โฟโตโวลตาอิกส์ ( PV )คือการแปลงแสงเป็นไฟฟ้าโดยใช้วัสดุกึ่งตัวนำที่แสดงปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก ซึ่ง เป็นปรากฏการณ์ที่ศึกษาในสาขาฟิสิกส์เคมีแสงและเคมีไฟฟ้าปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิกถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์สำหรับการผลิตไฟฟ้าและเป็นเซ็นเซอร์แสง

ระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงาน แสงอาทิตย์ ใช้แผงโซลาร์เซลล์ ซึ่งแต่ละแผงประกอบด้วย เซลล์แสงอาทิตย์จำนวนหนึ่งเพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้า การติดตั้งระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์อาจติดตั้งบนพื้นดิน บนหลังคา บนผนัง หรือแบบลอยน้ำ ตัวยึดอาจเป็นแบบตายตัวหรือใช้ตัวติดตามแสงอาทิตย์เพื่อติดตามดวงอาทิตย์บนท้องฟ้า

เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ช่วยบรรเทาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเนื่องจากปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ น้อย กว่าเชื้อเพลิงฟอสซิล มาก เซลล์แสงอาทิตย์มีข้อดีเฉพาะในฐานะแหล่งพลังงาน: เมื่อติดตั้งแล้ว การทำงานจะไม่ก่อให้เกิดมลพิษหรือการปล่อยก๊าซเรือนกระจก ใดๆ แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการปรับขนาดตามความต้องการพลังงาน และซิลิคอนมีอยู่มากมายในเปลือกโลก แม้ว่าวัสดุอื่นๆ ที่จำเป็นในการผลิตระบบเซลล์แสงอาทิตย์ เช่น เงิน อาจจำกัดการเติบโตของเทคโนโลยีต่อไป ข้อจำกัดสำคัญอื่นๆ ที่ระบุไว้ ได้แก่ การแข่งขันด้านการใช้ที่ดิน^{[ 1 ]}การใช้เซลล์แสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานหลักต้องใช้ระบบจัดเก็บพลังงาน หรือการกระจายทั่วโลกโดยสายส่งไฟฟ้า กระแสตรงแรงสูงซึ่งก่อให้เกิดต้นทุนเพิ่มเติม และยังมีข้อเสียเฉพาะอื่นๆ อีกหลายประการ เช่น การผลิตพลังงานที่ผันแปรซึ่งต้องได้รับการปรับสมดุล การผลิตและการติดตั้งก่อให้เกิดมลพิษและการปล่อยก๊าซเรือนกระจก บ้าง แต่เป็นเพียงเศษเสี้ยวของการปล่อยก๊าซที่เกิดจากเชื้อเพลิงฟอสซิล^{[ 2 ]}

ระบบเซลล์แสงอาทิตย์ถูกนำมาใช้ในแอปพลิเคชันเฉพาะทางมานานแล้ว ทั้งในรูปแบบการติดตั้งแบบแยกเดี่ยว และระบบเซลล์แสงอาทิตย์ที่เชื่อมต่อกับโครงข่าย ไฟฟ้า ก็เริ่มใช้กันมาตั้งแต่ทศวรรษ 1990 ^{[ 3 ]}โมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ถูกผลิตในปริมาณมากเป็นครั้งแรกในปี 2000 เมื่อรัฐบาลเยอรมนีให้ทุนสนับสนุนโครงการติดตั้งบนหลังคา 100,000 หลัง^{[ 4 ]}ต้นทุนที่ลดลงทำให้เซลล์แสงอาทิตย์เติบโตขึ้นในฐานะแหล่งพลังงาน ซึ่งส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากการลงทุนมหาศาลของรัฐบาลจีนในการพัฒนาศักยภาพการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ตั้งแต่ปี 2000 และการบรรลุ ผลประโยชน์ จากขนาดเศรษฐกิจการปรับปรุงเทคโนโลยีการผลิตและประสิทธิภาพยังนำไปสู่ต้นทุนที่ลดลงอีกด้วย^{[ 5 ] [ 6 ]}การวัดค่าสุทธิและแรงจูงใจทางการเงิน เช่นอัตราค่าไฟฟ้า แบบพิเศษ สำหรับไฟฟ้าที่ผลิตจากพลังงานแสงอาทิตย์ ได้สนับสนุนการติดตั้งเซลล์แสงอาทิตย์ในหลายประเทศ^{[ 7 ]}ราคาแผงลดลงถึง 4 เท่าระหว่างปี 2004 ถึง 2011 ราคาโมดูลลดลงประมาณ 90% ในช่วงทศวรรษ 2010

ในปี 2022 กำลังการผลิตไฟฟ้าจาก พลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งทั่วโลกเพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 1 เทราวัตต์ (TW) ซึ่งครอบคลุมเกือบสองเปอร์เซ็นต์ของความต้องการไฟฟ้า ทั่วโลก ^{[ 8 ]}หลังจากพลังงานน้ำและพลังงานลมพลังงานแสงอาทิตย์เป็น แหล่ง พลังงานหมุนเวียน อันดับสาม ในแง่ของกำลังการผลิตทั่วโลก ในปี 2022 องค์การพลังงานระหว่างประเทศคาดการณ์ว่าจะมีการเติบโตมากกว่า 1 เทราวัตต์ตั้งแต่ปี 2022 ถึง 2027 ^{[ 9 ]}ในบางกรณี พลังงานแสงอาทิตย์ได้เสนอแหล่งพลังงานไฟฟ้าที่ถูกที่สุดในภูมิภาคที่มีศักยภาพพลังงานแสงอาทิตย์สูง โดยมีการเสนอราคาต่ำสุดที่ 0.015 ดอลลาร์สหรัฐ/ กิโลวัตต์ชั่วโมงในกาตาร์ในปี 2023 ^{[ 10 ]}ในปี 2023 องค์การพลังงานระหว่างประเทศระบุในรายงานแนวโน้มพลังงานโลก ของตน ว่า "[สำหรับโครงการที่มีต้นทุนทางการเงินต่ำที่ใช้ทรัพยากรคุณภาพสูง พลังงานแสงอาทิตย์เป็นแหล่งไฟฟ้าที่ถูกที่สุดในประวัติศาสตร์] ^{[ 11 ]}

คำว่า "โฟโตโวลตาอิก" มาจากภาษากรีกφῶς ( phōs ) ซึ่งหมายถึง "แสง" และจาก "โวลต์" ซึ่งเป็นหน่วยของแรงเคลื่อนไฟฟ้าโวลต์ซึ่งมาจากนามสกุลของนักฟิสิกส์ ชาว อิตาลีอเลสซานโดร โวลตาผู้ประดิษฐ์แบตเตอรี่ ( เซลล์ไฟฟ้าเคมี ) คำว่า "โฟโตโวลตาอิก" ถูกนำมาใช้ในภาษาอังกฤษตั้งแต่ปี ค.ศ. 1849 ^{[ 12 ]}

ในปี พ.ศ. 2532 กระทรวงวิจัยของเยอรมนีได้ริเริ่มโครงการแรกเพื่อสนับสนุนเงินทุนสำหรับหลังคาพลังงานแสงอาทิตย์ โครงการนี้นำโดย Walter Sandtner ในเมืองบอนน์ ประเทศเยอรมนี^{[ 13 ]}

ในปี พ.ศ. 2537 ญี่ปุ่นได้ดำเนินรอยตามและดำเนินโครงการที่คล้ายกันโดยติดตั้งระบบ PV สำหรับที่อยู่อาศัยจำนวน 539 แห่ง^{[ 14 ]}นับตั้งแต่นั้นมา หลายประเทศก็ยังคงผลิตและให้เงินทุนสนับสนุนระบบ PV ต่อไป

โฟโตโวลตาอิกเป็นที่รู้จักกันดีที่สุดในฐานะวิธีการผลิตพลังงานไฟฟ้าโดยใช้เซลล์แสงอาทิตย์เพื่อแปลงพลังงานจากดวงอาทิตย์เป็นการไหลของอิเล็กตรอนโดยปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก^{[ 15 ] [ 16 ]}

เซลล์แสงอาทิตย์ผลิตกระแสไฟฟ้าตรงจากแสงแดด ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ต่างๆ หรือใช้ชาร์จแบตเตอรี่ได้การประยุกต์ใช้เซลล์แสงอาทิตย์ในทางปฏิบัติครั้งแรกคือการจ่ายพลังงานให้กับดาวเทียมโคจรและยานอวกาศ อื่นๆ แต่ในปัจจุบัน โมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ส่วนใหญ่ถูกนำไปใช้ในระบบเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ในกรณีนี้จำเป็นต้องใช้อินเวอร์เตอร์ เพื่อแปลง กระแสตรงเป็นกระแสสลับนอกจากนี้ยังมีตลาดขนาดเล็กสำหรับระบบแบบแยกอิสระสำหรับที่อยู่อาศัยในพื้นที่ห่างไกลเรือ ยานพาหนะเพื่อการพักผ่อน หย่อนใจ รถยนต์ไฟฟ้าโทรศัพท์ฉุกเฉินริมถนน การ สำรวจระยะไกลและ การป้องกันการกัดกร่อน ของท่อส่ง น้ำมันและ ก๊าซด้วยวิธีแคโทดิก

การผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ใช้โมดูลพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งประกอบด้วย เซลล์แสงอาทิตย์จำนวนหนึ่งที่มีวัสดุเซมิคอนดักเตอร์^{[ 17 ]}สายเคเบิลทองแดงสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์เชื่อมต่อโมดูล (สายเคเบิลโมดูล) แผงโซลาร์เซลล์ (สายเคเบิลแผงโซลาร์เซลล์) และส่วนย่อยต่างๆ เนื่องจากความต้องการ แหล่ง พลังงานหมุนเวียนที่ เพิ่มขึ้น การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์และแผงโซลาร์เซลล์จึงมีความก้าวหน้าอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

เซลล์จำเป็นต้องได้รับการปกป้องจากสิ่งแวดล้อม^{[ 21 ]}และมักจะบรรจุอย่างแน่นหนาในโมดูลพลังงานแสงอาทิตย์

กำลังไฟฟ้าของโมดูลโฟโตโวลตาอิกวัดภายใต้สภาวะการทดสอบมาตรฐาน (STC) ในหน่วย "W _p " ( วัตต์พีค ) ^{[ 22 ]} กำลังไฟฟ้า จริงที่ส่งออก ณ สถานที่ใดสถานที่หนึ่งอาจน้อยกว่าหรือมากกว่าค่าที่กำหนดนี้ ขึ้นอยู่กับตำแหน่งทางภูมิศาสตร์ เวลาของวัน สภาพอากาศ และปัจจัยอื่นๆ^{[ 23 ]} โดยทั่วไปแล้ว ปัจจัยความจุของแผงโซลาร์เซลล์โฟโตโวลตาอิกจะต่ำกว่า 25% เมื่อไม่ได้เชื่อมต่อกับระบบจัดเก็บ ซึ่งต่ำกว่าแหล่งผลิตไฟฟ้าอุตสาหกรรมอื่นๆ หลายแห่ง^{[ 24 ]}

ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์คือ สัดส่วนของพลังงานแสงอาทิตย์ที่ถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยเซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพนี้ เมื่อรวมกับละติจูดและสภาพอากาศ จะเป็นตัวกำหนดปริมาณพลังงานที่ผลิตได้จากระบบพลังงานแสงอาทิตย์

ณ ปี 2024 สถิติประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์อยู่ที่ 47.6% ซึ่งทำสถิติไว้ในเดือนพฤษภาคม 2022 โดยFraunhofer ISEด้วยเซลล์แสงอาทิตย์แบบรวมแสง (CPV) สี่ชั้น III-V ^{[ 25 ] [ 26 ]}สถิติในสภาวะการใช้งานจริงเป็นของ NREL ซึ่งพัฒนาเซลล์สามชั้นที่มีประสิทธิภาพที่ทดสอบแล้วอยู่ที่ 39.5% ^{[ 27 ] [ 28 ]}

โมดูลพลังงานแสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์อาจมีประสิทธิภาพเกิน 24% ^{[ 29 ] [ 30 ]}ณ ปี 2025 ^{[ 31 ]}ที่ดีที่สุดอยู่ที่ 24.5% ^{[ 32 ]}ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะต่ำกว่าเซลล์แต่ละเซลล์เมื่อใช้งานแยกกัน โมดูลพลังงานแสงอาทิตย์ที่ผลิตในปริมาณมากที่มีประสิทธิภาพสูงสุดมีค่าความหนาแน่นของพลังงาน 175 W/m² ⁽ 16.22 W/ ^ft² ) ^{[ 33 ]}

ในปี 2026 Fraunhofer บรรลุประสิทธิภาพ 34.4% โดยใช้เซลล์เจอร์มาเนียม III-V สามชั้นและเทคโนโลยีเมทริกซ์แบบซ้อนกันเพื่อเชื่อมต่อเซลล์ นวัตกรรมที่สำคัญคือการใช้การสัมผัสโดยตรงระหว่างเซลล์ ซึ่งช่วยขจัดริบบิ้นทองแดงเคลือบตะกั่วบัดกรีแบบดั้งเดิมและการเกิดเงาบนพื้นที่เซลล์ที่ใช้งานอยู่^{[ 34 ]}

