ประวัติย่อของการ “แปลงแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้า” หรือที่เรียกกันว่า “โซล่าร์เซลล์”
- tanachaiv
- 2 วันที่ผ่านมา
- ยาว 2 นาที
พลังงานแสงอาทิตย์ก่อนมีโซล่าร์เซลล์
ทุกวันนี้เวลาพูดถึง "พลังงานแสงอาทิตย์" คนมักจะนึกถึงเทคโนโลยี Photovoltaic (PV) หรือที่รู้จักกันในนาม "โซล่าร์เซลล์" ซึ่งก็คือเทคโนโลยีการแปลงแสงอาทิตย์เป็นประแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นประโยชน์ใช้สอยทางเทคโนโลยีหลักในปัจจุบัน
อย่างไรก็ดี ก่อนที่เราจะมาถึงจุดนี้ เราอยากทบทวนก่อนว่ามนุษย์เก็บเกี่ยวพลังแสงอาทิตย์มาใช้ทำอะไรบ้างก่อนหน้านั้น
ถ้าไม่นับการเก็บเกี่ยวแสงอาทิตย์ทางอ้อมจากพืชผ่านการทำการเกษตร ประโยชน์ใช้สอยหลักของแสงอาทิตย์ในยุคโบราณคือการให้ความร้อน และเทคโนโลยีโบราณเกี่ยวกับแสงอาทิตย์มักจะเป็นเทคโนโลยีในการสร้างความร้อนหรือความอบอุ่น ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในเมืองหนาว โดยระบบพวกนี้มักจะใช้เทคนิคในการรวบรวมแสงอาทิตย์ไว้ตรงจุดเดียว ผ่านเทคโนโลยีที่มีมาแต่ยุคโบราณอย่างกระจกเงาและแว่นขยาย
ซึ่งการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีพวกนี้ในสเกลใหญ่ มันก็ไม่ได้มีแค่อาวุธในตำนานของอาร์คีมีดีสอย่าง "ลำแสงมรณะ" (Death Ray) เท่านั้น แต่จริงๆ มันเป็นเทคโนโลยีที่ใช้ในปัจจุบัน ที่จีนทุกวันนี้ก็ยังมีการทำระบบให้ความร้อนในอาคารผ่านการเก็บความร้อนจากแสงอาทิตย์และส่งผ่านระบบน้ำไปให้ความอบอุ่นในอาคาร และถ้าจะเป็นระบบไฟฟ้าทุกวันนี้โรงไฟฟ้า "พลังความร้อน" จากแสงอาทิตย์อย่าง Crescent Dunes Solar Energy Project ก็ยังทำการอยู่ที่รัฐเนวาดา สหรัฐอเมริกา
ประเด็นตรงนี้ก็คือ เวลาพูดถึง "พลังงานแสงอาทิตย์" เอาจริงๆ มันกว้าง และมนุษย์ตั้งแต่ยุคโบราณมีความคิดในการเอาแสงอาทิตย์มาใช้งานในรูปแบบ "พลังงานความร้อน" มาโดยตลอด และก็ถึงขั้นประยุกต์เทคนิคเอามาสร้างโรงไฟฟ้าได้ด้วยซ้ำ
ในอดีตถ้าไม่นับการแปลงแสงอาทิตย์เป็นระบบความร้อนในอาคารประเทศเมืองหนาวแล้ว มันแทบไม่มีการใช้พลังแสงอาทิตย์แบบอื่นที่มีประสิทธิภาพเลยในอดีต ด้วยเหตุผลว่าในอดีตมนุษย์ไม่ได้มีการสร้างเครื่องจักรที่ใช้พลังงานความร้อนด้วยซ้ำ ยังไม่ต้องพูดถึงไฟฟ้า
