ผลของท่อนาโนคาร์บอนในเจลอิเล็กโทรไลต์ที่มีต่อประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงที่มีซิงก์ออกไซด์เป็นฐาน

22 ตุลาคม 2556

 

        คณะผู้วิจัย ห้องปฏิบัติการวิจัยฟิสิกส์ประยุกต์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ สนใจที่จะพัฒนาและวิจัยเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (dye-sensitized solar cells, DSSCs) ซึ่งเป็นหนึ่งในตัวเลือกที่พัฒนาแทนที่เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิกอน เนื่องจากเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีขั้นตอนในการทำงานไม่ยุ่งยาก และมีต้นทุนต่ำ [1] ปัจจุบันมีการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ออกมาจำหน่ายแล้ว แต่เซลล์ชนิดนี้ยังคงมีประสิทธิภาพต่ำ ซึ่งประสิทธิภาพจะขึ้นอยู่กับปริมาณกระแสที่สร้างได้และค่าความต่างศักย์ของเซลล์ จึงสามารถทำการปรับปรุงได้โดยให้เซลล์สร้างกระแสได้มากขึ้นและเพิ่มความต่างศักย์ของเซลล์โดยลดการไหลย้อนกลับของกระแส ซึ่งจะขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะออกไซด์ที่นำมาใช้เป็นชั้นโฟโตอิเล็กโทรด เนื่องด้วยองค์ความรู้ที่สั่งสมมาทางด้านวัสดุนาโน ZnO [2-3] คณะผู้วิจัยจึงสนใจที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้โดยเลือกใช้ซิงก์ออกไซด์ (ZnO) เป็นชั้นโฟโตอิเล็กโทรด ซึ่งโครงสร้างและกลไกการทำงานของเซลล์ชนิดนี้ มีลักษณะดังรูปที่ 1

 

 

รูปที่ 1 โครงสร้างและกลไกการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

 

        ZnO ยังเป็นสารชนิดหนึ่งที่นิยมนำมาใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ เนื่องจากสมบัติที่ใกล้เคียงกันกับออกไซด์สารกึ่งตัวนำที่นิยมใช้กัน ได้แก่ ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) เนื่องจาก ZnO มีค่าช่องว่างแถบพลังงานและค่าสัมพรรคภาพอิเล็กตรอน (electron affinity) ที่ใกล้เคียงกันกับของ TiO2 รวมทั้งมีความคล่องตัวของอิเล็กตรอนที่สูงกว่า (electron mobility), อัตราการไหลย้อนรวมตัวที่ต่ำกว่า (recombination) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ZnO ยังสามารถเตรียมสัณฐานนาโนได้หลากหลายรูปแบบ ขณะนี้เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดที่ใช้ ZnO เป็นฐานมีรายงานของประสิทธิภาพสูงสุดประมาณ 7.14% (ในขณะที่เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมที่เตรียมจากโครงสร้างนาโนของ TiO2 มีประสิทธิภาพสูงสุดประมาณ 12.3%) [4-5]

        ชั้นของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เป็นชั้นที่สำคัญของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ซึ่งทำหน้าที่ในการถ่ายเทประจุอิเล็กตรอนจากขั้วเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดไปยังขั้วโฟโตอิเล็กโทรด ในงานวิจัยนี้ได้ศึกษาแนวทางการเพิ่มประสิทธิภาพและความคงทนของเซลล์โดยเน้นไปที่ชั้นของอิเล็กโทรไลต์ (LiI/I2+Popylene carbonate) แต่ประสบปัญหาด้านความคงทนเนื่องจากการรั่วไหลและการระเหยของอิเล็กโทรไลต์เหลวรวมทั้งการเสื่อมสภาพของเซลล์ [6] แนวทางในการแก้ปัญหาทำได้โดยใช้สารกึ่งตัวนำอนินทรีย์ชนิด p และโครงข่ายของโพลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์กึ่งของแข็งแทนการใช้อิเล็กไทรไลต์เหลวเพื่อปรับปรุงสมบัติด้านความคงทน ทางคณะผู้วิจัยฯ จึงได้พัฒนาอิเล็กโทรไลต์กึ่งของแข็งชนิดเจลขึ้น เพื่อแก้ปัญหาด้านความคงทน [7] แต่ทั้งนี้ในการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ชนิดเจลยังคงประสบปัญหาด้านการถ่ายเทประจุที่อุณหภูมิห้อง ดังนั้นความคล่องตัวของอิออนที่สูงมีผลต่อประสิทธิภาพที่สูงขึ้นของเซลล์เช่นกัน ดังนั้นแนวทางการพัฒนาสามารถทำได้โดยการเติมอนุภาคนาโนของสารกึ่งตัวนำ เช่น TiO2 เป็นต้น เพื่อลดความต้านทานในการเคลื่อนที่ของประจุและพัฒนารูพรุนในอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์ชนิดเจล [8]

