โซลาร์เซลล์ เป็นสิ่งประดิษฐ์จากปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เรียกว่าโฟโต้โวลตาอิก (photovoltaic) โดยคำว่า ไฟโต้ (photo) เป็นภาษากรีกแปลว่า แสง ส่วน โวลตาอิก (voltaic) หมายถึง แรงดันไฟฟ้าซึ่งได้มาจากชื่อของ อเลสซานโดร โวลตา (Alessandro Volta) นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี เมื่อเอามารวมกันก็พอตีความได้ว่า ปรากฏการณ์โฟโต้โวลตาอิกคือปรากฏการณ์ที่ทำให้แสงกลายเป็นแรงดันไฟฟ้า

ปรากฏการณ์โฟโต้โวลตาอิกได้รับการค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ.1839โดย อเล็กซานเดร เอ็ดมันต์ เบคคีเรล (Alexandre Edmond Becquerel) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส จึงอาจกล่าวได้ว่า เบคคีเรล คือบิดาของเซลล์รับแสงอาทิตย์ก็ได้ แต่กว่าที่ชื่อของปรากฏการณ์นี้จะได้รับการรับรอง เบคคีเรลต้องรอถึงปี ค.ศ.1849 เลยทีเดียว ทว่าจากแนวคิดนั้นกว่าคนที่สามารถประดิษฐ์เซลล์รับแสงอาทิตย์ชิ้นแรกของโลกขึ้นมาได้โลกนี้ต้องรอถึงปี ค.ศ.1883 นักประดิษฐ์ชาวอเมริกันที่ชื่อ ชาร์ล ฟริตส์(Charles Fritts) ได้นำแนวคิดนี้มาสร้างเซลล์รับแสงอาทิตย์ได้สำเร็จโดยใช้สารกึ่งตัวนำที่ชื่อเซเรเนียมเคลือบลงบนแผ่นทองคำ แต่ประสิทธิภาพที่ได้มีเพียง 1% เท่านั้น เซลล์รับแสงอาทิตย์ของฟริตส์จึงยังต้องอยู่ในห้องทดลองต่อไป

จากนั้นมีนักประดิษฐ์และนักวิทยาศาสตร์อีกหลายต่อหลายคนพยายามต่อยอดแนวคิดและผลงานของเบคคีเรลและฟริตส์ ไม่เว้นแม้แต่อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ จนกระทั่งปี ค.ศ.1954 ทีมงานผู้สามารถจากเบล แลบ(Bell Lab) สหรัฐอเมริกาอันประกอบด้วยเจอรัลด์ แอล เฟียร์สัน (Gerald L. Pearson) แดรีล เอ็ม แชปิน (Daryl M.Chapin) และกัลวิน เอส ฟลูเลอร์ (Calvin S. Fuller) ได้ค้นพบการนำลิเธียม-ซิลิกอนเข้ามาเป็นส่วนประกอบสำคัญในการสร้างเซลล์รับแสงอาทิตย์ ทำให้สามารถสร้างเซลล์รับแสงอาทิตย์ได้สำเร็จ โดยมีประสิทธิภาพ 6% โดยความสำเร็จในครั้งนั้นได้รับการประกาศให้โลกรู้ด้วยฝีมือของนิวยอร์กไทม์หนังสือพิมพ์ยักษ์ใหญ่ของอเมริกันชนนั่นเอง ต่อมาทีมงานได้จดสิทธิบัตรของผลงานนี้ในปี ค.ศ.1957 และในปีเดียวกันนั้นเองฮอฟพ์แมนอิเล็กทรอนิกส์สามารถผลิตเซลล์รับแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพ 8% ได้เป็นผลสำเร็จ และก็เป็นของฮอฟพ์แมนอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถผลิตเซลล์รับแสงอาทิตย์ออกจำหน่ายในเชิงพาณิชย์เป็นเจ้าแรกด้วยในปี ค.ศ.1959นับจากนั้นได้มีการต่อยอดและพัฒนาเซลล์รับแสงอาทิตย์มาอย่างต่อเนื่องจนถึงทุกวันนี้ มีผู้ผลิตเซลล์รับแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงถึงกว่า 40% แล้ว แต่ราคายังสูงอยู่มากและเป็นการใช้งานในกิจการอวกาศเป็นหลักสำหรับเชิงพาณิชย์แล้วเซลล์รับแสงอาทิตย์ที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในปัจจุบันนี้มีประสิทธิภาพประมาณ 15%