จุดเปลี่ยนคือการเริ่มใช้ไฟฟ้าในศตวรรษที่ 19 ซึ่งในที่สุดมันได้เปลี่ยนอารยธรรมมนุษย์วางอยู่บนพื้นฐานของพลังงานไฟฟ้าเป็นหลักมาจนถึงปัจจุบัน และนี่เลยทำให้เทคโนโลยี Photovoltaic หรือเทคโนโลยีแปลงแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงเลยเป็นเทคโนโลยีที่เพิ่งเกิดขึ้นหลังจากที่มนุษย์ใช้พลังงานหลักเป็นไฟฟ้า
พัฒนาการของ "โซล่าร์เซลล์"
จริงๆแล้ว เหล่านักเคมีค้นพบสสารต่างๆ ที่มีคุณสมบัติเปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นกระแสไฟฟ้าโดยบังเอิญมาตลอดศตวรรษที่ 19 แต่ในยุคนั้น การค้นพบนี้ก็ไม่ได้นำไปสู่อะไร เพราะมนุษย์ไม่ได้ใช้ไฟฟ้า เครื่องใช้ไฟฟ้าตามบ้านเรือนยังไม่เกิด และก็ต้องรอศตวรรษที่ 20 โน่นแหละ มนุษย์ถึงจะรู้จัก "ใช้ไฟฟ้า" กันแพร่หลาย และทำให้มนุษย์มีแรงจูงใจในการค้นคว้าเทคโนโลยีใหม่ๆ ในการสร้างพลังงานไฟฟ้าซึ่งเป็นที่ต้องการขึ้นเรื่อยๆ
อย่างไรก็ดี แม้ว่าอารยธรรมบนฐานของการใช้ไฟฟ้าจะเกิดแล้วในตอนต้นศตวรรษที่ 20 แต่ตลอดครึ่งแรกศตวรรษที่ 20 วัสดุที่ใช้ทำโซล่าร์เซลล์นั้นมีความสามารถในการแปลงแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าได้ต่ำมาก มันจึงเป็นเทคโนโลยีที่ถือว่ายังเอามาใช้ไม่ได้จริง และประเด็นการแปลงแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าถือเป็นบทสนทนาที่อยู่ในหมู่นักวิจัยเท่านั้น โดยแผงโซล่าร์เซลล์อันแรกของโลกในทศวรรษ 1930 มันก็ไม่ได้มีประโยชน์ใช้สอยใดๆ นอกจากพิสูจน์ว่ามนุษย์สามารถสร้างอุปกรณ์เปลี่ยนแสงอาทิตย์ไปเป็นกระแสไฟฟ้าได้จริง ด้วยเหตุผลว่ามันมี "ประสิทธิภาพ" (efficiency) ในการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าได้ต่ำมาก
จุดเปลี่ยนคือปี 1954 ที่ทาง Bell Telephone Lab ได้พัฒนาแผ่นโซล่าร์เซลล์ที่ทำจากซิลิคอนซึ่งไม่เคยมีใครทำมาก่อน ผลคือโซล่าเซลล์ที่ใช้ซิลิคอนมีประสิทธิภาพการแปลงเพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าสูงถึง 6% ซึ่งเป็นการ "ปฏิวัติ" เทคโนโลยี "โซล่าร์เซลล์" ในยุคนั้น เนื่องจากเป็นพัฒนาการแบบก้าวกระโดด เพราะมันเพิ่มอัตราการแปลงพลังงานสูงกว่าเทคโนโลยีก่อนหน้าประมาณ 10 เท่าตัว
