แหล่งกำเนิดไฟฟ้าจากแสงประสิทธิภาพสูงโดยวัสดุท่อนาโน

         โซลาร์เซลล์ (Solar cell) คือ อุปกรณ์ชนิดหนึ่งที่สามารถแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในปัจจุบันอุปกรณ์ชนิดนี้ได้รับความนิยมอย่างมาก เนื่องจากมีราคาถูก มีเสถียรภาพ และมีประสิทธิภาพสูง ตามโครงสร้างแล้วนั้น โซลาร์เซลล์จะประกอบด้วยวัสดุกึ่งตัวนำ 2 ชนิด (ส่วนมากนิยมใช้ซิลิคอนหรือเยอรมันเนียม) ที่มีการเจือ (Doping) ให้มีประจุบวกเกิน (ชนิด p) หรือประจุลบเกิน (ชนิด n) นำมาประกบกัน สนามไฟฟ้าที่บริเวณรอยต่อของวัสดุชนิด p และ n จะเกิดขึ้น เพราะฉะนั้น เมื่อมีแสงฉายเข้ามาที่แผงโซลาร์เซลล์จะเกิดการไหลของอิเล็กตรอนอิสระ (Free electron) เนื่องจากปรากฎการณ์โฟโตวอลเทอิค (Photovoltaic effect) ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลไปสู่วงจรไฟฟ้าภายนอก ^[1]


         อย่างไรก็ตามโซลาร์เซลล์รอยต่อ p-n ถ้ามีการสร้างเป็นแบบรอยต่อเดียวจะมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าจำกัดตามทฤษฎีอยู่ไม่เกิน 33.7% ^[2] ในขณะที่โซลาร์เซลล์ที่ผลิตเชิงการค้าในปัจจุบันมีประสิทธิภาพอยู่แค่ประมาณ 7-18% การทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มมากขึ้นสามารถทำได้โดยการสร้างเป็นลักษณะหลายรอยต่อ (Heterojunction) หรือการปรับแต่งชั้นรับแสงให้สามารถรับแสงได้ดีขึ้น เป็นต้น ซึ่งจะมีความซับซ้อนในด้านการสร้าง เสถียรภาพลดน้อยลง และใช้ต้นทุนที่สูง ดังนั้น เราจึงเห็นได้ว่าโซลาร์เซลล์แบบดั้งเดิมมีข้อจำกัดทั้งทางด้านการใช้งานและการพัฒนา

 

โครงสร้างของโซลาร์เซลล์ดั้งเดิมรอยต่อ p-n ^[1]
 

         ในปัจจุบันมีโซลาร์เซลล์ชนิดใหม่ถูกพัฒนาขึ้นหลายประเภท โดยไม่อ้างอิงตามโครงสร้างของโซลาร์เซลล์แบบดั้งเดิมที่เป็นรอยต่อ p-n ยกตัวอย่างเช่น โซลาร์เซลล์ชนิดสีย้อมไวแสง (Dye-sensitized solar cell) ที่เป็นที่นิยมอย่างมากในปัจจุบัน เนื่องจากใช้ต้นทุนการผลิตต่ำ และมีประสิทธิภาพสูงใกล้เคียงกับโซลาร์เซลล์แบบดั้งเดิม โซลาร์เซลล์ชนิดนี้มีโครงสร้างหลักที่ประกอบไปด้วยวัสดุเซนซิไทเซอร์ชนิดสีย้อม (Dye sensitizer) ที่ทำหน้าที่ดูดกลืนแสง สารละลายอิเล็กทรอไลต์ (Electrolyte solution) ซึ่งช่วยการเกิดปฎิกิริยาออกซิเดชันภายในโซลาร์เซลล์ และเคาท์เตอร์อิเล็กโทรด (Counter electrode) ทำหน้าที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอน ^[3] อย่างไรก็ตามโซลาร์เซลล์ชนิดนี้มีข้อจำกัด ดังที่สารละลายอิเล็กทรอไลต์จะมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิต่ำมากสารละลายจะเกิดการแข็งตัวทำให้โซลาร์เซลล์ไม่สามารถทำงานได้ และถ้าอุณหภูมิสูงมากสารละลายจะเกิดการขยายตัว อาจทำให้ตัวอุปกรณ์โซลาร์เซลล์เกิดความเสียหาย ^[4]


         นอกจากนั้นยังมีโซลาร์เซลล์อีกชนิดหนึ่ง ที่สร้างจากโครงสร้างที่ง่ายกว่าโซลาร์เซลล์แบบดั้งเดิมรอยต่อ p-n และโซลาร์เซลล์ชนิดสีย้อมไวแสง โดยอาศัยแค่วัสดุชนิดเดียวเท่านั้น นั่นคือ โซลาร์เซลล์ชนิดเฟอโรอิเล็กทริค (Ferroelectric solar cell) [5,6] โดยที่โซลาร์เซลล์ชนิดนี้จะประกอบด้วยโครงสร้างหลักเป็นวัสดุเซรามิกเคลือบด้วยอิเล็กโทรดโลหะแบบฟิล์มบาง โดยที่เซรามิกจะต้องมีคุณสมบัติเฟอโรอิเล็กทริก (Ferroelectric property) กล่าวคือ ภายในวัสดุชนิดนี้จะต้องมีโครงสร้างเซลล์หน่วยที่ไม่สมมาตร จึงเกิดสนามไฟฟ้าภายในตัววัสดุ ดังนั้น เมื่อมีแสงฉายเข้ามา อิเล็กตรอนอิสระจะถูกกระตุ้นให้สามารถไหลออกสู่วงจรภายนอกได้ โซลาร์เซลล์ชนิดนี้มีข้อดีตรงที่สามารถสร้างได้ง่ายมาก ใช้ต้นทุนต่ำ และไม่มีข้อจำกัดเชิงประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตามโซลาร์เซลล์ชนิดเฟอโรอิเล็กทริกจะให้กระแสไฟฟ้าที่ต่ำมาก (ระดับนาโนแอมแปร์) เนื่องจากวัสดุเซรามิกโดยทั่วไปมีค่าช่องว่างแถบพลังงาน (Energy gap) กว้าง (มากกว่า 3 eV) จึงทำให้ดูดกลืนแสงได้ไม่มาก ดังนั้น โซลาร์เซลล์ชนิดนี้จึงไม่ค่อยได้รับความนิยมมากนักในการพัฒนา รวมถึงทางด้านการค้า