        คณะผู้วิจัยฯ จึงได้ทำการศึกษาผลของท่อนาโนคาร์บอนในเจลอิเล็กโทรไลต์ที่มีต่อประสิทธิภาพและความคงทนของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ เนื่องจากท่อนาโนคาร์บอนมีสมบัติทางไฟฟ้าที่ดี และด้วยสมบัติโดดเด่นในด้านเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมี รวมทั้งมีความคงทนต่ออุณหภูมิสูง [9] คณะผู้วิจัยฯ จึงได้ทำการสังเคราะห์เจลอิเล็กโทรไลต์ชนิดใหม่ โดยใช้ท่อนาโนคาร์บอนผนังหลายชั้น (multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs) เป็นส่วนผสมในเจลอิเล็กโทรไลต์ที่ได้พัฒนาขึ้น ซึ่งพบสเปกตรัมองค์ประกอบและลักษณะทางกายภาพของเจลอิเล็กโทรไลต์ที่มี MWCNTs ปรากฏดังรูปที่ 2

 

รูปที่ 2 แสดงพันธะ (FT-IR) และลักษณะทางกายภาพ (FE-SEM) ของเจลอิเล็กโทรไลต์ที่เติมด้วย MWCNTs (FT-IR = Infrared Fourier Transform Spectroscopy, FE-SEM = Field Emission Scanning Electron Microscope)

 

        ในการศึกษาพบว่าในการเติม MWCNTs ในเจลอิเล็กโทรไลต์ ในปริมาณที่พอเหมาะสม (5%wt) ทำให้ความต้านทานการถ่ายเทประจุนั้น ลดลง ซึ่งส่งผลทำให้เซลล์ที่ใช้เจลอิเล็กโทรไลต์ชนิดนี้มีค่ากระแส และค่า fill factor ที่มากขึ้น ซึ่งส่งผลให้มีประสิทธิภาพ เพิ่มมากขึ้น ดังสมการ

 

 

เมื่อ

 

 

        โดยที่ คือ ค่า fill factor ที่ไม่ได้รับผลจาก และ เมื่อ และ แทนด้วยความต้านทานตกคร่อมและความต้านทานอนุกรมที่ถูกนอร์มอลไลซ์แล้ว ตามลำดับ เมื่อ คือ ความต้านทานที่กำลังสูงสุด และ คือ ความต้านทานเฉพาะ แสดงว่าค่าของ และ ทั้งสองมีผลต่อ ดังนั้นการเพิ่มขึ้นของ และการลดลงของ มีผลต่อค่า ที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นเมื่อ เพิ่มขึ้นส่งผลให้เซลล์มีประสิทธิภาพที่เพิ่มมากขึ้น ดังสมการที่ 4 แต่ทั้งนี้จากการทดลองจะเห็นว่าเมื่อเติม MWCNTs ในปริมาณที่มากเกินไป จะส่งผลให้ประสิทธิภาพลดต่ำลงอย่างเห็นได้ชัด ดังรูปที่ 3

 

รูปที่ 3 กราฟ J-V แสดงประสิทธิภาพของ ZnO-DSSCs ที่ใช้เจลอิเล็กโทรไลต์ที่เติมด้วย MWCNTs

 

        เนื่องจาก MWCNTs ในเจลอิเล็กโทรไลต์นั้นมีการกระจายตัวที่ไม่เป็นรูปแบบจึงส่งผลให้ความต้านทานในการถ่ายเทประจุมีค่าเพิ่มมากขึ้น ในทางกลับกันเนื่องด้วยสมบัติทางไฟฟ้าเคมีและทางไฟฟ้าที่ดีของ MWCNTs ดังนั้นถ้าเราเติม MWCNTs ในปริมาณที่มากเกินไปจะส่งผลให้เกิดการไหลย้อนรวมตัวระหว่างอิเล็กตรอนของสีย้อมและอิเล็กโทรไลต์ที่บริเวณพื้นผิวของขั้วโฟโตอิเล็กโทรดได้ง่ายขึ้น ดังรูปที่ 4

 

รูปที่ 4 ภาพจำลองแสดงผลของ MWCNTs ที่มีต่อการถ่ายเทประจุของ ZnO DSSCs ที่ใช้เจลอิเล็กโทรไลต์เติมด้วย MWCNTs เมื่อโมเลกุลสีย้อมดูดกลืนแสง ทิศทางการส่งผ่านอิเล็กตรอนที่รวดเร็วไปข้างหน้าที่ต้องการคือ จากสถานะกระตุ้น (D*) ถูกส่งผ่านไปสู่แถบการนำไฟฟ้าอิเล็กโทรดซิงก์ออกไซด์ ทำให้สีย้อมที่สูญเสียอิเล็กตรอน (D+) อยู่ในสถานะที่ถูกออกซิไดซ์ แต่ถ้าเติม MWCNTs ในปริมาณที่มากเกินไปจะส่งผลให้เกิดการไหลย้อนรวมตัว

 