นี่เป็นครั้งแรกที่อัตราการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ทำได้เกิน 1% และมันทำให้พลังงานที่แปลงมาสูงพอที่จะให้พลังงานกับเครื่องใช้ไฟฟ้าได้ แต่เทคโนโลยียุคนั้น ต้นทุนการผลิตไฟฟ้าด้วยโซล่าร์เซลล์ยังสูงกว่าการผลิตไฟฟ้าแบบอื่นๆ และแผงโซล่าเซลล์ยังใหญ่มากๆ มันเลยไม่ได้ถูกใช้กันทั่วไป แต่ก็ดันพอดีกับที่ช่วงนั้นชาติมหาอำนาจแข่งกันบุกเบิกอวกาศ เลยทำให้สิ่งแรกๆ ที่ได้ใช้เทคโนโลยีโซล่าร์เซลล์คือดาวเทียม เพราะแม้ว่าเทคโนโลยีโซล่าร์เซลล์ในตอนนั้นจะประสิทธิภาพยังไม่สูงมาก แต่มันก็เป็นเทคโนโลยีที่ดีที่สุดที่จะสร้างกระแสไฟฟ้าให้ดาวเทียมใช้นอกโลก เพื่อส่งข้อมูลกลับมายังโลก
หลังจากนั้นจุดเปลี่ยนสำคัญอีกจุดคือทศวรรษ 1970 หลังเกิดวิกฤติราคาน้ำมัน ทำให้ชาติต่างๆ เริ่มสนใจหาแหล่งพลังงานทางเลือก และเริ่มลงทุนเพื่อวิจัยก้อนใหญ่อีกครั้ง และผลที่สำคัญก็คือมันได้พัฒนาเทคโนโลยีลดขนาดแผ่นโซล่าร์เซลล์ลงมาให้มีขนาดเล็กลง และสามารถเอาไปติดกับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่กระแสไฟฟ้าต่ำได้ เช่นเครื่องคิดเลขที่มีแผงโซล่าร์เซลล์ติด ที่โผล่มาในทศวรรษ 1980
จีนกับการทำให้โซล่าร์เซลล์เป็นสินค้ามวลชน
ย้อนไปในทศวรรษ 1990 มนุษย์เริ่มตระหนักถึงปัญหา "โลกร้อน" อย่างจริงจัง เริ่มมีข้อตกลงเรื่องการลดอุณหภูมิโลก และชาติมหาอำนาจต่างๆ ก็เริ่มพัฒนาเทคโนโลยีมาเพื่อตอบโจทย์การลดอุณหภูมิโลก ซึ่งรวมๆ มันก็คือการพัฒนาเทคโนโลยีจำพวก "พลังงานหมุนเวียน" ที่เรารู้จักกันในปัจจุบัน ดังนั้นงบประมาณด้านการวิจัยและการติดตั้งโซล่าร์ล์เซลล์จึงสะพัดมาก
ในยุคนี้ มี 3 ชาติที่จริงจังกับการใช้พลังงานแสงอาทิตย์เพื่อผลิตไฟฟ้า คือ 3 ชาติที่ระบบเศรษฐกิจใหญ่ที่สุดของทวีปอเมริกา ยุโรป และเอเชีย ซึ่งก็คือสหรัฐอเมริกา เยอรมนี และญี่ปุ่น โดยในตอนแรกทั้ง 3 ชาติก็ลงทุนแข่งกันผลิตแผ่นโซล่าร์เซลล์ พร้อมทั้งติดตั้งกันจริงจังมากๆ ตลอดทศวรรษ 1990
จังหวะนั้นจีน "เปิดประเทศ" พอดี และจีนก็เร่ิมรับจ้างผลิตสินค้าเพื่อส่งออกไปทั่วโลก ไม่ว่าจะธรรมดาหรือไฮเทค และเมื่อทางเยอรมนีก็ต้องการใช้แผ่นโซล่าร์เซลล์มากกว่าที่ตนผลิตได้ ก็เลยจ้างจีนผลิตมาเสริม หรือพูดง่ายๆ ก็คือ จีนอาจไม่ได้สนใจเทคโนโลยีนี้แต่แรก แต่มาสนใจผลิตเพราะมีออร์เดอร์จากเยอรมนี
ดังที่เราได้เห็นภายหลัง จีนเป็นเจ้าแห่งอุตสาหกรรมและกระบวนการผลิตที่รัฐสนับสนุนจนเป็น "โรงงานของโลก" มาจนถึงปัจจุบัน และสิ่งเดียวกันนี้ก็เกิดกับโซล่าร์เซลล์