ปัจจัยหลายประการส่งผลต่อประสิทธิภาพการแปลง รวมถึง ค่า การสะท้อนแสงประสิทธิภาพทางเทอร์โมไดนามิกประสิทธิภาพการแยกตัวของตัวนำประจุ ประสิทธิภาพการรวบรวมตัวนำประจุ และประสิทธิภาพการนำไฟฟ้า^{[ 36 ] [ 35 ]}เนื่องจากพารามิเตอร์เหล่านี้วัดได้ยากโดยตรง จึงมีการวัดพารามิเตอร์อื่นแทน เช่นประสิทธิภาพควอนตัม อัตราส่วนแรงดัน ไฟฟ้าวงเปิด (V _OC ) และปัจจัยการเติมการสูญเสียจากการสะท้อนแสงจะถูกนำมาพิจารณาในค่าประสิทธิภาพควอนตัม เนื่องจากส่งผลต่อประสิทธิภาพควอนตัมภายนอก การสูญเสียจากการรวมตัวใหม่จะถูกนำมาพิจารณาในปัจจัยเหล่านี้ การสูญเสียจากความต้านทานส่วนใหญ่จะถูกนำมาพิจารณาในค่าปัจจัยการเติม แต่ก็มีส่วนร่วมในปัจจัยอื่นๆ ด้วย

ขึ้นอยู่กับโครงสร้าง โมดูลโฟโตโวลตาอิกสามารถผลิตไฟฟ้าจากช่วงความถี่ของแสงได้แต่โดยปกติแล้วจะไม่สามารถครอบคลุมช่วงรังสีแสงอาทิตย์ทั้งหมดได้ (โดยเฉพาะรังสีอัลตราไวโอเลต แสง ที่มองเห็นได้รังสีอินฟราเรดและแสงที่มีความเข้มต่ำหรือแสงกระจาย) ดังนั้น พลังงาน แสงอาทิตย์ ที่ตกกระทบส่วนใหญ่ จึงไม่ได้ถูกประมวลผลโดยโมดูลโซลาร์เซลล์ แสงอาทิตย์สามารถแบ่งออกเป็นแถบความยาวคลื่น (แต่ละแถบมีสีต่างกัน) โดยแต่ละแถบจะถูกส่งไปยังเซลล์ที่ปรับให้เข้ากับช่วงความยาวคลื่นเหล่านั้น ซึ่งสามารถแปลงแถบนั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น^{[ 37 ]}

โดยทั่วไปแล้วประสิทธิภาพ ของโมดูลจะถูกประเมินภายใต้เงื่อนไขการทดสอบมาตรฐาน (STC): ความเข้มแสง 1,000 W/m² ^{สเปกตรัม}แสงอาทิตย์ AM 1.5 และอุณหภูมิของโมดูลที่ 25 °C ^{[ 38 ]}แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่ส่งออกจริงของโมดูลจะเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของแสง อุณหภูมิ และสภาวะโหลด ดังนั้นจึงไม่มีแรงดันไฟฟ้าเฉพาะค่าใดค่าหนึ่งที่โมดูลทำงาน ประสิทธิภาพจะแตกต่างกันไปตามตำแหน่งทางภูมิศาสตร์ เวลาของวัน วันของปี ปริมาณความเข้มแสงอาทิตย์ทิศทางและการเอียงของโมดูล การปกคลุมของเมฆ การบังเงาสิ่งสกปรกสถานะการชาร์จ และอุณหภูมิ ประสิทธิภาพของโมดูลหรือแผงสามารถวัดได้ในช่วงเวลาต่างๆ ด้วยเครื่องวัดกระแสตรงแบบหนีบหรือแบบขนาน และบันทึก กราฟ หรือแผนภูมิด้วยเครื่องบันทึกแผนภูมิหรือเครื่องบันทึกข้อมูล

เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด แผงโซลาร์เซลล์ต้องประกอบด้วยโมดูลที่คล้ายกันซึ่งวางในทิศทางเดียวกันตั้งฉากกับแสงแดดโดยตรง ไดโอดบายพาสใช้เพื่อหลีกเลี่ยงแผงที่ชำรุดหรือถูกบังเงาและเพิ่มประสิทธิภาพการผลิต ไดโอดบายพาสเหล่านี้มักจะวางไว้ตามกลุ่มของเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อสร้างการไหลอย่างต่อเนื่อง^{[ 39 ]}

คุณลักษณะทางไฟฟ้าประกอบด้วยกำลังไฟฟ้าที่ระบุ (P _MAXวัดเป็นวัตต์ ), แรงดันไฟฟ้าวงเปิด (V _OC ), กระแสไฟฟ้าลัดวงจร (I _SCวัดเป็นแอมแปร์ ), แรงดันไฟฟ้ากำลังสูงสุด (V _MPP ), กระแสไฟฟ้ากำลังสูงสุด (I _MPP ), กำลังไฟฟ้าสูงสุด ( วัตต์-พีค , W _p ) และประสิทธิภาพของโมดูล (%)

แรงดันไฟฟ้าวงเปิดหรือ VOC _คือแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่โมดูลสามารถสร้างได้เมื่อไม่ได้เชื่อมต่อกับวงจรหรือระบบไฟฟ้า^{[ 40 ]}สามารถวัด VOC ได้ด้วยโว ล _ต์มิเตอร์โดยตรงที่ขั้วต่อของโมดูลที่ส่องสว่างหรือที่สายเคเบิลที่ตัดการเชื่อมต่อ

กำลังไฟฟ้าสูงสุด (Wp ₎คือกำลังไฟฟ้าขาออกสูงสุดภายใต้เงื่อนไขการทดสอบมาตรฐาน (ไม่ใช่กำลังไฟฟ้าขาออกสูงสุดที่เป็นไปได้) โมดูลทั่วไป ซึ่งอาจมีขนาดประมาณ 1 x 2 เมตร (3 ฟุต x 7 ฟุต) จะมีกำลังไฟฟ้าตั้งแต่ 75 วัตต์ถึง 600 วัตต์ ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของโมดูล ในขณะทำการทดสอบ โมดูลทดสอบจะถูกจัดกลุ่มตามผลการทดสอบ และผู้ผลิตทั่วไปอาจให้คะแนนโมดูลเป็นช่วง 5 วัตต์ และอาจให้คะแนนที่ +/- 3%, +/- 5%, +3/- 0% หรือ +5/- 0% ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}

ประสิทธิภาพของแผงโซลาร์เซลล์ (PV) ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเข้มของรังสีตกกระทบโดยรวม G ในระนาบของแผง อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิ T ของรอยต่อ p–n ก็มีผลต่อพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าหลักเช่นกัน ได้แก่ กระแสลัดวงจร ISC แรงดันวงเปิด VOC และกำลังไฟฟ้าสูงสุด Pmax โดยทั่วไปแล้ว เป็นที่ทราบกันดีว่า VOC มีความสัมพันธ์ผกผันอย่างมีนัยสำคัญกับ T ในขณะที่สำหรับ ISC ความสัมพันธ์นี้เป็นไปในทิศทางเดียวกัน แต่มีความอ่อนกว่า ดังนั้นการเพิ่มขึ้นของ ISC จึงไม่สามารถชดเชยการลดลงของ VOC ได้ ส่งผลให้ Pmax ลดลงเมื่อ T เพิ่มขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่างกำลังไฟฟ้าที่ได้จากเซลล์แสงอาทิตย์และอุณหภูมิการทำงานของรอยต่อขึ้นอยู่กับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ และเกิดจากอิทธิพลของ T ต่อความเข้มข้น อายุการใช้งาน และความคล่องตัวของตัวพาประจุภายใน เช่น อิเล็กตรอนและช่องว่างภายในเซลล์แสงอาทิตย์

โดยทั่วไปแล้ว ความไวต่ออุณหภูมิจะอธิบายด้วยค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ ซึ่งแต่ละค่าจะแสดงถึงอนุพันธ์ของพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องเทียบกับอุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อ ค่าของพารามิเตอร์เหล่านี้ ซึ่งสามารถหาได้จากเอกสารข้อมูลจำเพาะของโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ มีดังต่อไปนี้:

• β: ค่าสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลงของ VOC เทียบกับ T ซึ่งกำหนดโดย ∂VOC/∂T
• α: ค่าสัมประสิทธิ์ความแปรผันของ ISC เทียบกับ T ซึ่งกำหนดโดย ∂ISC/∂T
• δ: สัมประสิทธิ์ความแปรผันของ Pmax เทียบกับ T ซึ่งกำหนดโดย ∂Pmax/∂T

เทคนิคในการประมาณค่าสัมประสิทธิ์เหล่านี้จากข้อมูลการทดลองสามารถพบได้ในเอกสาร^{[ 44 ]}

ความสามารถของแผงโซลาร์เซลล์ในการทนต่อความเสียหายจากฝนลูกเห็บหิมะหนัก และวัฏจักรของความร้อนและความเย็นนั้นแตกต่างกันไปตามผู้ผลิต แม้ว่าแผงโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่ในตลาดสหรัฐฯ จะได้รับการรับรองจาก UL ซึ่งหมายความว่าได้ผ่านการทดสอบเพื่อทนต่อลูกเห็บแล้ว^{[ 45 ]}

การเสื่อมสภาพที่เกิดจากศักยภาพ (เรียกอีกอย่างว่า PID) คือการเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพที่เกิดจากศักยภาพในโมดูลโฟโตโวลตาอิกแบบผลึก ซึ่งเกิดจากสิ่งที่เรียกว่ากระแสไฟฟ้าจร^{[ 46 ]}ผลกระทบนี้อาจทำให้สูญเสียพลังงานได้ถึง 30% ^{[ 47 ]}

ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดสำหรับเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์คือราคาซื้อต่อวัตต์ของไฟฟ้าที่ผลิตได้ ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ได้นำมาซึ่งกระบวนการ "โดป" สารตั้งต้นซิลิคอนเพื่อลดพลังงานกระตุ้น ทำให้แผงมีประสิทธิภาพมากขึ้นในการแปลงโฟตอนเป็นอิเล็กตรอนที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้^{[ 48 ]}

สารเคมีเช่นโบรอน (ชนิด p) ถูกนำมาใช้ในผลึกเซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้างระดับพลังงานผู้ให้และผู้รับที่ใกล้เคียงกับแถบวาเลนซ์และแถบนำไฟฟ้ามากขึ้น^{[ 49 ]}ในการทำเช่นนั้น การเพิ่มสิ่งเจือปนของโบรอนทำให้พลังงานกระตุ้นลดลงถึงยี่สิบเท่าจาก 1.12 eV เหลือ 0.05 eV เนื่องจากความแตกต่างของศักยภาพ (E _B ) ต่ำมาก โบรอนจึงสามารถแตกตัวเป็นไอออนด้วยความร้อนที่อุณหภูมิห้องได้ ซึ่งช่วยให้มีตัวพาพลังงานอิสระในแถบนำไฟฟ้าและแถบวาเลนซ์ ทำให้สามารถแปลงโฟตอนเป็นอิเล็กตรอนได้มากขึ้น

กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้จากอุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์ (PV) จะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป การลดลงนี้เกิดจากการสัมผัสกับรังสีจากแสงอาทิตย์และสภาวะภายนอกอื่นๆ ดัชนีการเสื่อมสภาพ ซึ่งกำหนดเป็นเปอร์เซ็นต์การสูญเสียกำลังไฟฟ้าต่อปี เป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพการผลิตในระยะยาวของโรงไฟฟ้าเซลล์แสงอาทิตย์ ในการประเมินการเสื่อมสภาพนี้ จะต้องพิจารณาเปอร์เซ็นต์การลดลงของพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าแต่ละตัว การเสื่อมสภาพของโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์แต่ละตัวสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของระบบโดยรวม นอกจากนี้ โมดูลทั้งหมดในระบบเดียวกันไม่ได้ลดประสิทธิภาพลงในอัตราเดียวกันเสมอไป เมื่อพิจารณาชุดโมดูลที่สัมผัสกับสภาพแวดล้อมภายนอกในระยะยาว จะต้องพิจารณาการเสื่อมสภาพของพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าหลักแต่ละตัวและการกระจายตัวที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากแต่ละโมดูลมีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพแตกต่างกัน พฤติกรรมของโมดูลจึงจะแตกต่างกันมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพโดยรวมของโรงไฟฟ้า

มีงานวิจัยหลายชิ้นที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์การเสื่อมสภาพของพลังงานของโมดูลที่ใช้เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ที่แตกต่างกันอยู่ในเอกสารทางวิชาการ จากการศึกษาล่าสุด^{[ 50 ]}การเสื่อมสภาพของโมดูลซิลิคอนผลึกมีความสม่ำเสมอมาก โดยแกว่งไปมาระหว่าง 0.8% ถึง 1.0% ต่อปี

ในทางกลับกัน หากเราวิเคราะห์ประสิทธิภาพของโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบาง จะสังเกตเห็นช่วงเริ่มต้นของการเสื่อมสภาพอย่างรุนแรง (ซึ่งอาจกินเวลาหลายเดือนและนานถึงสองปี) ตามด้วยช่วงต่อมาที่การเสื่อมสภาพจะคงที่ ซึ่งเทียบได้กับซิลิคอนผลึก^{[ 51 ]}นอกจากนี้ยังพบความผันแปรตามฤดูกาลอย่างมากในเทคโนโลยีฟิล์มบางดังกล่าว เนื่องจากอิทธิพลของสเปกตรัมแสงอาทิตย์มีมากกว่ามาก ตัวอย่างเช่น สำหรับโมดูลซิลิคอนอสัณฐาน ซิลิคอนไมโครมอร์ฟิก หรือแคดเมียมเทลลูไรด์ เรากำลังพูดถึงอัตราการเสื่อมสภาพรายปีในช่วงปีแรกๆ ระหว่าง 3% ถึง 4% ^{[ 52 ]}อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีอื่นๆ เช่น CIGS แสดงอัตราการเสื่อมสภาพที่ต่ำกว่ามาก แม้ในช่วงปีแรกๆ เหล่านั้น

