ 80ของห่วงโซ่อุปทานการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ของโลกตอนนี้ไหลผ่านประเทศจีน

ต้นทุนแผงที่ลดลงได้ผลักดันให้เกิดความเจริญรุ่งเรืองของพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลก ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา กำลังการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งทั้งหมดของโลกเพิ่มขึ้นเกือบสิบเท่า จากประมาณ 74,000 เมกะวัตต์ในปี 2554 เป็นเกือบ 714,000 เมกะวัตต์ในปี 2563ตามสำนักงานพลังงานทดแทนระหว่างประเทศ สหรัฐอเมริกาคิดเป็นประมาณหนึ่งในเจ็ดของทั้งหมดของโลก และขณะนี้มีแสงอาทิตย์แล้วหนึ่งในแหล่งที่ใหญ่ที่สุดของกำลังการผลิตไฟฟ้าใหม่ที่ติดตั้งในสหรัฐอเมริกาทุกปี

ต้นทุนต่อวัตต์ของแคดเมียมเทลลูไรด์และเทคโนโลยีฟิล์มบางอื่นๆ คาดว่าจะลดลงเช่นเดียวกันเมื่อการผลิตขยายตัว -เฟิร์สโซลาร์กล่าวว่าว่าเมื่อโรงงานแห่งใหม่ในรัฐโอไฮโอเปิดทำการ บริษัทจะส่งมอบต้นทุนต่อวัตต์ต่ำที่สุดในตลาดพลังงานแสงอาทิตย์ทั้งหมด) แต่ต้นทุนไม่ใช่ตัวชี้วัดเดียวที่สำคัญ เนื่องจากปัญหาห่วงโซ่อุปทานในปัจจุบันของอุตสาหกรรมและข้อกังวลด้านแรงงานมีความชัดเจน

Mark Widmar ซีอีโอของ First Solar กล่าวว่าแผนการขยายธุรกิจมูลค่า 680 ล้านดอลลาร์ของบริษัทนั้นเป็นส่วนหนึ่งของความพยายามที่ใหญ่กว่าในการสร้างห่วงโซ่อุปทานแบบพึ่งพาตนเองและ "แยก" อุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ของสหรัฐฯ ออกจากจีน แม้ว่าแผงแคดเมียมเทลลูไรด์จะไม่ใช้โพลีซิลิคอนใดๆ แต่ First Solar ก็รู้สึกถึงความท้าทายอื่นๆ ที่อุตสาหกรรมต้องเผชิญ เช่น งานในมือที่เกิดจากโรคระบาดในอุตสาหกรรมการขนส่งทางทะเล ในเดือนเมษายน First Solar บอกกับนักลงทุนว่าความแออัดที่ท่าเรือของอเมริกาทำให้การขนส่งแผงจากโรงงานในเอเชียต้องหยุดชะงัก การเพิ่มการผลิตในสหรัฐฯ จะทำให้บริษัทสามารถใช้ถนนและทางรถไฟในการขนส่งแผง ไม่ใช่เรือบรรทุกสินค้า Widmar กล่าว และโครงการรีไซเคิลแผงโซลาร์เซลล์ที่มีอยู่ของบริษัทช่วยให้บริษัทสามารถนำวัสดุกลับมาใช้ซ้ำได้หลายครั้ง ซึ่งช่วยลดการพึ่งพาห่วงโซ่อุปทานและวัตถุดิบจากต่างประเทศอีกด้วย

ขณะที่ First Solar เลิกผลิตแผง นักวิทยาศาสตร์ทั้งบริษัทและ NREL ยังคงทดสอบและปรับปรุงเทคโนโลยีแคดเมียมเทลลูไรด์ต่อไป ในปี 2562 พันธมิตรได้พัฒนาแนวทางใหม่ที่เกี่ยวข้องกับการ "เติม" วัสดุฟิล์มบางด้วยทองแดงและคลอรีนเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น เมื่อต้นเดือนที่ผ่านมา NRELประกาศผลของการทดสอบภาคสนามเป็นเวลา 25 ปี ณ สถานที่กลางแจ้งในเมืองโกลเดน รัฐโคโลราโด แผงแคดเมียมเทลลูไรด์จำนวน 12 แผงทำงานที่ 88 เปอร์เซ็นต์ของประสิทธิภาพเดิม ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมสำหรับแผงที่อยู่ข้างนอกมานานกว่าสองทศวรรษ การย่อยสลายนี้ “สอดคล้องกับสิ่งที่ระบบซิลิคอนทำ” ตามการเปิดเผยของ NREL

Mansfield นักวิทยาศาสตร์ NREL กล่าวว่าเป้าหมายไม่ใช่การแทนที่ผลึกซิลิคอนด้วยแคดเมียมเทลลูไรด์ หรือสร้างเทคโนโลยีหนึ่งที่เหนือกว่าเทคโนโลยีอื่น “ฉันคิดว่ามีที่สำหรับพวกเขาทุกคนในตลาด และพวกเขาแต่ละคนก็มีใบสมัครของตัวเอง” เธอกล่าว “เราต้องการให้พลังงานทั้งหมดไปสู่แหล่งพลังงานหมุนเวียน ดังนั้นเราจึงต้องการเทคโนโลยีประเภทต่างๆ เหล่านี้จริงๆ เพื่อตอบสนองความท้าทายดังกล่าว”