ปัจจุบันโซลาร์เซลล์ก็คือ เครื่องชาร์จแบตเตอรี่นั่นเอง โดยใช้แผงโซลาร์เซลล์แปลงพลังงานจากแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าแล้วนำไปใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ถ้าเหลือจากการใช้ก็สามารถเก็บสะสมไว้ในแบตเตอรี่เพื่อไว้ใช้ในยามที่ต้องการได้ แผงโซลาร์เซลล์ที่มีวัตต์สูงสามารถชาร์จได้เร็ว วัตต์ต่ำชาร์จได้ช้า โดยใช้แสงอาทิตย์เป็นตัวกำเนิดพลังงานไฟฟ้าชาร์จเก็บไว้ในแบตเตอรี่ เราสามารถใช้งานได้ทั้งกลางวันและกลางคืน โดยไฟฟ้าจากโซลาร์เซลล์เป็นไฟ DC 12V. และถ้าต้องการไฟ AC 220V. (ไฟบ้าน) เราเพียงใช้ตัวแปลงไฟฟ้าแปลงไฟจากแบตเตอรี่ เท่านี้เราก็มีไฟฟ้า 220 โวลต์ไว้ใช้ได้ฟรีนานกว่า 25 ปีทีเดียว

การเลือกใช้กับคำถามยอดฮิต

1.แล้วบ้านเราควรเลือกขนาดเท่าไหร่จึงเหมาะสม คำตอบคือ ไม่แน่ เพราะแต่ละบ้านใช้ไฟฟ้าไม่เหมือนกัน บางบ้านก็ใช้มาก บางบ้านก็ใช้น้อย ในการคิดว่าควรใช้โซลาร์เซลล์รุ่นไหน หลักคือ ต้องคำนึงถึงเครื่องใช้ไฟฟ้าของเราว่าใน 1 วันบ้านของเราต้องใช้พลังงานเท่าไร เช่น หลอดตะเกียบขนาด 10 วัตต์ ก็แสดงว่า ถ้าเปิดไฟดวงนี้ 10 ชั่วโมงก็จะใช้พลังงานไฟฟ้า 10 วัตต์x10 ชั่วโมง เท่ากับ 100 วัตต์-ชั่วโมง เครื่องใช้ไฟฟ้าอื่นๆ ก็คำนวณเช่นเดียวกัน รวมทั้งหมดแล้วได้เท่าไร
เราก็มาหาจำนวนแผงโซลาร์เซลล์ที่ต้องติดตั้ง ยกตัวอย่างเช่น ถ้าใช้แผงขนาด 120 วัตต์ หมายความว่าถ้าใช้แผงนี้วางไว้กลางแดด 1 ชั่วโมงก็จะได้ไฟสูงสุด 120 วัตต์-ชั่วโมง ถ้าวางไว้กลางแดด 10 ชั่วโมง ก็จะได้ไฟฟ้า 1,200 วัตต์-ชั่วโมง เป็นต้น แต่ในความจริงแสงแดดเต็มที่ใน 1 วัน มีเพียง 6-8 ชั่วโมงเท่านั้น เราก็จะได้วัตต์-ชั่วโมง โดยประมาณ ทีนี้จะมีปัญหาบางอย่างที่มักจะถูกมองข้ามคือ กรณีเราใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าประเภท AC (ไฟบ้าน) เราต้องใช้อินเวอร์เตอร์แปลงไฟก่อนนำไปใช้ ซึ่งการแปลงไฟนี้เราจะสูญเสียไฟไปค่อนข้างมากคือประมาณ 10-40% ดังนั้นเวลาคำนวณเราก็ต้องคำนวณเผื่อการสูญเสียอินเวอร์เตอร์ด้วย แต่ถ้าเราใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าประเภท DC เราสามารถใช้งานต่อตรงจากแบตเตอรี่ได้เลยทำให้ประหยัดไฟได้มาก จึงมีชั่วโมงการใช้ไฟที่มากกว่า