โดยรวมแล้ว กระบวนการผลิตแผงโซลาร์เซลล์นั้นเรียบง่าย เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้ชิ้นส่วนที่ซับซ้อนหรือเคลื่อนที่ได้จำนวนมาก เนื่องจากระบบ PV เป็นแบบโซลิดสเตท จึงมักมีอายุการใช้งานค่อนข้างยาวนาน ตั้งแต่ 10 ถึง 30 ปี หากต้องการเพิ่มกำลังไฟฟ้าของระบบ PV ผู้ผลิตเพียงแค่เพิ่มส่วนประกอบโซลาร์เซลล์เข้าไปเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ การประหยัดจากขนาดจึงมีความสำคัญสำหรับผู้ผลิต เนื่องจากต้นทุนจะลดลงเมื่อผลผลิตเพิ่มขึ้น^{[ 53 ]}

แม้ว่าจะมีระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ (PV) หลายประเภทที่ทราบกันว่ามีประสิทธิภาพ แต่ในปี 2013 ระบบ PV ที่ทำจากซิลิคอนผลึกคิดเป็นสัดส่วนประมาณ 90% ของการผลิต PV ทั่วโลก กระบวนการผลิตระบบ PV ซิลิคอนมีหลายขั้นตอน ขั้นแรก จะนำโพลีซิลิคอนมาแปรรูปจากควอตซ์ที่ขุดได้จนมีความบริสุทธิ์สูง (เกรดเซมิคอนดักเตอร์) จากนั้นนำไปหลอมรวมกับโบรอนซึ่งเป็นธาตุหมู่ 3 ในปริมาณเล็กน้อย เพื่อสร้างเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p ที่อุดมไปด้วยอิเล็กตรอนโฮล โดยทั่วไปจะใช้ผลึกต้นแบบในการปลูกผลึกเหลวจากโพลีคริสตัลไลน์ หรืออาจหล่อในแม่พิมพ์ก็ได้ แผ่นเวเฟอร์ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์นี้จะถูกตัดจากวัสดุชิ้นใหญ่ด้วยเลื่อยลวด จากนั้นผ่านกระบวนการกัดผิวหน้าก่อนทำความสะอาด ต่อมา แผ่นเวเฟอร์จะถูกนำไปวางในเตาเผาแบบการตกตะกอนไอฟอสฟอรัส ซึ่งจะสร้างชั้นฟอสฟอรัสบางๆ ซึ่งเป็นธาตุหมู่ 5 ทำให้เกิดพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ชนิด n เพื่อลดการสูญเสียพลังงาน จะมีการเคลือบสารป้องกันการสะท้อนแสงลงบนพื้นผิว พร้อมกับหน้าสัมผัสทางไฟฟ้า หลังจากสร้างเซลล์เสร็จแล้ว เซลล์จะถูกเชื่อมต่อผ่านวงจรไฟฟ้าตามการใช้งานเฉพาะ และเตรียมพร้อมสำหรับการขนส่งและการติดตั้ง^{[ 54 ]}

พลังงานแสงอาทิตย์แบบโฟโตโวลตาอิกไม่ใช่ "พลังงานสะอาด" อย่างแท้จริง: การผลิตก่อให้เกิดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก วัสดุที่ใช้ในการสร้างเซลล์อาจไม่ยั่งยืนและจะหมดไปในที่สุด เทคโนโลยีนี้ใช้สารพิษที่ก่อให้เกิดมลพิษ^{[ 55 ]}และไม่มีเทคโนโลยีที่ใช้ได้จริงสำหรับการรีไซเคิลของเสียจากพลังงานแสงอาทิตย์^{[ 56 ]}ข้อมูลที่จำเป็นในการตรวจสอบผลกระทบนั้นบางครั้งได้รับผลกระทบจากความไม่แน่นอนจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น ค่าแรงงานมนุษย์และการใช้น้ำไม่ได้รับการประเมินอย่างแม่นยำเนื่องจากขาดการวิเคราะห์อย่างเป็นระบบและแม่นยำในเอกสารทางวิทยาศาสตร์^{[ 1 ]}ความยากลำบากประการหนึ่งในการกำหนดผลกระทบจาก PV คือการพิจารณาว่าของเสียถูกปล่อยสู่อากาศ น้ำ หรือดินในระหว่างขั้นตอนการผลิตหรือไม่^{[ 57 ]}การประเมินวัฏจักรชีวิตซึ่งพิจารณาผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกันทั้งหมด ตั้งแต่ศักยภาพในการทำให้โลกร้อนมลพิษ การลดลงของน้ำ และอื่นๆ นั้นไม่มีให้บริการสำหรับ PV ในทางกลับกัน การศึกษาต่างๆ พยายามประเมินผลกระทบและผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจาก PV ประเภทต่างๆ แต่การประมาณการเหล่านี้มักจำกัดอยู่เพียงการประเมินต้นทุนพลังงานของการผลิตและ/หรือการขนส่งเท่านั้น เนื่องจากเทคโนโลยีเหล่านี้เป็นเทคโนโลยีใหม่ และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมโดยรวมของส่วนประกอบและวิธีการกำจัดยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด แม้แต่ เซลล์แสงอาทิตย์รุ่นแรกที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ก็ตามยิ่งไม่ต้องพูดถึงต้นแบบทดลองที่ไม่มีความเป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์^{[ 58 ]}

ดังนั้น การประเมินผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของ PV จึงมุ่งเน้นไปที่ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์เทียบเท่าต่อ kWh หรือระยะเวลาคืนทุนพลังงาน (EPBT) EPBT อธิบายถึงระยะเวลาที่ระบบ PV ต้องทำงานเพื่อให้ได้พลังงานเท่ากับที่ใช้ในการผลิต^{[ 59 ]}การศึกษาอื่นรวมต้นทุนพลังงานในการขนส่งไว้ใน EPBT ด้วย^{[ 60 ]}นอกจากนี้ EPBT ยังถูกกำหนดแตกต่างออกไปโดยสิ้นเชิงว่าเป็น "เวลาที่จำเป็นในการชดเชยพลังงานปฐมภูมิหมุนเวียนและไม่หมุนเวียนทั้งหมดที่จำเป็นในช่วงวงจรชีวิตของระบบ PV" ในการศึกษาอื่น ซึ่งรวมถึงต้นทุนการติดตั้งด้วย^{[ 61 ]}การตัดจำหน่ายพลังงานนี้ ซึ่งระบุเป็นปี เรียกอีกอย่างว่าระยะเวลาคืนทุนพลังงานที่จุดคุ้มทุน^{[ 62 ]}ยิ่ง EPBT ต่ำเท่าไร ต้นทุนด้านสิ่งแวดล้อมของพลังงานแสงอาทิตย์ ก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น EPBT ขึ้นอยู่กับสถานที่ติดตั้งระบบ PV อย่างมาก (เช่น ปริมาณแสงแดดที่มีอยู่และประสิทธิภาพของโครงข่ายไฟฟ้า) ^{[ 60 ]}และขึ้นอยู่กับประเภทของระบบ กล่าวคือ ส่วนประกอบของระบบ^{[ 59 ]}

การทบทวนการประมาณค่า EPBT ของ PV รุ่นแรกและรุ่นที่สองในปี 2015 ชี้ให้เห็นว่ามีความแปรผันของพลังงานที่ฝังตัวมากกว่าประสิทธิภาพของเซลล์ ซึ่งหมายความว่าพลังงานที่ฝังตัวเป็นสิ่งที่ต้องลดลงเป็นหลักเพื่อให้ EPBT ลดลงมากขึ้น^{[ 63 ]}

โดยทั่วไป ส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดของแผงโซลาร์เซลล์ ซึ่งคิดเป็นสัดส่วนมากของการใช้พลังงานและการปล่อยก๊าซเรือนกระจก คือการกลั่นโพลีซิลิคอน^{[ 59 ]}สัดส่วนของซิลิคอนใน EPBT นั้นขึ้นอยู่กับประเภทของระบบ ระบบที่พึ่งพาตนเองอย่างสมบูรณ์ต้องใช้ส่วนประกอบเพิ่มเติม ('ระบบส่วนที่เหลือ' อินเวอร์เตอร์ไฟฟ้า ระบบจัดเก็บพลังงาน ฯลฯ) ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนพลังงานในการผลิตอย่างมาก แต่ในระบบบนหลังคาแบบง่ายๆ ต้นทุนพลังงานประมาณ 90% มาจากซิลิคอน ส่วนที่เหลือมาจากอินเวอร์เตอร์และโครงโมดูล^{[ 59 ]}

EPBT เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับแนวคิดของผลกำไรพลังงานสุทธิ (NEG) และผลตอบแทนพลังงานจากการลงทุนพลังงาน (EROI) ทั้งสองอย่างนี้ใช้ในเศรษฐศาสตร์พลังงานและหมายถึงความแตกต่างระหว่างพลังงานที่ใช้ไปในการเก็บเกี่ยวแหล่งพลังงานและปริมาณพลังงานที่ได้รับจากการเก็บเกี่ยวนั้น NEG และ EROI ยังคำนึงถึงอายุการใช้งานของระบบ PV ด้วย โดยทั่วไปจะถือว่ามีอายุการใช้งาน 25 ถึง 30 ปี จากตัวชี้วัดเหล่านี้สามารถคำนวณเวลาคืนทุนพลังงาน ได้ ^{[ 64 ] [ 65 ]}

ระบบ PV ที่ใช้ซิลิคอนผลึก ซึ่งเป็นระบบส่วนใหญ่ที่ใช้ในทางปฏิบัติ มีค่า EPBT สูงมาก เนื่องจากซิลิคอนผลิต โดยการลด ทรายควอตซ์คุณภาพสูงในเตาไฟฟ้า กระบวนการ ถลุงด้วยถ่านโค้กนี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงกว่า 1000 °C และใช้พลังงานสูงมาก โดยใช้พลังงานประมาณ 11 กิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh) ต่อซิลิคอนที่ผลิตได้ 1 กิโลกรัม^{[ 66 ]}ความต้องการพลังงานของกระบวนการนี้ทำให้ต้นทุนพลังงานต่อหน่วยของซิลิคอนที่ผลิตได้ค่อนข้างไม่ยืดหยุ่น ซึ่งหมายความว่ากระบวนการผลิตเองจะไม่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในอนาคต

อย่างไรก็ตาม ระยะเวลาคืนทุนด้านพลังงานสั้นลงอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากเซลล์ซิลิคอนผลึกมีประสิทธิภาพในการแปลงแสงอาทิตย์มากขึ้นเรื่อยๆ ในขณะที่ความหนาของวัสดุเวเฟอร์ลดลงอย่างต่อเนื่อง จึงทำให้ใช้ซิลิคอนน้อยลงในการผลิต ในช่วงสิบปีที่ผ่านมา ปริมาณซิลิคอนที่ใช้สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ลดลงจาก 16 กรัมเหลือ 6 กรัมต่อวัตต์พีคในช่วงเวลาเดียวกัน ความหนาของเวเฟอร์ c-Si ลดลงจาก 300 ไมโครเมตรเหลือประมาณ 160–190 ไมโครเมตรเทคนิคการเลื่อยที่หั่นแท่งซิลิคอนผลึกเป็นเวเฟอร์ก็ได้รับการปรับปรุงเช่นกัน โดยลดการสูญเสียจากการตัดและทำให้การรีไซเคิลขี้เลื่อยซิลิคอนทำได้ง่ายขึ้น^{[ 67 ] [ 68 ]}

โมดูล ซิลิคอนผลึกเป็นประเภท PV ที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางที่สุดในแง่ของ LCA เนื่องจากเป็นประเภทที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุด ระบบเซลล์ แสงอาทิตย์ซิลิคอนผลึกเดี่ยว (mono-si) มีประสิทธิภาพเฉลี่ย 14.0% ^{[ 70 ]}เซลล์มักจะมีโครงสร้างเป็นอิเล็กโทรดด้านหน้า ฟิล์มป้องกันการสะท้อนแสง ชั้น n ชั้น p และอิเล็กโทรดด้านหลัง โดยแสงอาทิตย์จะตกกระทบที่อิเล็กโทรดด้านหน้า EPBT อยู่ในช่วง 1.7 ถึง 2.7 ปี^{[ 71 ]} _{ปริมาณ CO2} -eq/kWh ตั้งแต่ต้นทางจนถึงปลายทางอยู่ในช่วง 37.3 ถึง 72.2 กรัม เมื่อติดตั้งในยุโรปตอนใต้^{[ 72 ]}

เทคนิคการผลิต เซลล์แสงอาทิตย์ ซิลิคอนผลึกหลายชั้น (multi-si) นั้นง่ายกว่าและถูกกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนผลึกเดี่ยว (mono-si) อย่างไรก็ตาม มักจะทำให้เซลล์มีประสิทธิภาพน้อยลง โดยเฉลี่ยอยู่ที่ 13.2% ^{[ 70 ]} EPBT อยู่ในช่วง 1.5 ถึง 2.6 ปี^{[ 71 ]} _{ปริมาณ CO2} -eq/kWh ตั้งแต่ ต้นทางจนถึงปลายทางอยู่ในช่วง 28.5 ถึง 69 กรัม เมื่อติดตั้งในยุโรปตอนใต้^{[ 72 ]}