หลังจากได้รับออร์เดอร์จากเยอรมนี จีนก็เริ่มผลิตโซล่าร์เซลล์ และก็พัฒนากระบวนการผลิตโซล่าร์เซลล์ให้มีประสิทธิภาพขึ้นได้รวดเร็ว สุดท้ายคือจีนใช้เวลาไม่กี่ปีก็ผลิตโซล่าร์เซลล์ได้ในต้นทุนที่ถูกกว่าชาติอื่นๆ ได้ ไม่ว่าจะเยอรมนี ญี่ปุ่น หรือสหรัฐอเมริกา โดยหมุดหมายสำคัญที่ทำให้ชาติต่างๆ ค่อยๆ ยอมแพ้เลิกผลิตกันไปหมด ก็คือเรื่องราคานี่แหละ
ช่วงครึ่งหลังทศวรรษ 2000 จีนสามารถทำให้ราคาแผงโซล่าร์เซลล์ลดลงมาราว 60% ในเวลาประมาณ 5 ปี และกระบวนการนี้เกิดขึ้นต่อเนื่องไม่หยุด โดยจีนทำให้ราคาแผงโซล่าร์เซลล์นั้น ลดลงต่อเนื่องถึง 90% ในรอบราว 10 ปีตลอดทศวรรษ 2010
และนั่นทำให้ตลอดทศวรรษ 2010 มาจนถึงในปัจจุบัน ไม่มีชาติใดสู้จีนได้อีกแล้วในด้านต้นทุนการผลิตแผงโซล่าร์เซลล์ และส่ิงสำคัญที่จีนทำก็คือ จีนไม่ได้เพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแผงโซล่าร์เซลล์ขึ้นมาเท่าไร เทคโนโลยีการผลิตของจีนยังเป็นเทคโนโลยีซิลิคอนเหมือนยุคก่อน แต่จีนพัฒนากระบวนการผลิตให้ต้นทุนต่ำลงระดับเป็นหลายเท่าตัวอย่างต่อเนื่อง จนในที่สุด ถ้าคิดแบบต้นทุนการผลิตไฟฟ้าต่อวัตต์ ทุกวันนี้ ไม่มีการผลิตไฟฟ้าแบบใดที่จะมีราคาถูกกว่าการผลิตไฟฟ้าด้วยแผงโซล่าร์เซลล์จากจีนอีกแล้ว ซึ่งว่ากันตรงๆ คือทุกวันนี้กระบวนการผลิตน่าจะไปเกือบสุดทางแล้ว ราคามันลดลงไปกว่านี้ไม่ได้อย่างมีนัยสำคัญแล้วด้วยกระบวนการผลิต และคำถามที่น่าสนใจก็คือ ต่อจากนี้ต้นทุนการแปลงแสงอาทิตย์เป็นไปจะถูกลงไปได้อีกหรือไม่? คำตอบอาจอยู่ที่เทคโนโลยีใหม่ที่จะแปลงแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพขึ้น
"เปรอฟสไกต์" กับความหวังเพิ่มประสิทธิภาพจาก 25% เป็น 35%
ในปัจจุบัน เรามาเกือบถึงเพดานของประสิทธิภาพในการแปลงแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าวางบนฐานของเทคโนโลยีซิลิคอนที่เริ่มเมื่อ 70 ปีก่อนที่ Bell Telephone Lab ในทางทฤษฎีเพดานของประสิทธิภาพการแปลงแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าของเทคโนโลยีนี้เต็มที่ไม่เกิน 30% ซึ่งอธิบายง่ายๆ คือมันเป็นเพราะคุณสมบัติทางเคมีของซิลิคอนนั้นสามารถแปลงสเปคตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของแสงอาทิตย์ให้เป็นกระแสไฟฟ้าได้จำกัด โดยทุกวันนี้เพดานของประสิทธิภาพของแผ่นโซล่าร์เซลล์คุณภาพดีที่ขายกันก็จะอยู่ที่ประมาณ 25% ซึ่งถือว่าใกล้เพดาน 30% มากแล้ว