2.ไฟฟ้าที่ผลิตได้เอาไปใช้กับเครื่องปรับอากาศ ตู้เย็นปั๊มน้ำ ฯลฯ ได้ไหม จริงๆ แล้วสามารถนำไปใช้ได้ แต่ด้วยราคาอุปกรณ์โซลาร์เซลล์ในปัจจุบันเรียกว่ายังไม่คุ้มกับการนำไปใช้กับอุปกรณ์ที่กินพลังงานไฟฟ้ามากๆ อย่าง เครื่องปรับอากาศ หม้อหุงข้าว ตู้เย็นปั๊มน้ำ เพราะต้องติดตั้งแผงจำนวนมาก ทำให้มีค่าใช้จ่ายที่สูงมากยกตัวอย่างเครื่องปรับอากาศ 1 ตัว กินไฟประมาณ 1,000 วัตต์ ถ้าเปิดแค่วันละ 8 ชั่วโมง ก็ต้องใช้พลังงาน 8,000 วัตต์-ชั่วโมง ถ้าใช้แผงโซลาร์ขนาด 120 วัตต์ สร้างไฟเพื่อจ่ายเครื่องปรับอากาศตัวนี้อย่างเดียวขั้นต่ำก็ต้องใช้ถึง 7 แผงแล้ว (กรณีที่มีแสงแดดแต่ถ้าใช้ตอนที่ไม่มีแสงแดดหรือใช้ตอนกลางคืนเราจะต้องชาร์จไฟไว้ในแบตเตอรี่ประมาณ 12,000 วัตต์-ชั่วโมง) เอาเป็นว่าเราควรเลือกใช้ให้เหมาะสมกับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานไม่มาก เช่น หลอดไฟฟ้าส่องสว่าง ทีวี. เครื่องชาร์จโทรศัพท์ คอมพิวเตอร์ อย่างนี้จะดีกว่า แค่ติดแผงเดียวก็มีไฟให้ใช้ได้พอสมควรทีเดียว อย่างน้อยก็ช่วยลดการใช้พลังงานจากธรรมชาติที่นับวันจะหมดไปเรื่อยๆ ไม่ว่า ป่าไม้ ถ่านหิน หรือน้ำมัน เป็นการช่วยลดภาวะโลกร้อนทางตรงอย่างหนึ่งดีกว่า แต่สำหรับบ้านที่มีกระแสไฟฟ้าอยู่แล้วสามารถนำพลังงานไฟฟ้าที่ได้จากโซลาร์เซลล์ถึงแม้จะมีขนาดเล็กก็สามารถนำไปใช้กับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานมากๆ เช่น เครื่องปรับอากาศได้โดยต้องติดตั้งอุปกรณ์แปลงไฟเข้าสายส่ง

3.ฝนตก ท้องฟ้ามืดครึ้มจะมีไฟฟ้าใช้หรือไม่ ปกติเมื่อใดก็ตามที่พระอาทิตย์โผล่พ้นขอบฟ้า เรามองเห็นแสงสว่างเมื่อนั้นแผง
โซลาร์เซลล์ก็จะเริ่มเปลี่ยนประจุอิเล็กตรอนที่มากระทบแผงให้เป็นพลังงานไฟฟ้า แต่ปริมาณประจุที่ได้จะมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของแสงสว่าง ยิ่งแสงสว่างมากประจุไฟฟ้าที่ได้ก็มากตาม ดังนั้นถึงแม้ท้องฟ้าจะมืดสลัว แต่ตราบใดที่เราเห็นแสงสว่าง แผงโซลาร์เซลล์ก็จะสร้างประจุไฟฟ้าแต่จะได้มากหรือน้อยอีกเรื่องหนึ่ง ดังนั้นในวันที่ฝนตกหนักปริมาณไฟฟ้าที่ได้ก็จะลดลงไปด้วย

ข้อสังเกต เรื่องชั่วโมงการใช้ไฟฟ้าเพราะเราไม่ค่อยคำนึงถึงคือ การแปลงไฟจากไฟ DC เป็น AC หรือไฟแบตเตอรี่เป็นไฟบ้านผ่านอินเวอร์เตอร์จะมีการสูญเสียไฟไปด้วยส่วนหนึ่ง ปกติประมาณ 10-40% ดังนั้นถ้าเราสามารถเลี่ยงไปหาอุปกรณ์ไฟฟ้าประเภท DC ได้ก็ควรทำ เพราะประหยัดทั้งเงินและไฟมากกว่า

สมศักดิ์ เปรมประสงค์

ฝ่ายวิศวกรรม

สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศไทย (วว.)