สมมติว่าประเทศต่อไปนี้มีโครงสร้างพื้นฐานด้านโครงข่ายไฟฟ้าคุณภาพสูงเช่นเดียวกับในยุโรป ในปี 2020 มีการคำนวณว่าในเมืองออตตาวาประเทศแคนาดา จะใช้เวลา 1.28 ปี สำหรับระบบเซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคาที่จะผลิตพลังงานได้เท่ากับปริมาณพลังงานที่ใช้ในการผลิตซิลิคอนในแผงโซลาร์เซลล์ (ไม่รวมเงิน กระจก ตัวยึด และส่วนประกอบอื่นๆ) 0.97 ปี ในเมืองคาตาเนียประเทศอิตาลีและ 0.4 ปี ในเมืองชัยปุระประเทศอินเดีย นอกยุโรป ซึ่งประสิทธิภาพของโครงข่ายไฟฟ้าโดยรวมต่ำกว่า จะใช้เวลานานกว่านั้น ' ระยะเวลาคืนทุนด้านพลังงาน ' นี้สามารถมองได้ว่าเป็นสัดส่วนของเวลาในช่วงอายุการใช้งานของแผงโซลาร์เซลล์ที่การผลิตพลังงานก่อให้เกิดมลพิษ อย่างดีที่สุด หมายความว่าแผงโซลาร์เซลล์อายุ 30 ปี ผลิตพลังงานสะอาดได้ 97% ของอายุการใช้งาน หรือซิลิคอนในแผงโซลาร์เซลล์ปล่อยก๊าซเรือนกระจกน้อยกว่าโรงไฟฟ้าถ่านหิน 97% สำหรับปริมาณพลังงานที่เท่ากัน (โดยสมมติและไม่พิจารณาหลายสิ่งหลายอย่าง) ^{[ 60 ]}การศึกษาบางชิ้นได้มองข้าม EPBT และ GWP ไปสู่ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอื่นๆ ในการศึกษาดังกล่าว การผสมผสานพลังงานแบบดั้งเดิมในกรีซถูกเปรียบเทียบกับ PV แบบหลายซิลิคอน และพบว่าผลกระทบโดยรวมลดลง 95% ซึ่งรวมถึงสารก่อมะเร็ง ความเป็นพิษต่อระบบนิเวศ ความเป็นกรด ภาวะยูโทรฟิเคชัน และอื่นๆ อีก 11 ประการ^{[ 73 ]}

แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) เป็นหนึ่งในเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบาง ที่เติบโตเร็วที่สุด ซึ่งโดยรวมแล้วเรียกว่าอุปกรณ์รุ่นที่สอง อุปกรณ์ฟิล์มบางแบบใหม่นี้ยังมีข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพที่คล้ายคลึงกัน ( ขีดจำกัดประสิทธิภาพ Shockley-Queisser ) เช่นเดียวกับอุปกรณ์ Si แบบดั้งเดิม แต่มีแนวโน้มที่จะลดต้นทุนของอุปกรณ์แต่ละชิ้นลงได้โดยการลดการใช้วัสดุและพลังงานในระหว่างการผลิต ส่วนแบ่งการตลาดทั่วโลกของ CdTe อยู่ที่ 4.7% ในปี 2551 ^{[ 57 ]}ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงสุดของเทคโนโลยีนี้คือ 21% ^{[ 74 ]}โครงสร้างของเซลล์ประกอบด้วยพื้นผิวแก้ว (ประมาณ 2 มม.) ชั้นตัวนำโปร่งใส ชั้นบัฟเฟอร์ CdS (50–150 นาโนเมตร) ตัวดูดซับ CdTe และชั้นสัมผัสโลหะ

ระบบ PV CdTe ต้องการพลังงานในการผลิตน้อยกว่าระบบ PV เชิงพาณิชย์อื่นๆ ต่อหน่วยการผลิตไฟฟ้า โดยเฉลี่ยแล้ว CO2 _- eq/kWh อยู่ที่ประมาณ 18 กรัม (ตั้งแต่ต้นทางจนถึงปลายทาง) CdTe มี EPBT ที่เร็วที่สุดในบรรดาเทคโนโลยี PV เชิงพาณิชย์ทั้งหมด ซึ่งแตกต่างกันไประหว่าง 0.3 ถึง 1.2 ปี^{[ 75 ]}

PV รุ่นที่สามได้รับการออกแบบมาเพื่อรวมข้อดีของอุปกรณ์รุ่นแรกและรุ่นที่สองเข้าด้วยกัน และไม่มีข้อจำกัด Shockley-Queisserซึ่งเป็นข้อจำกัดทางทฤษฎีสำหรับเซลล์ PV รุ่นแรกและรุ่นที่สอง ความหนาของอุปกรณ์รุ่นที่สามน้อยกว่า 1 μm ^{[ 76 ]}

เทคโนโลยีฟิล์มบางที่มีแนวโน้มดีสองอย่างใหม่ ได้แก่คอปเปอร์ซิงค์ทินซัลไฟด์ (Cu ₂ ZnSnS ₄หรือ CZTS) ^{[ 58 ]}ซิงค์ฟอสไฟด์ (Zn ₃ P ₂ ) ^{[ 58 ]}และนาโนทิวบ์คาร์บอนผนังเดี่ยว (SWCNT) ^{[ 77 ]}ปัจจุบันฟิล์มบางเหล่านี้ผลิตได้เฉพาะในห้องปฏิบัติการ แต่อาจจะนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ในอนาคต กระบวนการผลิต CZTS และ (Zn ₃ P ₂ ) คาดว่าจะคล้ายกับเทคโนโลยีฟิล์มบางในปัจจุบันของ CIGS และ CdTe ตามลำดับ ในขณะที่ชั้นดูดซับของ SWCNT PV คาดว่าจะสังเคราะห์ด้วยวิธี CoMoCAT ^{[ 78 ]}ตรงกันข้ามกับฟิล์มบางที่ได้รับการยอมรับ เช่น CIGS และ CdTe CZTS, Zn ₃ P ₂และ SWCNT PV ทำจากวัสดุที่อุดมสมบูรณ์ในโลก ปลอดสารพิษ และมีศักยภาพในการผลิตไฟฟ้าได้มากกว่าการบริโภคทั่วโลกในปัจจุบันในแต่ละปี^{[ 79 ] [ 80 ]}แม้ว่า CZTS และ Zn ₃ P ₂จะมีแนวโน้มที่ดีด้วยเหตุผลเหล่านี้ แต่ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่เฉพาะเจาะจงของการผลิตเชิงพาณิชย์ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด ศักยภาพในการทำให้เกิดภาวะโลกร้อนของ CZTS และ Zn ₃ P ₂พบว่าอยู่ที่ 38 และ 30 กรัม CO ₂ -eq/kWh ตามลำดับ ในขณะที่ EPBT ที่สอดคล้องกันพบว่าอยู่ที่ 1.85 และ 0.78 ปี ตามลำดับ^{[ 58 ]}โดยรวมแล้ว CdTe และ Zn ₃ P ₂มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่คล้ายคลึงกัน แต่สามารถมีประสิทธิภาพเหนือกว่า CIGS และ CZTS เล็กน้อย^{[ 58 ]}การศึกษาเกี่ยวกับผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของแผงโซลาร์เซลล์ SWCNT โดย Celik et al. ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพ 1% ที่มีอยู่และอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพ 28% ตามทฤษฎี พบว่า เมื่อเทียบกับซิลิคอนผลึกเดี่ยว ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจาก SWCNT 1% สูงกว่าประมาณ 18 เท่า ส่วนใหญ่เกิดจากอายุการใช้งานที่สั้นเพียงสามปี^{[ 77 ]}

แหล่งที่มา: Apricus [ 81 ]

ต้นทุนพื้นฐาน โครงสร้างอุตสาหกรรม และราคาตลาดของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์มีการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา และการได้ภาพรวมที่สอดคล้องกันของการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นตลอดห่วงโซ่คุณค่าของอุตสาหกรรมทั่วโลกถือเป็นความท้าทาย ทั้งนี้เนื่องมาจาก: "ความรวดเร็วของการเปลี่ยนแปลงต้นทุนและราคา ความซับซ้อนของห่วงโซ่อุปทาน PV ซึ่งเกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิตจำนวนมาก ต้นทุนส่วนประกอบอื่นๆ (BOS) และต้นทุนการติดตั้งที่เกี่ยวข้องกับระบบ PV ที่สมบูรณ์ การเลือกช่องทางการจัดจำหน่ายที่แตกต่างกัน และความแตกต่างระหว่างตลาดระดับภูมิภาคที่ใช้ PV" ความซับซ้อนเพิ่มเติมเกิดจากนโยบายสนับสนุนต่างๆ มากมายที่ถูกนำมาใช้เพื่ออำนวยความสะดวกในการทำการตลาดเซลล์แสงอาทิตย์ในประเทศต่างๆ^{[ 3 ]}

โดยทั่วไปแล้วเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียนมีราคาถูกลงนับตั้งแต่มีการคิดค้น^{[ 82 ] [ 83 ] [ 84 ]}ระบบพลังงานหมุนเวียนมีต้นทุนการสร้างที่ถูกกว่าโรงไฟฟ้าพลังงานฟอสซิลในหลายพื้นที่ทั่วโลก เนื่องจากความก้าวหน้าของเทคโนโลยีพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์โดยเฉพาะ^{[ 85 ]}

• ผลกระทบต่อการบริหารจัดการค่าไฟฟ้าและการลงทุนด้านพลังงาน

ไม่มีวิธีแก้ปัญหาที่สมบูรณ์แบบในการจัดการความต้องการและค่าไฟฟ้าหรือพลังงาน เนื่องจากลูกค้า (สถานที่) มีสถานการณ์เฉพาะที่แตกต่างกัน เช่น ความต้องการด้านความสะดวกสบาย/ความสะดวกที่แตกต่างกัน อัตราค่าไฟฟ้าที่แตกต่างกัน หรือรูปแบบการใช้งานที่แตกต่างกัน อัตราค่าไฟฟ้าอาจมีองค์ประกอบหลายอย่าง เช่น ค่าธรรมเนียมการเข้าถึงและการวัดรายวัน ค่าพลังงาน (ตาม kWh, MWh) หรือค่าธรรมเนียมความต้องการสูงสุด (เช่น ราคาสำหรับการใช้พลังงานสูงสุด 30 นาทีในหนึ่งเดือน) PV เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานเมื่อราคาไฟฟ้าค่อนข้างสูงและเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เช่น ในออสเตรเลียและเยอรมนี อย่างไรก็ตาม สำหรับสถานที่ที่มีการเรียกเก็บค่าธรรมเนียมความต้องการสูงสุด PV อาจไม่น่าสนใจนักหากความต้องการสูงสุดส่วนใหญ่เกิดขึ้นในช่วงบ่ายแก่ๆ ถึงต้นเย็น ตัวอย่างเช่น ในชุมชนที่อยู่อาศัย โดยรวมแล้ว การลงทุนด้านพลังงานส่วนใหญ่เป็นการตัดสินใจทางเศรษฐกิจ และควรตัดสินใจลงทุนโดยพิจารณาจากการประเมินอย่างเป็นระบบของตัวเลือกในการปรับปรุงการดำเนินงาน ประสิทธิภาพพลังงาน การผลิตในสถานที่ และการจัดเก็บพลังงาน^{[ 86 ] [ 87 ]}

ในปี พ.ศ. 2520 ราคาเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนผลึกอยู่ที่ 76.67 ดอลลาร์สหรัฐต่อวัตต์^{[ 89 ]}

แม้ว่าราคาขายส่งโมดูลจะทรงตัวอยู่ที่ประมาณ 3.50 ถึง 4.00 ดอลลาร์สหรัฐต่อวัตต์ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 เนื่องจากความต้องการสูงในเยอรมนีและสเปน ซึ่งได้รับเงินอุดหนุนอย่างมากมายและการขาดแคลนโพลีซิลิคอน แต่ความต้องการก็ลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเงินอุดหนุนของสเปนสิ้นสุดลงอย่างกะทันหันหลังวิกฤตตลาดในปี 2008 และราคาก็ลดลงอย่างรวดเร็วเหลือ 2.00 ดอลลาร์สหรัฐต่อวัตต์ ผู้ผลิตสามารถรักษาอัตรากำไรจากการดำเนินงานที่เป็นบวกได้แม้รายได้จะลดลง 50% เนื่องจากนวัตกรรมและการลดต้นทุน ในช่วงปลายปี 2011 ราคาหน้าโรงงานของโมดูลเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนผลึกได้ลดลงต่ำกว่า 1.00 ดอลลาร์สหรัฐต่อวัตต์อย่างกะทันหัน ทำให้หลายคนในอุตสาหกรรมประหลาดใจ และทำให้บริษัทผู้ผลิตพลังงานแสงอาทิตย์หลายแห่งล้มละลายทั่วโลก ราคา 1.00 ดอลลาร์สหรัฐต่อวัตต์มักถูกมองในอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ว่าเป็นการบรรลุความเท่าเทียมกับ ราคาไฟฟ้าจาก โครงข่ายแต่ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่ไม่เชื่อว่าราคาในระดับนี้จะยั่งยืน ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี การปรับปรุงกระบวนการผลิต และการปรับโครงสร้างอุตสาหกรรม อาจหมายความว่าราคาจะลดลงได้อีก^{[ 3 ]}ราคาขายปลีกเฉลี่ยของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ติดตามโดยกลุ่ม Solarbuzz ลดลงจาก 3.50 ดอลลาร์/วัตต์ เหลือ 2.43 ดอลลาร์/วัตต์ ตลอดปี 2011 ^{[ 90 ]}ในปี 2013 ราคาขายส่งลดลงเหลือ 0.74 ดอลลาร์/วัตต์^{[ 89 ]}สิ่งนี้ถูกอ้างถึงว่าเป็นหลักฐานสนับสนุน ' กฎของสวอนสัน ' ซึ่งเป็นการสังเกตที่คล้ายกับกฎของมัวร์ ที่มีชื่อเสียง ซึ่งกล่าวว่าราคาเซลล์แสงอาทิตย์จะลดลง 20% ทุกครั้งที่กำลังการผลิตของอุตสาหกรรมเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า^{[ 89 ]}สถาบัน Fraunhofer นิยาม 'อัตราการเรียนรู้' ว่าเป็นการลดลงของราคาเมื่อการผลิตสะสมเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 25% ระหว่างปี 1980 ถึง 2010 แม้ว่าราคาโมดูลจะลดลงอย่างรวดเร็ว แต่ราคาอินเวอร์เตอร์ในปัจจุบันลดลงในอัตราที่ต่ำกว่ามาก และในปี 2019 คิดเป็นมากกว่า 61% ของต้นทุนต่อ kWp จากหนึ่งในสี่ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 ^{[ 60 ]}