        ในส่วนของการทดสอบความคงทนที่อุณหภูมิห้องของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงที่ใช้ ZnO เป็นฐานและมีชั้นของเจลอิเล็กโทรไลต์ผสมด้วยท่อนาโนคาร์บอนผนังหลายชั้น พบว่าเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงชนิดนี้ (0-5 wt% MWCNTs) มีประสิทธิภาพที่ 85% เมื่อเวลาผ่านไป 1,006 ชั่วโมง แต่เมื่อเติม MWCNTs มากเกินไป (>5 wt% MWCNTs) จะส่งผลให้เซลล์เสียหายได้เร็วกว่าเนื่องจากการไหลย้อนรวมกันระหว่างอิเล็กตรอนของสีย้อมและอิเล็กโทรไลต์ที่บริเวณพื้นผิวของขั้วโฟโต้อิเล็กโทรด และปัญหากระจายตัวที่ไม่เป็นรูปแบบของ MWCNTs

        โดยสรุปในการศึกษาวิจัยเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและเสถียรภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ ZnO เป็นฐาน เมื่อทำการเติม MWCNTs ลงไปในเจลอิเล็กโทรไลต์ชนิดใหม่ พบว่า MWCNTs นั้นสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงชนิดเจลอิเล็กโทรไลต์ จาก 0.24% (Jsc = 2.23 mAcm-2, Voc = 0.50 V, FF = 0.21 ในเงื่อนไขที่ไม่มี MWCNTs) ไปเป็น 0.75% (Jsc =2.60 mAcm-2, Voc = 0.54 V, FF = 0.65 ในเงื่อนไข 0.5%wt ของ MWCNTs) โดยมีสภาพความคงทนที่ 85% เมื่อเวลาผ่านไป 1,006 ชั่วโมง โดยรายละเอียดของผลงานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์เผยแพร่ในวารสาร Electrochimica Acta (IF: 3.777) [10]

 

เอกสารอ้างอิง
[1] B. O’Regan and M. Grätzel, A low cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films, Nature 353 (1991) 737.
[2] K. Hongsith, N. Hongsith, D. Wongratanaphisan, and S. Choopun, Sparking Deposited ZnO Nanoparticles as Double-layered Photoelectrode in ZnO Dye-Sensitized Solar Cell, Thin Solid Films, 2013, Thin Solid Films 539 (2013) 260.
[3] P. Pimpang, A. S. Zoolfakar, D. Wongratanaphisan, A. Gardchareon, E.P. Nguyen, S. Zhuiykov, S. Choopun, and K. Kalantar-zadeh, Atomic Force Microscopy Adhesion Mapping: Revealing Assembly Process in Inorganic Systems, The Journal of Physical Chemistry (in press) http://pubs.acs.org/doi/ipdf/10.1021/jp406210u
[4] W-C. Chang, Y-Y. Cheng, W-C. Yu, Y-C. Yao, C-H. Lee, H-H. Ko, Enhancing performance of ZnO dye-sensitized solar cells by incorporation of multiwalled carbon nanotubes, Nanoscale Research Letters, 7 (2012) 166.
[5] A. Yella, H-W. Lee, H.N. Tsao, C. Yi, A.K. Chandiran, Md. K. Nazeeruddin, E. W-G. Diau, C-Y. Yeh, S.M. Zakeeruddin, M. Grätzel, Porphyrin-sensitized solar cells with cobalt (II/III)-based redox electrolyte exceed 12 percent efficiency, Science 334 (2011) 629.
[6] C.S. Karthikeyana and M. Thelakkat, Key aspects of individual layer in solid-state dye sensitized solar cells and novel concept to improve their performance, Inorganica Chimica Acta 361 (2008) 635.
[7] S. Xiaolin, X. Weilin, L. Guiji, Y. Hongjun, and Y. Mu, Influence of molecular weight of PEO on performance of quasi solid state dye sensitized solar cells, Journal of Wuhan University of Technology- Mater. Sci. Ed. 25 (2010) 218.
[8] H. Usui, H. Matsui, N. Tanabe, and S. Yanagida, Improved dye sensitized solar cells using ionic nanocomposite gel electrolytes, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 164 (2004) 97.
[9] P. Singjai, S. Changsarn, and S. Thongtem, Electrical resistivity of bulk multi wall carbon nanotubes synthesized by an infusion chemical deposition method, Material Science & Engineering A 443 (2007) 42.
[10] N. Khongchareon, S. Choopan, N. Hongsith, A. Gardchareon, S. Phadungdhitidhada, and D. Wongratanaphaisan, Influence of carbon nanotube in gel electrolyte on photovoiltaic performance of ZnO dye-sensitized solar cells, Electrocimica Acta 106 (2013) 195-200.

 

รายงานโดย
ณรรตธร คงเจริญ สุภาพ ชูพันธ์ และ ดวงมณี ว่องรัตนะไพศาล
ห้องปฏิบัติการวิจัยฟิสิกส์ประยุกต์ ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ จ. เชียงใหม่ – 50200
โทรศัพท์ : 053-943375, 053-942463 ต่อ 11, โทรสาร : 053-357511, Web page : www.aprlcmu.net