พูดง่ายๆ ก็คือ ถ้าเรายังใช้เทคโนโลยีซิลิคอนต่อไป ประสิทธิภาพการแปลงแสงอาทิตย์ก็จะไม่ได้เพิ่มจากตอนนี้เท่าไร นี่เลยทำให้มีนักวิจัยเริ่มทำการวิจัยหาวัสดุอื่นๆ ที่มีความสามารถในการแปลงแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพกว่าซิลิคอน และที่สำคัญคือมีราคาถูกเหมาะแก่การผลิตจำนวนมาก
เงื่อนไขด้าน "ต้นทุน" นั้นสำคัญมาก เพราะจริงๆ นักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนาแผ่นโซล่าร์เซลล์ ที่มีประสิทธิภาพ 47.6% ได้แล้ว ผ่านการใช้วัสดุหลายชนิดที่มีปฏิกิริยากับสเปคตรัมแสงอาทิตย์ต่างๆ กันผสมกัน แบบพยายามจะเก็บทุกสเปคตรัม ด้วยทุกวัสดุที่มีคุณสมบัติแปลงแสงอาทิตย์เป็นกระแสไฟฟ้าทุกอย่างที่มนุษยรู้จัก ถึงแม้ทำได้ขนาดนั้น แต่ในทางปฏิบัติแล้ว หากเทคโนโลยีแบบนี้จะเอามาใช้จริง เราจะพบว่าการจะผลิตแผ่นโซล่าร์เซลล์ให้มีประสิทธิภาพระดับนี้มันมีต้นทุนการผลิตสูงมาก ไม่มีทางจะสู้กับเทคโนโลยีซิลิคอนได้
นี่เลยทำให้ความหวังปัจจุบันอยู่ที่วัสดุที่เรียกว่า "เปรอฟสไกต์" (perovskite) ที่มีราคาถูกกว่าซิลิคอน และใช้โดดๆ คือมีประสิทธิภาพในการแปลงแสงอาทิตย์เป็นกระแสไฟฟ้าประมาณ 25% ซึ่งคือพอๆ กับซิลิคอน แต่ถ้าเอามาผสมกับซิลิคอนคือจะมีประสิทธิภาพสูงขึ้นจนอาจไปถึง 35% เพราะสองวัสดุมันทำงานเสริมกัน กล่าวคือทั้งสองวัสดุสามารถผลิตไฟฟ้าย่านสเปคตรัมแสงที่ต่างกัน
ปัญหาคือเปรอฟสไกต์ยังเป็นวัสดุที่ต้องวิจัยเพื่อความเข้าใจเพิ่มอีกมากเพื่อ "สเถียรภาพ" ในการทำงานจริง มันต้องศึกษาเพื่อให้เข้าใจว่ามันต้องไปผสมกับอะไรเพื่อที่จะทำงานต่อเนื่องหลายๆ ชั่วโมงได้ ยังต้องศึกษาผลของอุณหภูมิของแผงรวมถึงความชื้นต่อการทำงาน รวมถึงตอบคำถามพื้นๆ อย่างอายุการใช้งานผลิตภัณฑ์ ซึ่งนี่เลยทำให้ซิลิคอนที่เป็นเทคโนโลยีซึ่งพัฒนามากว่า 70 ปีจน "เสถียร" ยังมีความได้เปรียบกว่าในทุกด้าน
สำหรับฝั่งนักวิจัย เทคโนโลยีโซล่าร์เซลล์ยังไม่พบทางตัน ไอเดียปัจจุบันไม่ใช่การทิ้งซิลิคอน ที่ใช้มา 70 ปี แต่คือการเพิ่มชั้นของวัสดุที่สามารถผลิตไฟฟ้าพลังแสงอาทิตย์จากสเปตตรัมแสงที่ต่างไปเพื่อเสริมการทำงานของซิลิคอน โดยวัสดุนั้นต้องมีต้นทุนการผลิตที่ต่ำพอที่จะนำมาผลิตแผงโซล่าร์เซลล์ในวงกว้างได้จริง โดยปัจจุบันวัสดุที่ว่าคือเปรอฟสไกต์ และในอนาคตก็อาจมีวัสดุอื่นที่ทำให้ประสิทธิภาพมากกว่านี้ก็ได้