โปรดทราบว่าราคาที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นราคาสำหรับโมดูลเปล่า อีกวิธีหนึ่งในการพิจารณาราคาโมดูลคือการรวมต้นทุนการติดตั้ง ในสหรัฐอเมริกา ตามข้อมูลของสมาคมอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ ราคาโมดูล PV บนหลังคาที่ติดตั้งสำหรับเจ้าของบ้านลดลงจาก 9.00 ดอลลาร์/วัตต์ในปี 2549 เหลือ 5.46 ดอลลาร์/วัตต์ในปี 2554 เมื่อรวมราคาที่จ่ายโดยการติดตั้งในระดับอุตสาหกรรม ราคาติดตั้งทั่วประเทศจะลดลงเหลือ 3.45 ดอลลาร์/วัตต์ ซึ่งสูงกว่าที่อื่นในโลกอย่างเห็นได้ชัด ในเยอรมนี การติดตั้งบนหลังคาสำหรับเจ้าของบ้านมีราคาเฉลี่ยอยู่ที่ 2.24 ดอลลาร์/วัตต์ ความแตกต่างของต้นทุนนี้เชื่อว่าเกิดจากภาระด้านกฎระเบียบที่สูงกว่าและการขาดนโยบายพลังงานแสงอาทิตย์ระดับชาติในสหรัฐอเมริกาเป็นหลัก^{[ 91 ]}

ภายในสิ้นปี 2555 ผู้ผลิตชาวจีนมีต้นทุนการผลิตโมดูลที่ถูกที่สุดอยู่ที่ 0.50 ดอลลาร์สหรัฐต่อวัตต์^{[ 92 ]}ในบางตลาด ผู้จัดจำหน่ายโมดูลเหล่านี้สามารถทำกำไรได้มาก โดยซื้อในราคาหน้าโรงงานและขายในราคาสูงสุดที่ตลาดสามารถรองรับได้ ('การกำหนดราคาตามมูลค่า') ^{[ 3 ]}ในแคลิฟอร์เนีย พลังงานแสงอาทิตย์บรรลุจุดคุ้มทุนกับราคาไฟฟ้าในปี 2554 ซึ่งโดยทั่วไปจะกำหนดไว้ว่าต้นทุนการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์อยู่ที่หรือต่ำกว่าราคาไฟฟ้าปลีก (แม้ว่ามักจะยังคงสูงกว่าราคาโรงไฟฟ้าที่ใช้ถ่านหินหรือก๊าซเป็นเชื้อเพลิงโดยไม่รวมต้นทุนการจัดจำหน่ายและต้นทุนอื่นๆ) ^{[ 93 ]}จุดคุ้มทุนกับราคาไฟฟ้าบรรลุผลใน 19 ตลาดในปี 2557 ^{[ 94 ] [ 95 ]}

ภายในปี 2024 การผลิตแผงโซลาร์เซลล์ที่เพิ่มขึ้นอย่างมหาศาลในประเทศจีนทำให้ราคาโมดูลลดลงเหลือเพียง 0.11 ดอลลาร์สหรัฐต่อวัตต์ ซึ่งลดลงกว่า 90 เปอร์เซ็นต์จากราคาในปี 2011 ^{[ 96 ]}

ต้นทุนไฟฟ้าเฉลี่ย (LCOE) คือต้นทุนต่อ kWh โดยพิจารณาจากต้นทุนที่กระจายไปตลอดอายุโครงการ และถือว่าเป็นตัวชี้วัดที่ดีกว่าในการคำนวณความคุ้มค่าเมื่อเทียบกับราคาต่อวัตต์ LCOE จะแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับสถานที่ตั้ง^{[ 3 ]} LCOE สามารถถือได้ว่าเป็นราคาขั้นต่ำที่ลูกค้าจะต้องจ่ายให้กับบริษัทสาธารณูปโภคเพื่อให้บริษัทคุ้มทุนจากการลงทุนในโรงไฟฟ้าแห่งใหม่^{[ 5 ]}ความเท่าเทียมกับโครงข่ายไฟฟ้าจะเกิดขึ้นโดยประมาณเมื่อ LCOE ลดลงจนมีราคาใกล้เคียงกับราคาโครงข่ายไฟฟ้าท้องถิ่นทั่วไป แม้ว่าในความเป็นจริงแล้วการคำนวณจะไม่สามารถเปรียบเทียบกันได้โดยตรง^{[ 97 ]}การติดตั้ง PV ขนาดใหญ่ในระดับอุตสาหกรรมได้บรรลุความเท่าเทียมกับโครงข่ายไฟฟ้าในแคลิฟอร์เนียในปี 2011 ^{[ 84 ] [ 97 ]}ในขณะนั้นยังเชื่อกันว่าความเท่าเทียมกับโครงข่ายไฟฟ้าสำหรับระบบบนหลังคายังอยู่ห่างไกลออกไปมาก^{[ 97 ]}การคำนวณ LCOE จำนวนมากไม่ถือว่าแม่นยำ และจำเป็นต้องมีการสมมติฐานจำนวนมาก^{[ 3 ] [ 97 ]}ราคาโมดูลอาจลดลงอีก และ LCOE สำหรับพลังงานแสงอาทิตย์อาจลดลงตามไปด้วยในอนาคต^{[ 98 ]}

เนื่องจากความต้องการพลังงานเพิ่มขึ้นและลดลงตลอดทั้งวัน และพลังงานแสงอาทิตย์มีข้อจำกัดเนื่องจากดวงอาทิตย์ตก บริษัทพลังงานแสงอาทิตย์จึงต้องคำนึงถึงต้นทุนเพิ่มเติมในการจัดหาแหล่งพลังงานทางเลือกที่มีเสถียรภาพมากขึ้นให้กับโครงข่ายเพื่อรักษาเสถียรภาพของระบบ หรือการจัดเก็บพลังงาน ต้นทุนเหล่านี้ไม่ได้ถูกนำมาคำนวณใน LCOE และไม่ได้รวมถึงเงินอุดหนุนพิเศษหรือเบี้ยประกันภัยที่อาจทำให้การซื้อพลังงานแสงอาทิตย์น่าสนใจยิ่งขึ้น^{[ 5 ]}ความไม่น่าเชื่อถือและความผันแปรตามเวลาในการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมเป็นปัญหาสำคัญ แหล่งพลังงานที่ไม่เสถียรเหล่านี้มากเกินไปอาจทำให้โครงข่ายไฟฟ้าทั้งหมดไม่เสถียร^{[ 99 ]}

ณ ปี 2017 ราคาสัญญาซื้อขายไฟฟ้าสำหรับฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ที่ต่ำกว่า 0.05 ดอลลาร์สหรัฐ/กิโลวัตต์ชั่วโมง เป็นเรื่องปกติในสหรัฐอเมริกา และราคาประมูลต่ำสุดในบางประเทศแถบอ่าวเปอร์เซียอยู่ที่ประมาณ 0.03 ดอลลาร์สหรัฐ/กิโลวัตต์ชั่วโมง^{[ 100 ]}เป้าหมายของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาคือการบรรลุต้นทุนพลังงานเฉลี่ยสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์ PV ที่ 0.03 ดอลลาร์สหรัฐ/กิโลวัตต์ชั่วโมง สำหรับบริษัทสาธารณูปโภค^{[ 101 ]}

แรงจูงใจทางการเงินสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์เช่นอัตราค่าไฟฟ้าแบบป้อนกลับ (FITs) มักถูกเสนอให้กับผู้บริโภคไฟฟ้าเพื่อติดตั้งและใช้งานระบบผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ และในบางประเทศ เงินอุดหนุนดังกล่าวเป็นวิธีเดียวที่เซลล์แสงอาทิตย์จะยังคงทำกำไรได้ทางเศรษฐกิจ^{[ 102 ]}อัตราค่าไฟฟ้าแบบป้อนกลับ (FITs) สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์มีความสำคัญต่อการเติบโตในช่วงแรกของเซลล์แสงอาทิตย์ เยอรมนีและสเปนเป็นประเทศที่สำคัญที่สุดที่ให้เงินอุดหนุนสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ และนโยบายของประเทศเหล่านี้เป็นแรงผลักดันความต้องการ^{[ 3 ]}

บริษัทผู้ผลิตเซลล์แสงอาทิตย์บางแห่งในสหรัฐฯ บ่นซ้ำแล้วซ้ำเล่าว่า ราคาโมดูล PV ที่ลดลงนั้นเกิดจากการอุดหนุนของรัฐบาลจีน และการทุ่มตลาดผลิตภัณฑ์เหล่านี้ในราคาต่ำกว่าราคาตลาดที่เป็นธรรม ผู้ผลิตในสหรัฐฯ โดยทั่วไปแนะนำให้เรียกเก็บภาษีนำเข้าจากต่างประเทศในอัตราสูงเพื่อให้พวกเขายังคงมีกำไร เพื่อตอบสนองต่อข้อกังวลเหล่านี้ รัฐบาลโอบามาจึงเริ่มเรียกเก็บภาษีนำเข้าจากผู้บริโภคในสหรัฐฯ สำหรับผลิตภัณฑ์เหล่านี้ในปี 2555 เพื่อเพิ่มราคาให้กับผู้ผลิตในประเทศ^{[ 3 ]}อย่างไรก็ตาม สหรัฐฯ ก็ให้เงินอุดหนุนแก่อุตสาหกรรมนี้เช่นกัน^{[ 91 ]}

นักสิ่งแวดล้อมบางคนได้ส่งเสริมแนวคิดที่ว่าควรใช้มาตรการจูงใจของรัฐบาลเพื่อขยายอุตสาหกรรมการผลิตแผงโซลาร์เซลล์เพื่อลดต้นทุนการผลิตไฟฟ้าจากแผงโซลาร์เซลล์ให้เร็วขึ้นมากจนสามารถแข่งขันกับเชื้อเพลิงฟอสซิลในตลาดเสรีได้ แนวคิดนี้อิงตามทฤษฎีที่ว่าเมื่อกำลังการผลิตเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเศรษฐกิจจากขนาดจะทำให้ราคาสินค้าพลังงานแสงอาทิตย์ลดลงครึ่งหนึ่ง^{[ 5 ]}

ในหลายประเทศ การเข้าถึงเงินทุนเพื่อพัฒนาโครงการพลังงานแสงอาทิตย์ยังขาดแคลน^{[ 103 ]}เพื่อแก้ปัญหานี้บางครั้งจึงใช้การแปลงสินทรัพย์เป็นหลักทรัพย์ เพื่อเร่งการพัฒนาโครงการพลังงานแสงอาทิตย์ ^{[ 93 ] [ 104 ] [ 105 ]}

พลังงานแสงอาทิตย์ยังถูกผลิตขึ้นในช่วงเวลาของวันซึ่งใกล้เคียงกับช่วงเวลาที่มีความต้องการสูงสุด (ก่อนหน้านั้น) ในระบบไฟฟ้าที่มีการใช้เครื่องปรับอากาศสูง เนื่องจากการทำงานของ PV ขนาดใหญ่จำเป็นต้องมีระบบสำรองในรูปแบบของพลังงานหมุนเวียน ต้นทุนส่วนเพิ่มของการผลิตในช่วงกลางวันจึงมักจะต่ำที่สุด แต่ไม่ใช่ศูนย์ เมื่อ PV กำลังผลิตไฟฟ้า สามารถดูได้จากรูปที่ 1 ของเอกสารนี้: ^{[ 106 ]}สำหรับที่อยู่อาศัยที่มีระบบ PV ส่วนตัวที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า เจ้าของอาจสามารถสร้างรายได้เพิ่มขึ้นเมื่อรวมเวลาการผลิตเข้าไปด้วย เนื่องจากไฟฟ้ามีมูลค่ามากกว่าในเวลากลางวันมากกว่าในเวลากลางคืน^{[ 107 ]}

นักข่าวคนหนึ่งตั้งทฤษฎีไว้ในปี 2012 ว่าหากค่าไฟฟ้าของชาวอเมริกันถูกผลักดันให้สูงขึ้นโดยการเก็บภาษีเพิ่มอีก 50 ดอลลาร์ต่อตันสำหรับการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากโรงไฟฟ้าถ่านหิน อาจทำให้พลังงานแสงอาทิตย์แบบ PV ดูคุ้มค่ากว่าสำหรับผู้บริโภคในพื้นที่ส่วนใหญ่^{[ 90 ]}

พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมกำลังขยายตัวเร็วกว่าแหล่งพลังงานไฟฟ้าในอดีต ต้นทุนที่ลดลง การออกแบบแบบโมดูลาร์ และการจัดเก็บแบตเตอรี่ที่ดีขึ้น ช่วยให้การเปลี่ยนไปใช้พลังงานหมุนเวียนเป็นไปได้ง่ายขึ้น โดยเฉพาะพลังงานแสงอาทิตย์^{[ 108 ]}