ท่อนาโนทังสเตนไดซัลไฟด์ ^[7]
 

          เมื่อไม่นานมานี้ Zhang และคณะ ^[7] ได้พบผลตอบสนองทางแสงในวัสดุท่อนาโนทังสเตนไดซัลไฟด์ (Tunsten disulfide (WS2) nanotube) วัสดุ WS2 โดยปกติแล้วเป็นวัสดุกึ่งตัวนำที่มีค่าช่องว่างแถบพลังงานประมาณ 2.1 eV เมื่อ WS2 มีลักษณะเป็นแผ่นฟิล์มนาโนจะมีโครงสร้างเซลล์หน่วยแบบสมมาตร จึงไม่เหมาะนำมาสร้างเป็นอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานแสง แต่เมื่อสร้างให้มีลักษณะเป็นท่อนาโนโครงสร้างเซลล์หน่วยจะกลายเป็นแบบไม่สมมาตรและมีสมบัติเฟอโรอิเล็กทริกเกิดขึ้น จึงเป็นที่น่าสนใจในการนำมาสร้างเป็นโซลาร์เซลล์ชนิดเฟอโรอิเล็กทริก ด้วยการนี้ทีมวิจัยได้ทดลองทดสอบผลตอบทางแสงในแต่ละท่อนาโน โดยการเชื่อมต่ออิเล็กโทรดและฉายจุดแสงเลเซอร์ไปยังท่อนาโนที่สนใจ จากผลการทดลองพบว่าในท่อนาโนที่มีขนาดเล็กมาก (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100 nm) ให้ค่าแรงดันเปิดวงจรและกระแสไฟฟ้าลัดวงจรประมาณ 0.4 V และ 10 nA ตามลำดับ ซึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับโซลาร์เซลล์ชนิดเฟอโรอิเล็กทริคที่สร้างจากเซรามิกในขนาดวัสดุที่เท่ากันประมาณ 1 mm2 จะพบว่าค่ากระแสไฟฟ้าที่ได้จากท่อนาโนวัสดุ WS2 สามารถเพิ่มขึ้นได้ถึงระดับ mA  
 

ผลตอบสนองทางแสงของท่อนาโนทังสเตนไดซัลไฟด์ ^[7]
 

         เราจะพบว่างานวิจัยนี้เป็นการค้นพบที่สำคัญมากสำหรับการพัฒนาโซลาร์เซลล์ชนิดเฟอโรอิเล็กทริค ถ้าสามารถนำแนวคิดที่เสนอจากงานวิจัยนี้ไปต่อยอดโดยทำให้ท่อนาโนวัสดุ WS2 มีขนาดใหญ่ขึ้นโดยอาจจะสร้างให้ท่อนาโนมีจำนวนมากและนำมารวมกันให้เป็นลักษณะฟิล์มบาง หรือไม่ก็เป็นลักษณะคอมโพสิตร่วมกับวัสดุอื่น ก็จะทำให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นตามการคาดการณ์ เพราะฉะนั้นตามงานวิจัยนี้ที่ได้เสนอวัสดุชนิดใหม่เพื่อสร้างเป็นโซลาร์เซลล์ โดยแสดงให้เห็นถึงการลดข้อจำกัดของกระแสไฟฟ้าขาออกที่น้อยในโซลาร์เซลล์ชนิดเฟอโรอิเล็กทริค ก็อาจทำให้ในอนาคตมีโซลาร์เซลล์ชนิดใหม่เพิ่มขึ้นมาในเชิงการค้าก็เป็นไปได้
 

เรียบเรียงโดย

ดร. สายชล ศรีแป้น
คณะวิทยาศาสตร์ พลังงาน และสิ่งแวดล้อม
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

อ้างอิง
[1] Basics of Solar Cell. http://www.leonics.com/support/article2_13j/articles2_13j_en.php (สืบค้นเมื่อ 18 กรกฎาคม พ.ศ. 2562)
[2] Shockley–Queisser limit. https://en.wikipedia.org/wiki/Shockley%E2%80%93Queisser_limit (สืบค้นเมื่อ 18 กรกฎาคม พ.ศ. 2562)
[3] พงศธร อมรพิทักษ์สุข และนรารักษ์ หลีสกุล, เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใช้สีย้อมเป็นเซนซิไทเซอร์, Songklanakarin Journal of Science and Technology 25 (2003), 536-551. 
[4] Dye-Sensitized Solar Cells. http://large.stanford.edu/courses/2010/ph240/luk2/ (สืบค้นเมื่อ 19 กรกฎาคม พ.ศ. 2562)
[5] W. T. H. Koch et al., Bulk photovoltaic effect in BaTiO3, Solid State Communications 17 (1975), 847-850. 
[6] I. Grinberg et al., Perovskite oxides for visible-light-absorbing ferroelectric and photovoltaic materials, Nature 503 (2013), 509-512. 
[7] Y. J. Zhang et al., Enhanced intrinsic photovoltaic effect in tungsten disulfide nanotubes, Nature 570 (2019), 349.