มองจากปัจจุบัน หากนักวิจัยสามารถทำให้เปรอฟสไกต์เสถียรขึ้น และถ้าสมมติคุมต้นทุนได้ สิ่งที่จะเกิดตามมาคือแผ่นโซล่าร์เซลล์ทุกวันนี้ประสิทธิภาพในการแปลงแสงเป็นไฟฟ้าจะเด้งจากประมาณ 25% เป็น 35% ทันที และนั่นคือหมายความว่า เราจ่ายเงินค่าแผ่นโซล่าร์เซลล์เท่าเดิม แต่จะผลิตไฟฟ้าได้มากถึง 40%
เรื่องที่อาจตลกร้ายในความเป็นจริง สำหรับคนทั่วไป หรือภาคเอกชนที่จะทำ "โซล่าร์รูฟท็อป" การเกิดขึ้นของแผงโซล่าร์เซลล์ การผลิตไฟฟ้าได้มากขึ้นอาจไม่ได้มีประโยชน์อะไรอย่างมีนัยสำคัญ เพราะปัจจุบันลำพังแผ่นโซล่าร์เซลล์ที่ติดแบบ "โซล่าร์รูฟท็อป" ที่ประสิทธิภาพ 25% มันก็เพียงพอต่อการใช้ไฟฟ้าแล้ว หรือพูดง่ายๆ ตัวเลขประสิทธิภาพ 25% ในปัจจุบัน มัน "มหัศจรรย์" เพราะว่ามันทำให้ "พื้นที่" การติดตั้ง "โซล่าร์เซลล์" ระดับพอเพียงต่อการใช้ในบ้านเรือนหรือกระทั่งโรงงานนั้น มัน "พอดี" ตามขนาดหลังคา
กล่าวคือประสิทธิภาพ 25% มันสูงพอที่จะใช้ "พื้นที่เล็กๆ" อย่างหลังคาผลิตกระแฟไฟฟ้ามาใช้ในอาคารทั้งอาคารแล้ว ดังนั้นการเพิ่มประสิทธิภาพจาก 25% ไปที่ 35% เต็มที่คืออาจลดพื้นที่ติดตั้งลงนิดหน่อย และอาจลดต้นทุนลงนิดหน่อย เพราะ ใช้ "แผ่นโซล่าร์เซลล์" ลดลง
แต่ประเด็นคือ "แผ่นโซล่าร์เซลล์" ก็เป็นเพียงแต่ส่วนหนึ่งของ "ระบบไฟฟ้าโซล่าร์เซลล์" ทั้งระบบซึ่งต้นทุนที่สำคัญอีกสองส่วนคือ "อินเวอร์เตอร์" และ "แบตเตอรี่" โดยถ้าแผ่นโซล่าร์เซลล์ราคาลดลง แต่อินเวอร์เตอร์และแบตเตอรี่ราคาไม่ลง ต้นทุนการติดตั้งระบบโซล่าร์เซลล์ในภาพรวมก็อาจไม่ลดลงเท่าไร และนี่เรายังไม่ต้องพูดถึงต้นทุนที่ระยะยาวอาจสูงขึ้นตามสภาวะเงินเฟ้ออย่างต้นทุนด้านค่าแรง รวมถึงพวกสายไฟฟ้าและอุปกรณ์ติดตั้งต่างๆ
และนี่ก็เลยนำมาสู่คำถามเกี่ยวเนื่องว่า แล้ว "อินเวอร์เตอร์" และ "แบตเตอรี่" ที่ใช้กับระบบโซล่าร์เซลล์จะราคาลงไปได้อีกแค่ไหน? อย่างไรก็ดี นี่ไม่ใช่สิ่งที่จะสามารถตอบได้อย่างเหมาะสมในโอกาสนี้ เพราะทั้งสองเทคโนโลยีนั้นล้วนมีประวัติศาสตร์ทางเทคโนโลยีและพลวัตทางเศรษฐกิจของตัวมันเอง ที่อาจเล่าในโอกาสต่อไป
อ้างอิง:
-------
-----
---
--
--
--
--
ความคิดเห็น