การเติบโตอย่างรวดเร็วของการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ (ในหน่วย TWh)

พลังงานแสงอาทิตย์แบบโฟโตโวลตาอิกส์เป็นงานวิจัยที่ใหญ่ที่สุดในบรรดาพลังงานยั่งยืนทั้งเจ็ดประเภทที่ได้รับการตรวจสอบใน การศึกษา บรรณมาตรศาสตร์ ระดับโลก โดยผลผลิตทางวิทยาศาสตร์ประจำปีเพิ่มขึ้นจาก 9,094 สิ่งพิมพ์ในปี 2011 เป็น 14,447 สิ่งพิมพ์ในปี 2019 ^{[ 109 ]}ในทำนองเดียวกัน การประยุกต์ใช้พลังงานแสงอาทิตย์แบบโฟโตโวลตาอิกส์ก็เติบโตอย่างรวดเร็ว และกำลังการผลิตที่ติดตั้งทั่วโลกแตะระดับ 1 เทราวัตต์ในเดือนเมษายน 2022 ^{[ 110 ]}กำลังการผลิตไฟฟ้ารวมของพลังงานแสงอาทิตย์แบบโฟโตโวลตาอิกส์ทั่วโลกในหนึ่งปีปฏิทินขณะนี้เกิน 500 เทราวัตต์ชั่วโมง ซึ่งคิดเป็น 2% ของความต้องการไฟฟ้าทั่วโลก มากกว่า 100 ประเทศเช่นบราซิลและอินเดียใช้พลังงานแสงอาทิตย์แบบโฟโตโวลตาอิกส์[ ^{111 ] [ 112 ] ตาม} มาด้วยสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นในขณะที่การติดตั้งในเยอรมนีซึ่งครั้งหนึ่งเคยเป็นผู้ผลิตรายใหญ่ที่สุดของโลก กำลังชะลอตัวลง

ในปี 2019 ฮอนดูรัสผลิตพลังงานจากแสงอาทิตย์ได้มากที่สุด คิดเป็น 14.8% ^{[ 113 ]}ณ ปี 2019 เวียดนามมีกำลังการผลิตติดตั้งสูงสุดในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ประมาณ 4.5 GW ^{[ 114 ]}อัตราการติดตั้งเฉลี่ยต่อปีประมาณ 90 วัตต์ต่อหัวต่อปี ทำให้เวียดนามอยู่ในกลุ่มผู้นำของโลก^{[ 114 ]} อัตรา ค่าไฟฟ้าแบบรับซื้อคืน (FIT) ที่เอื้ออำนวยและนโยบายสนับสนุนของรัฐบาล เช่น การยกเว้นภาษี เป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้พลังงานแสงอาทิตย์ในเวียดนามเฟื่องฟู ปัจจัยขับเคลื่อนที่สำคัญ ได้แก่ ความปรารถนาของรัฐบาลที่จะเพิ่มความสามารถในการพึ่งพาตนเองด้านพลังงานและความต้องการของประชาชนในด้านคุณภาพสิ่งแวดล้อมในท้องถิ่น^{[ 114 ]}

อุปสรรคสำคัญประการหนึ่งคือความจุของโครงข่ายส่งไฟฟ้าที่มีจำกัด^{[ 114 ]}

จีนมีกำลังการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์มากที่สุดในโลก โดยมีกำลังการผลิตติดตั้ง 1,048 กิกะวัตต์ในปี 2024 เมื่อเทียบกับประมาณ 339 กิกะวัตต์ในสหภาพยุโรป ตามข้อมูลของสำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ^{[ 115 ]}ประเทศอื่นๆ ที่มีกำลังการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์มากที่สุดในโลก ได้แก่ สหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น และเยอรมนี

20 อันดับประเทศที่มีกำลังการผลิตแผงโซลาร์เซลล์สูงสุดในปี 2022 (เมกะวัตต์)

กำลังการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งและรวมทั้งหมดในปี 2022 (MW) [ 116 ] # ประเทศชาติ ความจุทั้งหมด เพิ่มความจุ 1 จีน 393,000 86,100 2 สหรัฐอเมริกา 113,000 17,800 3 ญี่ปุ่น 78,800 4,600 4 เยอรมนี 66,600 8,100 5 อินเดีย 63,100 13,500 6 ออสเตรเลีย 26,800 7,700 7 อิตาลี 25,100 2,400 8 บราซิล 24,100 9,900 9 เกาหลีใต้ 21,000 2,800 10 สเปน 20,500 4,600 11 เนเธอร์แลนด์ 19,100 4,200 12 เวียดนาม 18,500 1,800 13 ฝรั่งเศส 17,400 2,700 14 สหราชอาณาจักร 14,400 720 15 โปแลนด์ 11,200 4,900 16 ไต้หวัน 9,700 2,000 17 ไก่งวง 9,400 1,600 18 เม็กซิโก 9,000 2,000 19 ยูเครน 8,100 0 20 เบลเยียม 6,900 310

ข้อมูล: รายงานIEA-PVPS Snapshot of Global PV Markets 2023 เดือนเมษายน 2023 [ 116 ]ดูพลังงานแสงอาทิตย์แยกตามประเทศสำหรับรายการที่สมบูรณ์และอัปเดตอย่างต่อเนื่อง

ในปี 2017 มีการคาดการณ์ว่าภายในปี 2030 กำลังการผลิตติดตั้งพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลกอาจอยู่ระหว่าง 3,000 ถึง 10,000 กิกะวัตต์^{[ 100 ]} ในปี 2010 กรีนพีซอ้างว่าระบบพลังงานแสงอาทิตย์ 1,845 กิกะวัตต์ทั่วโลกอาจผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 2,646 เทราวัตต์ชั่วโมงต่อปีภายในปี 2030 และภายในปี 2050 พลังงานแสงอาทิตย์อาจผลิตไฟฟ้าได้มากกว่า 20% ของไฟฟ้าทั้งหมด^{[ 117 ]}

แผงโซลาร์เซลล์หรือระบบเซลล์แสงอาทิตย์มีประโยชน์ใช้สอยมากมายในหลายสาขาเทคโนโลยี ตั้งแต่ภาคเกษตรกรรมเป็นแหล่งพลังงานสำหรับการชลประทาน ไปจนถึงการใช้งานในสถานพยาบาลในพื้นที่ห่างไกลเพื่อเก็บรักษาอุปกรณ์ทางการแพทย์ให้เย็น นอกจากนี้ยังมีการใช้งานอื่นๆ เช่น การผลิตไฟฟ้าในระดับต่างๆ และความพยายามที่จะบูรณาการเข้ากับบ้านเรือนและโครงสร้างพื้นฐานสาธารณะ โมดูล PV ถูกนำมาใช้ในระบบเซลล์แสงอาทิตย์และประกอบด้วยอุปกรณ์ไฟฟ้าหลากหลายชนิด

ระบบเซลล์แสงอาทิตย์ หรือระบบโซลาร์ PV คือระบบผลิตไฟฟ้าที่ออกแบบมาเพื่อจ่ายพลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้งานได้โดยใช้เซลล์แสงอาทิตย์ ประกอบด้วยส่วนประกอบหลายอย่าง เช่น แผงโซลาร์เซลล์เพื่อดูดซับและแปลงแสงแดดเป็นไฟฟ้าโดยตรง อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์เพื่อแปลงกระแสไฟฟ้าจาก DC เป็น AC รวมถึงอุปกรณ์ติดตั้ง สายเคเบิล และอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ ระบบ PV มีตั้งแต่ระบบขนาดเล็กที่ติดตั้งบนหลังคาหรือรวมเข้ากับอาคารมีกำลังการผลิตตั้งแต่ไม่กี่กิโลวัตต์ ถึงหลายสิบกิโลวัตต์ ไปจนถึง โรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ระดับสาธารณูปโภคที่มีกำลังการผลิตหลายร้อยเมกะวัตต์ปัจจุบัน ระบบ PV ส่วนใหญ่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าในขณะที่ ระบบ แบบแยกอิสระมีส่วนแบ่งในตลาดเพียงเล็กน้อย

โฟโตเซนเซอร์เป็นเซนเซอร์ของแสงหรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอื่น ๆ ^{[ 118 ]} โฟโตดีเทคเตอร์มีรอยต่อ p–nที่แปลงโฟตอนของแสงเป็นกระแสไฟฟ้า โฟตอนที่ถูกดูดซับจะสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลในบริเวณการพร่องโฟโตไดโอดและโฟโตทรานซิสเตอร์เป็นตัวอย่างของโฟโตดีเทคเตอร์ เซลล์แสงอาทิตย์แปลงพลังงานแสงที่ดูดซับบางส่วนเป็นพลังงานไฟฟ้า

เซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนผลึกเป็นเพียงประเภทหนึ่งของ PV และถึงแม้ว่าจะเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ส่วนใหญ่ที่ผลิตในปัจจุบัน แต่ก็ยังมีเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่มีแนวโน้มดีอีกมากมายที่มีศักยภาพที่จะขยายขนาดเพื่อตอบสนองความต้องการด้านพลังงานในอนาคต ณ ปี 2018 เทคโนโลยีเซลล์ซิลิคอนผลึกเป็นพื้นฐานสำหรับโมดูล PV หลายประเภท ได้แก่ โมโนคริสตัลไลน์ มัลติคริสตัลไลน์ โมโน PERC และไบเฟเชียล^{[ 119 ]}

เทคโนโลยีใหม่กว่าอีกอย่างหนึ่งคือ PV แบบฟิล์มบาง ซึ่งผลิตโดยการวางชั้นสารกึ่งตัวนำของเพอร์รอฟสไกต์ซึ่งเป็นแร่ที่มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ ลงบนพื้นผิวในสภาวะสุญญากาศ พื้นผิวที่ใช้มักจะเป็นแก้วหรือสแตนเลส และชั้นสารกึ่งตัวนำเหล่านี้ทำจากวัสดุหลายประเภท ได้แก่แคดเมียมเทลลูไรด์ (CdTe) คอปเปอร์อินเดียมไดซีลีไนด์ (CIS) คอปเปอร์อินเดียมแกลเลียมไดซีลีไนด์ (CIGS) และซิลิคอนอสัณฐาน (a-Si) หลังจากวางชั้นสารกึ่งตัวนำลงบนพื้นผิวแล้ว ชั้นสารกึ่งตัวนำจะถูกแยกออกจากกันและเชื่อมต่อด้วยวงจรไฟฟ้าโดยการสลักด้วยเลเซอร์^{[ 120 ] [ 121 ]}เซลล์แสงอาทิตย์เพอร์รอฟสไกต์เป็นตัวแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงมากและมีคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ที่ยอดเยี่ยมสำหรับวัตถุประสงค์ด้านโฟโตโวลตาอิก แต่การขยายขนาดจากเซลล์ขนาดห้องปฏิบัติการไปสู่โมดูลพื้นที่ขนาดใหญ่ยังอยู่ระหว่างการวิจัย^{[ 122 ]}วัสดุโฟโตโวลตาอิกแบบฟิล์มบางอาจกลายเป็นที่น่าสนใจในอนาคต เนื่องจากความต้องการวัสดุที่ลดลงและต้นทุนการผลิตโมดูลที่ประกอบด้วยฟิล์มบางเมื่อเทียบกับเวเฟอร์ที่ทำจากซิลิคอน^{[ 123 ]}ในปี 2019 ห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยที่ออกซ์ฟอร์ด สแตนฟอร์ด และที่อื่นๆ ได้รายงานเซลล์แสงอาทิตย์เพอร์รอฟสไกต์ที่มีประสิทธิภาพ 20-25% ^{[ 124 ]}

คอปเปอร์อินเดียมแกลเลียมเซเลไนด์ (CIGS) เป็นเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางที่ใช้สารกึ่งตัวนำตระกูลคอปเปอร์อินเดียมไดเซเลไนด์ (CIS) ในกลุ่มแชลโคไพไรต์CISและ CIGS มักใช้แทนกันได้ในกลุ่มผู้ใช้งาน CIS/CIGS โครงสร้างของเซลล์ประกอบด้วยกระจกโซดาไลม์เป็นพื้นผิว ชั้น Mo เป็นหน้าสัมผัสด้านหลัง CIS/CIGS เป็นชั้นดูดซับ แคดเมียมซัลไฟด์ (CdS) หรือ Zn(S,OH)x เป็นชั้นบัฟเฟอร์ และ ZnO:Al เป็นหน้าสัมผัสด้านหน้า^{[ 125 ]} CIGS มีความหนาประมาณ 1/100 ของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนแบบดั้งเดิม วัสดุที่จำเป็นสำหรับการประกอบหาได้ง่ายและมีต้นทุนต่อวัตต์ของเซลล์แสงอาทิตย์ต่ำกว่า อุปกรณ์พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้ CIGS ทนต่อการเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพเมื่อเวลาผ่านไปและมีความเสถียรสูงในภาคสนาม

รายงานผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากภาวะโลกร้อนของ CIGS อยู่ในช่วง 20.5–58.8 กรัม CO2 _- eq/kWh ของไฟฟ้าที่ผลิตได้สำหรับปริมาณรังสีแสงอาทิตย์ ที่แตกต่างกัน (1,700 ถึง 2,200 kWh/m² ^/ y) และประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (7.8 – 9.12%) ^{[ 126 ]} EPBT อยู่ในช่วง 0.2 ถึง 1.4 ปี^{[ 75 ]}ในขณะที่ค่าที่สอดคล้องกันของ EPBT พบว่าอยู่ที่ 1.393 ปี^{[ 63 ]}ความเป็นพิษเป็นปัญหาภายในชั้นบัฟเฟอร์ของโมดูล CIGS เนื่องจากมีแคดเมียมและแกลเลียม^{[ 58 ] [ 127 ]}โมดูล CIS ไม่มีโลหะหนักใดๆ

เซลล์แสงอาทิตย์เพอร์รอฟสไกต์ (PSC) เป็น เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วย สารประกอบ ที่มีโครงสร้างเพอร์รอฟส ไกต์ ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว จะ เป็นวัสดุไฮ บริดอินทรีย์- อนินทรีย์ที่ใช้ตะกั่ว หรือดีบุกเฮไลด์เป็นชั้นแอคทีฟใน การเก็บเกี่ยวแสง ^{[ 128 ] [ 129 ]}วัสดุเพอร์รอฟสไกต์ เช่นเมทิลแอมโมเนียมตะกั่วเฮไลด์และซีเซียมตะกั่วเฮไลด์ที่เป็นอนินทรีย์ทั้งหมด มีราคาถูกในการผลิตและง่ายต่อการผลิต

ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ในอุปกรณ์ขนาดห้องปฏิบัติการที่ใช้วัสดุเหล่านี้เพิ่มขึ้นจาก 3.8% ในปี 2552 ^{[ 130 ]}เป็น 27% ในปี 2568 ในโครงสร้างแบบรอยต่อเดี่ยว^{[ 131 ] [ 132 ]}และในเซลล์แบบแทนเดมที่ใช้ซิลิคอน เพิ่มขึ้นเป็น 34.85% ^{[ 131 ] [ 133 ]}ซึ่งเกินประสิทธิภาพสูงสุดที่ทำได้ในเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนแบบรอยต่อเดี่ยว ดังนั้น เซลล์แสงอาทิตย์เพอร์รอฟสไกต์จึงเป็นเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ที่ก้าวหน้าเร็วที่สุดในปี 2559 ^{[ 128 ]} ด้วยศักยภาพในการบรรลุประสิทธิภาพที่สูงขึ้นและต้นทุนการผลิตที่ต่ำมาก เซลล์แสงอาทิตย์เพอร์รอฟสไกต์จึงมีความน่าสนใจในเชิงพาณิชย์ ปัญหาหลักและหัวข้อการวิจัย ได้แก่ ความเสถียรในระยะยาว^{[ 134 ]}ความไวสูงต่อความชื้น^{[ 135 ]}และความเป็นพิษหากใช้ตะกั่ว^{[ 136 ]}การจัดการตะกั่วที่เป็นพิษใน PSC เป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากการสัมผัสก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพอย่างมาก รวมถึงความผิดปกติทางระบบประสาท เนื่องจาก PSC เป็นเทคโนโลยีที่กำลังพัฒนา พิษของตะกั่วจึงยังคงเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการนำไปใช้และการค้าอย่างแพร่หลาย

เซลล์แสงอาทิตย์แบบย้อมสี (Dye-sensitized solar cells , DSCs) เป็นเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางชนิดใหม่ เซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้ทำงานได้ดีภายใต้แสงแวดล้อมมากกว่าเทคโนโลยีโฟโตโวลตาอิกอื่นๆ โดยทำงานด้วยการดูดซับแสงในสีย้อมที่ไวต่อแสงระหว่างวัสดุขนส่งประจุสองชนิด สีย้อมจะล้อมรอบอนุภาคนาโน TiO2 _ซึ่งอยู่_ใน โครงข่ายเผาผนึก^{[ 137 ]} TiO2 ทำหน้าที่เป็นแถบนำไฟฟ้าในสารกึ่งตัวนำชนิด n เป็นโครงสร้างสำหรับโมเลกุลสีย้อมที่ตกแต่ง และขนส่งอิเล็กตรอนในระหว่างการกระตุ้น สำหรับเทคโนโลยี TiO2 _DSCการเตรียมตัวอย่างที่อุณหภูมิสูงมีประสิทธิภาพมาก เนื่องจากอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะสร้างคุณสมบัติพื้นผิวที่เหมาะสมยิ่งขึ้น ตัวอย่างอื่นของ DSCs คือสารประกอบทองแดงที่มี Cu (II/I) เป็นตัวกลางรีดอกซ์ร่วมกับ TMBY (4,4',6,6'-tetramethyl-2,2'bipyridine) DSCs แสดงประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยมภายใต้แสงประดิษฐ์และแสงภายในอาคาร เซลล์เหล่านี้ทำงานภายใต้สภาวะที่มีประสิทธิภาพสูงสุด 29.7% ในช่วงความสว่างตั้งแต่ 200 ลักซ์ถึง 2,000 ลักซ์^{[ 138 ]}

อย่างไรก็ตาม มีปัญหาเกิดขึ้นกับ DSC หลายประการ ซึ่งส่วนใหญ่มาจากอิเล็กโทรไลต์เหลว ตัวทำละลายเป็นอันตรายและจะซึมผ่านพลาสติกส่วนใหญ่ เนื่องจากเป็นของเหลว จึงไม่เสถียรต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ทำให้เกิดการแข็งตัวในอุณหภูมิต่ำและการขยายตัวในอุณหภูมิสูงจนทำให้เกิดความล้มเหลว^{[ 139 ]}ข้อเสียอีกประการหนึ่งคือเซลล์แสงอาทิตย์ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่เนื่องจากมีประสิทธิภาพต่ำ ข้อดีบางประการของ DSC คือสามารถใช้งานได้ในระดับแสงที่หลากหลาย (รวมถึงสภาพที่มีเมฆมาก) มีต้นทุนการผลิตต่ำ และไม่เสื่อมสภาพภายใต้แสงแดด ทำให้มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางประเภทอื่น ๆ

เทคโนโลยี PV ในอนาคตที่เป็นไปได้อื่นๆ ได้แก่ โฟโตโวลตาอิกแบบอินทรีย์ แบบย้อมสี และแบบควอนตัมดอท^{[ 140 ]}โฟโตโวลตาอิกแบบอินทรีย์ (OPVs) จัดอยู่ในประเภทการผลิตฟิล์มบาง และโดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพประมาณ 12% ซึ่งต่ำกว่า 12–21% ที่พบได้ทั่วไปใน PV ที่ใช้ซิลิคอน เนื่องจากโฟโตโวลตาอิกแบบอินทรีย์ต้องการความบริสุทธิ์สูงมากและมีปฏิกิริยาค่อนข้างสูง จึงต้องมีการห่อหุ้มซึ่งเพิ่มต้นทุนการผลิตอย่างมากและหมายความว่าไม่สามารถนำไปใช้ในการขยายขนาดได้ โฟโตโวลตาอิกแบบย้อมสีมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกับ OPVs แต่ผลิตได้ง่ายกว่ามาก อย่างไรก็ตาม โฟโตโวลตาอิกแบบย้อมสีเหล่านี้มีปัญหาในการจัดเก็บเนื่องจากอิเล็กโทรไลต์เหลวเป็นพิษและอาจซึมผ่านพลาสติกที่ใช้ในเซลล์ได้ เซลล์แสงอาทิตย์แบบควอนตัมดอทผลิตด้วยกระบวนการแบบสารละลาย ซึ่งหมายความว่าอาจสามารถขยายขนาดได้ แต่ปัจจุบันมีประสิทธิภาพสูงสุดที่ 12% ^{[ 122 ]}

เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์และ พอลิเมอร์ (OPV) เป็นสาขาการวิจัยที่ค่อนข้างใหม่ โครงสร้างเซลล์ OPV แบบดั้งเดิมประกอบด้วยชั้นอิเล็กโทรดกึ่งโปร่งใส ชั้นกั้นอิเล็กตรอน จุดเชื่อมต่ออุโมงค์ ชั้นกั้นรู และอิเล็กโทรด โดยแสงอาทิตย์จะตกกระทบอิเล็กโทรดโปร่งใส OPV แทนที่เงินด้วยคาร์บอนเป็นวัสดุอิเล็กโทรด ทำให้ต้นทุนการผลิตลดลงและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น^{[ 141 ]} OPV มีความยืดหยุ่น น้ำหนักเบา และทำงานได้ดีกับการผลิตแบบม้วนต่อม้วนสำหรับการผลิตจำนวนมาก^{[ 142 ]} OPV ใช้ "เฉพาะธาตุที่มีอยู่มากมายควบคู่กับพลังงานแฝงที่ต่ำมากผ่านอุณหภูมิการประมวลผลที่ต่ำมากโดยใช้เพียงสภาวะการประมวลผลโดยรอบบนอุปกรณ์การพิมพ์แบบง่ายๆ ทำให้สามารถคืนทุนด้านพลังงานได้" ^{[ 143 ]}ประสิทธิภาพในปัจจุบันอยู่ในช่วง 1–6.5% ^{[ 61 ] [ 144 ]}อย่างไรก็ตาม การวิเคราะห์ทางทฤษฎีแสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่สูงกว่า 10% ^{[ 143 ]}

มีการกำหนดค่า OPV ที่แตกต่างกันมากมายโดยใช้วัสดุที่แตกต่างกันสำหรับแต่ละชั้น เทคโนโลยี OPV เทียบเท่ากับเทคโนโลยี PV ที่มีอยู่ในแง่ของ EPBT แม้ว่าในปัจจุบันจะมีอายุการใช้งานที่สั้นกว่าก็ตาม การศึกษาในปี 2013 วิเคราะห์การกำหนดค่าที่แตกต่างกัน 12 แบบ โดยทั้งหมดมีประสิทธิภาพ 2% EPBT อยู่ในช่วง 0.29 ถึง 0.52 ปีสำหรับPV ขนาด^{1 ตารางเมตร [ 145 ]}ค่าเฉลี่ย CO ₂ -eq/kWh สำหรับ OPV คือ 54.922 กรัม^{[ 146 ]}

ระบบไฮบริดโฟโตโวลตาอิก-เทอร์โมอิเล็กทริก (PV-TEG) ​​เป็นเซลล์ PV แบบไฮบริดชนิดหนึ่งที่จับคู่เซลล์โฟโตโวลตาอิก (PV) กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก (TEG) ^{[ 148 ]} TEG อาศัยผลของซีเบคซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อจุดเชื่อมต่อของวัสดุตัวนำสองชนิดประสบกับความแตกต่างของอุณหภูมิ ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า^{[ 149 ]}แรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิ

ในระหว่างกระบวนการแปลงแสงเป็นไฟฟ้า ความร้อนจะกระจายออกไป ทำให้เซลล์ PV มีประสิทธิภาพลดลงที่อุณหภูมิสูงและลดอายุการใช้งาน^{[ 149 ]}ด้วยการรวม TEG เข้ากับระบบ ความร้อนจะถูกระบายออกจากเซลล์ PV และแปลงเป็นไฟฟ้า ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน^{[ 150 ]}

ค่าประสิทธิภาพเทอร์โมอิเล็กทริก ZTเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพในการแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้า รวมถึงความสามารถในการทำความเย็น^{[ 151 ]}การปรับพารามิเตอร์ต่างๆ เช่นค่าการนำไฟฟ้า (σ) ค่าสัมประสิทธิ์ซีเบค (S) และค่าการนำความร้อน (κ) ให้เหมาะสมเป็นสิ่งที่น่าสนใจเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้สูงสุด

${\displaystyle ZT={\sigma S^{2}T \over \kappa }}$

โดยทั่วไปวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกจะมีค่า ZT ประมาณ 1 ซึ่งสอดคล้องกับประสิทธิภาพประมาณ 10% หรือน้อยกว่า^{[ 151 ]}แม้ว่า TEG ทั่วไปจะมีประสิทธิภาพการแปลงต่ำ แต่การวิจัยอย่างต่อเนื่องในวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก เช่น BiTe (ZT = 2.4), SnSe (ZT = 2.6) และสารประกอบฮาล์ฟ-เฮาส์เลอร์ (ZT = 1.6) ได้นำไปสู่การปรับปรุงประสิทธิภาพในช่วงหลายปีที่ผ่านมา^{[ 151 ] [ 150 ]}การคาดการณ์ทางทฤษฎีบ่งชี้ถึงศักยภาพที่มากขึ้นสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพ โดยมีค่าประมาณ 14 สำหรับ BiTe, 2.6 สำหรับ SnSe และ 2.2 สำหรับฮาล์ฟ-เฮาส์เลอร์^{[ 151 ]}

แผงโซลาร์เซลล์หลายแผงอาจถูกติดตั้งในแนวตั้งซ้อนกันเป็นหอคอย หากระยะห่างจากจุดสูงสุดของดวงอาทิตย์มากกว่าศูนย์ และสามารถหมุนหอคอยทั้งหมดและแต่ละแผงรอบแกนแนวนอนได้ในแนวนอน ในหอคอยดังกล่าว แผงโซลาร์เซลล์สามารถติดตามดวงอาทิตย์ได้อย่างแม่นยำ อุปกรณ์ดังกล่าวอาจอธิบายได้ว่าเป็นบันไดที่ติดตั้งบนแผ่นดิสก์ที่หมุนได้ แต่ละขั้นของบันไดนั้นคือแกนกลางของแผงโซลาร์เซลล์รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า ในกรณีที่ระยะห่างจากจุดสูงสุดของดวงอาทิตย์เป็นศูนย์ "บันได" อาจหมุนไปทางทิศเหนือหรือทิศใต้เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้แผงโซลาร์เซลล์แผงหนึ่งสร้างเงาบนแผงที่อยู่ต่ำกว่า แทนที่จะใช้หอคอยที่ตั้งตรงในแนวตั้ง เราอาจเลือกใช้หอคอยที่มีแกนชี้ไปยังดาวเหนือซึ่งหมายความว่ามันขนานกับแกนหมุนของโลกในกรณีนี้ มุมระหว่างแกนและดวงอาทิตย์จะมากกว่า 66 องศาเสมอ ในระหว่างวัน เพียงแค่หมุนแผงรอบแกนนี้ก็สามารถติดตามดวงอาทิตย์ได้แล้ว การติดตั้งอาจเป็นการติดตั้งบนพื้นดิน (และบางครั้งก็รวมเข้ากับการทำฟาร์มและการเลี้ยงสัตว์) ^{[ 152 ]}หรือสร้างไว้ในหลังคาหรือผนังของอาคาร ( เซลล์แสงอาทิตย์แบบบูรณาการกับอาคาร )

ในกรณีที่พื้นที่ดินมีจำกัด สามารถติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์แบบลอยน้ำได้ ในปี 2551 โรงงานผลิตไวน์ Far Niente ได้บุกเบิกระบบ "โฟโตโวลตาอิก" แห่งแรกของโลก โดยติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์แบบโฟโตโวลตาอิกจำนวน 994 แผงลงบนทุ่นลอยน้ำจำนวน 130 ทุ่น และปล่อยให้ลอยอยู่บนสระน้ำชลประทานของโรงงานผลิตไวน์^{[ 153 ] [ 154 ]}ข้อดีของการติดตั้งแบบนี้คือ แผงโซลาร์เซลล์จะอยู่ที่อุณหภูมิต่ำกว่าเมื่ออยู่บนบก ทำให้ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์สูงขึ้น แผงโซลาร์เซลล์แบบลอยน้ำยังช่วยลดปริมาณน้ำที่สูญเสียไปจากการระเหยและยับยั้งการเจริญเติบโตของสาหร่าย^{[ 155 ]}

ระบบ เซลล์แสงอาทิตย์แบบรวมแสงเป็นเทคโนโลยีที่แตกต่างจากระบบเซลล์แสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบทั่วไป โดยใช้เลนส์และกระจกโค้งเพื่อรวมแสงอาทิตย์ไปยัง เซลล์แสงอาทิตย์ แบบหลายชั้นขนาด เล็กแต่มีประสิทธิภาพสูง ระบบเหล่านี้บางครั้งใช้ตัวติดตามแสงอาทิตย์และระบบระบายความร้อนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

ในปี 2019 สถิติโลกด้านประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ 47.1% ได้รับการบรรลุผลโดยใช้ เซลล์แสงอาทิตย์ แบบรวมแสงหลายชั้น ซึ่งพัฒนาขึ้นที่ห้องปฏิบัติการพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติ โคโลราโด สหรัฐอเมริกา^{[ 156 ]}ประสิทธิภาพสูงสุดที่ทำได้โดยไม่ต้องใช้การรวมแสง ได้แก่ วัสดุจากบริษัท Sharp Corporationที่ 35.8% โดยใช้เทคโนโลยีการผลิตแบบสามชั้นที่เป็นกรรมสิทธิ์ในปี 2009 ^{[ 157 ]}และ Boeing Spectrolab (40.7% โดยใช้การออกแบบสามชั้นเช่นกัน)

มีความพยายามอย่างต่อเนื่องในการเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของเซลล์และโมดูล PV โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อความได้เปรียบในการแข่งขัน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ จำเป็นต้องเลือกวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างแถบพลังงาน ที่เหมาะสม ซึ่งตรงกับสเปกตรัมแสงอาทิตย์ ซึ่งจะช่วยเพิ่มคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางแสง การปรับปรุงวิธีการรวบรวมประจุยังเป็นประโยชน์ในการเพิ่มประสิทธิภาพอีกด้วย มีวัสดุหลายกลุ่มที่กำลังได้รับการพัฒนา อุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูงมาก (η>30%) ^{[ 158 ]}ผลิตโดยใช้เซมิคอนดักเตอร์ GaAs และ GaInP2 ร่วมกับเซลล์แทนเดมแบบหลายชั้น วัสดุซิลิคอนผลึกเดี่ยวคุณภาพสูงถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้เซลล์ที่มีประสิทธิภาพสูงและต้นทุนต่ำ (η>20%)

การพัฒนาล่าสุดในเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ (OPVs) ทำให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานเพิ่มขึ้นอย่างมากจาก 3% เป็นมากกว่า 15% นับตั้งแต่มีการเปิดตัวในช่วงทศวรรษ 1980 ^{[ 159 ]}จนถึงปัจจุบัน ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงสุดที่รายงานอยู่ในช่วง 6.7–8.94% สำหรับโมเลกุลขนาดเล็ก 8.4–10.6% สำหรับ OPVs โพลีเมอร์ และ 7–21% สำหรับ OPVs เพอร์รอฟสไกต์^{[ 160 ] [ 161 ]} คาดว่า OPVs จะมีบทบาทสำคัญในตลาด PV การปรับปรุงล่าสุดได้เพิ่มประสิทธิภาพและลดต้นทุน ในขณะที่ยังคงเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและสามารถหมุนเวียนได้

หลายบริษัทได้เริ่มฝังตัวเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานลงในโมดูล PV ที่เรียกว่าโมดูลอัจฉริยะโมดูลเหล่านี้จะทำการติดตามจุดกำลังสูงสุด (MPPT) สำหรับแต่ละโมดูลแยกกัน วัดข้อมูลประสิทธิภาพเพื่อการตรวจสอบ และมีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยเพิ่มเติม โมดูลดังกล่าวยังสามารถชดเชยผลกระทบจากเงาได้อีกด้วย โดยเงาที่ตกกระทบส่วนใดส่วนหนึ่งของโมดูลจะทำให้กำลังไฟฟ้าขาออกของเซลล์หนึ่งหรือหลายสายในโมดูลลดลง^{[ 162 ]}

สาเหตุสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้ประสิทธิภาพของเซลล์ลดลงคือความร้อนสูงเกินไป ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์จะลดลงประมาณ 0.5% ทุกๆ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส ซึ่งหมายความว่าอุณหภูมิพื้นผิวที่เพิ่มขึ้น 100 องศาเซลเซียส อาจทำให้ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ลดลงประมาณครึ่งหนึ่ง เซลล์แสงอาทิตย์แบบระบายความร้อนด้วยตัวเองเป็นวิธีแก้ปัญหาหนึ่ง แทนที่จะใช้พลังงานในการระบายความร้อนพื้นผิว สามารถสร้างรูปทรงพีระมิดและกรวยจากซิลิกาและติดเข้ากับพื้นผิวของแผงโซลาร์เซลล์ การทำเช่นนี้จะช่วยให้แสงที่มองเห็นได้เข้าถึงเซลล์แสงอาทิตย์แต่จะสะท้อน รังสี อินฟราเรด (ซึ่งนำพาความร้อน) ^{[ 163 ]}

• มลพิษและพลังงานในกระบวนการผลิต

แสงอาทิตย์ 122  เพตาวัตต์ที่ส่องมายังพื้นผิวโลกนั้นมีมากมายเหลือเฟือ เกือบ 10,000 เท่าของพลังงานเฉลี่ยที่มนุษย์ใช้ในปี 2548 ซึ่งเทียบเท่ากับ 13 เทราวัตต์^{[ 164 ]}ความอุดมสมบูรณ์นี้ทำให้เกิดข้อเสนอแนะว่าอีกไม่นานพลังงานแสงอาทิตย์จะกลายเป็นแหล่งพลังงานหลักของโลก^{[ 165 ]}นอกจากนี้ รังสีจากดวงอาทิตย์ยังมีความหนาแน่นของพลังงานสูงสุด (ค่าเฉลี่ยทั่วโลก 170 วัตต์/ตารางเมตร⁾ในบรรดาพลังงานหมุนเวียน^{[ 164 ]}

พลังงานแสงอาทิตย์ไม่ก่อให้เกิดมลพิษในระหว่างการใช้งาน ซึ่งช่วยลดมลพิษได้เมื่อนำมาใช้แทนแหล่งพลังงานอื่นๆ ตัวอย่างเช่นMITประมาณการว่ามีผู้เสียชีวิตก่อนวัยอันควรในสหรัฐอเมริกาปีละ 52,000 คนจากมลพิษของโรงไฟฟ้าถ่านหิน^{[ 166 ]}และการเสียชีวิตเหล่านี้เกือบทั้งหมดสามารถป้องกันได้โดยการใช้พลังงานแสงอาทิตย์แทนถ่านหิน^{[ 167 ] [ 168 ]}ของเสียและการปล่อยมลพิษจากการผลิตสามารถจัดการได้โดยใช้มาตรการควบคุมมลพิษที่มีอยู่ เทคโนโลยีการรีไซเคิลเมื่อสิ้นสุดการใช้งานกำลังอยู่ระหว่างการพัฒนา^{[ 169 ]}และนโยบายต่างๆ กำลังถูกสร้างขึ้นเพื่อส่งเสริมการรีไซเคิลจากผู้ผลิต^{[ 170 ]}

แผงโซลาร์เซลล์มักมีการรับประกัน 25 ปี (แต่อินเวอร์เตอร์มักจะเสียเร็วกว่านั้น) ^{[ 171 ] [ 172 ]}โดยมีการบำรุงรักษาหรือการแทรกแซงเพียงเล็กน้อยหลังจากการติดตั้งครั้งแรก ดังนั้นหลังจากต้นทุนการลงทุน เริ่มต้น ในการสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แล้วต้นทุนการดำเนินงานจะต่ำมากเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีพลังงานที่มีอยู่ แนวทางหนึ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพด้านสิ่งแวดล้อมของ PV คือการใช้โมดูล PV ทรงกลมที่ออกแบบมาให้สามารถถอดประกอบได้ง่าย^{[ 173 ] [ 174 ]}

โซลาร์เซลล์บนหลังคาสามารถใช้งานในพื้นที่ได้ จึงช่วยลดการสูญเสียในการส่ง/กระจาย^{[ 175 ]}

• การลงทุนวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์

เมื่อเทียบกับแหล่งพลังงานฟอสซิลและนิวเคลียร์ มีการลงทุนวิจัยเพียงเล็กน้อยในการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ ดังนั้นจึงยังมีช่องว่างให้ปรับปรุงอีกมาก อย่างไรก็ตามเซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพสูง เชิงทดลอง ในปัจจุบันมีประสิทธิภาพมากกว่า 40% ในกรณีของเซลล์แสงอาทิตย์แบบรวมแสง^{[ 176 ]}และประสิทธิภาพกำลังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในขณะที่ต้นทุนการผลิตจำนวนมากกำลังลดลงอย่างรวดเร็ว^{[ 177 ]}

• เงินอุดหนุนด้านที่อยู่อาศัย

ในบางรัฐของสหรัฐอเมริกา การลงทุนในระบบติดตั้งบนบ้านส่วนใหญ่อาจสูญเปล่าหากเจ้าของบ้านย้ายที่อยู่ และผู้ซื้อประเมินมูลค่าระบบต่ำกว่าผู้ขาย เมืองเบิร์กลีย์ได้พัฒนาวิธีการจัดหาเงินทุนที่เป็นนวัตกรรมใหม่เพื่อขจัดข้อจำกัดนี้ โดยการเพิ่มการประเมินภาษีที่โอนไปพร้อมกับบ้านเพื่อชำระค่าแผงโซลาร์เซลล์^{[ 178 ]}ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อPACE (Property Assessed Clean Energy) ซึ่ง 30 รัฐในสหรัฐอเมริกาได้นำวิธีการนี้ไปใช้แล้ว^{[ 179 ]}

• ผลกระทบต่อระบบเครือข่ายไฟฟ้า

สำหรับระบบเซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคาที่อยู่หลังมิเตอร์ การไหลของพลังงานจะเป็นแบบสองทาง เมื่อมีการผลิตในพื้นที่มากกว่าการบริโภค ไฟฟ้าจะถูกส่งออกไปยังโครงข่าย ทำให้สามารถวัดปริมาณสุทธิได้ อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้วโครงข่ายไฟฟ้าไม่ได้ออกแบบมาเพื่อรองรับการถ่ายโอนพลังงานแบบสองทาง ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาทางเทคนิค ปัญหาแรงดันไฟฟ้าเกินอาจเกิดขึ้นเมื่อไฟฟ้าไหลจากครัวเรือนที่มีเซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้กลับไปยังโครงข่าย^{[ 180 ]}มีวิธีแก้ปัญหาแรงดันไฟฟ้าเกิน เช่น การควบคุมตัวประกอบกำลังของอินเวอร์เตอร์ PV อุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าและพลังงานใหม่ในระดับผู้จัดจำหน่ายไฟฟ้า การเปลี่ยนตัวนำไฟฟ้า การจัดการด้านอุปสงค์ ฯลฯ มักมีข้อจำกัดและค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับวิธีแก้ปัญหาเหล่านี้

การผลิตไฟฟ้าในปริมาณมากในช่วงกลางวันจะช่วยลดความต้องการใช้ไฟฟ้าสุทธิ แต่ความต้องการใช้ไฟฟ้าสุทธิสูงสุดในช่วงพลบค่ำอาจจำเป็นต้องเร่งการเพิ่มกำลังการผลิตของโรงไฟฟ้า ทำให้เกิดรูปแบบการใช้ไฟฟ้าที่เรียกว่า "เส้นโค้งเป็ด "

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเซลล์แสงอาทิตย์

• "พื้นฐานของเซลล์แสงอาทิตย์" . MIT OpenCourseWare.