โครงการวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ที่มีประสิทธิภาพสูงและราคาถูก เพื่อทดแทนการใช้เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิกอน

5 พฤศจิกายน 2562

 

1. บทนำ

 

       พลังงานแสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานยั่งยืน และสะอาดที่สามารถเติมเต็มความต้องการทางพลังงานในอนาคต  เพราะพลังงานที่โลกได้รับจากดวงอาทิตย์มีมากกว่าการใช้พลังงานที่มีอยู่ในปัจจุบันหลายพันเท่า เซลล์แสงอาทิตย์เป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่มีความสำคัญในการให้พลังงานไฟฟ้า โดยมีหลักการทำงานคือเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า ในปัจจุบันมีเซลล์แสงอาทิตย์อยู่หลากหลายชนิดขึ้นอยู่กับลักษณะและวิธีในการเตรียมในแต่ละยุคสมัย ยกตัวอย่าง เช่น เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิกอน (silicon solar cell), เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบาง (thin film solar cell) เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเกิดใหม่ (emerging solar cell) เป็นต้น ปัจจุบันมีเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่ที่ให้ประสิทธิภาพสูงและได้มีการวิจัยศึกษากันอย่างกว้างขวาง คือ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ (perovskite solar cell) เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้สารกึ่งตัวนำชนิดหนึ่งที่มีโครงสร้างเป็น (ABX3) ซึ่งมีโครงสร้างแบบเพอรอฟสไกต์ทำหน้าที่เป็นตัวดูดกลืนแสงแล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า ปัจจุบันเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์มีประสิทธิภาพสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 25.2 % [1]  ซึ่งมีค่าใกล้เคียงกับค่าสูงสุดของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิกอนที่มีค่าประมาณ 26 % แสดงรายละเอียดประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์แยกประเภทกระบวนการผลิตในแต่ละผู้ผลิตในปัจจุบันดังรูปที่ 1 อย่างไรก็ตามเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ก็ได้รับความคาดหวังว่าจะเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่ให้พลังงานสำหรับอนาคต เนื่องจากมีจุดเด่น คือ มีราคาถูก ผลิตง่าย และสามารถประยุกต์ในสถานที่ต่าง ๆ ได้ดี และมีรายงานว่าระยะเวลาใช้ในการให้พลังงานคืนทุน (energy payback time, EPBT) อยู่ที่ประมาณ 2-3 เดือน เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์จากแผ่นซิลิกอนหรือเซลล์แสงอาทิตย์อื่น ๆ ที่ใช้เวลาประมาณ 1-2 ปี [2]

ทั้งนี้โครงการวิจัยเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ที่มีประสิทธิภาพสูงและราคาถูก เพื่อทดแทนการใช้เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิกอน ได้มีการศึกษาทำการวิจัยเพื่อที่จะเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ ตั้งแต่เริ่มโครงการจนถึงปัจจุบัน มีความคืบหน้าของงานวิจัยดังต่อไปนี้

 

 

รูปที่ 1 แสดงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์แยกตามประเภทกระบวนการผลิตในแต่ละผู้ผลิต [1]

 

2. การศึกษาวิจัยเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์

 

       เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ประกอบไปด้วยโครงสร้างสำคัญอยู่สามส่วน คือ ชั้นเพอรอฟสไกต์ (perovskite photo absorber), ชั้นนำอิเล็กตรอน (electron transporting layer, ETL) และ ชั้นนำโฮล (hole transporting layer, HTL) แสดงตัวอย่างโครงสร้างและหลักการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิด เพอรอฟสไกต์ดังรูปที่ 2

 

 

รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างทั่วไปและหลักการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์

 

       ในงานวิจัยที่ได้ทำภายในห้องปฏิบัติการ เป็นการทำวิจัยโดยการปรับเปลี่ยนวิธีการเตรียมในแต่ละชั้นในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ คือ ชั้นนำอิเล็กตรอน ชั้นเพอรอฟสไกต์ และชั้นนำโฮล โดยเป็นการเตรียมเซลล์แสงอาทิตย์ในระดับห้องปฏิบัติการ เพื่อหาเงื่อนไขที่จะเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ แสดงตัวอย่างกราฟประสิทธิภาพและตัวอย่างของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ที่สามารถเตรียมได้จากโครงสร้างที่ประกอบไปด้วย กระจกนำไฟฟ้า/ชั้นนำอิเล็กตรอนทินไดออกไซด์/ชั้นเพอรอฟสไกต์/ชั้นนำโฮล Spiro-MeOTAD/และขั้วเงิน ดังรูปที่ 3

 

 

รูปที่ 3 แสดงกราฟประสิทธิภาพและโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ที่เตรียมได้

 

       สำหรับการวิจัยที่ได้รับการตีพิมพ์เกี่ยวกับการพัฒนาการเตรียมฟิล์มเพอรอฟสไกต์ โดยได้มีวิธีการปรับเปลี่ยนอุณหภูมิที่ใช้ในการเตรียมเพื่อให้ได้ฟิล์มที่มีความสมบูรณ์ จากผลของการศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารนานาชาติ Thin Solid Films [3]

 

       นอกจากนี้ ในช่วงดำเนินโครงการได้มีการศึกษาดูงานร่วมกับศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (National Nanotechnology Center : NANOTEC) และ ความร่วมมือกับทางประเทศจีน โดยการไปดูงานที่มหาวิทยาลัย Shanghai Jiao Tong ณ เมืองเซียงไฮ้ และบริษัท Suzhou GCL Nano จำกัด ณ เมืองซูโจว ประเทศจีน โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาดูงานการเตรียมเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ที่มีขนาดใหญ่และสามารถใช้งานได้จริง ทั้งนี้ได้ไปดูการเตรียมและดูเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ที่สามารถเตรียมได้ แสดงรูปการดูงานเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ที่สามารถใช้งานได้จริง ดังรูปที่ 4

 

 

รูปที่ 4 แสดงรูปการดูงานเกี่ยวกับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ ณ ประเทศจีน

 

       จากความร่วมมือและได้ศึกษาการทำการวิจัยเกี่ยวกับการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์กับทางคณะนักวิจัยของประเทศจีน พบว่าวิสัยทัศน์หรือแนวทางในการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ของทางจีนได้รับความสนับสนุนทุนจากประเทศเพื่อที่จะทำเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ให้มีประสิทธิภาพสูงและสามารถใช้งานได้จริง ดังตัวอย่างของบริษัท Suzhou GCL Nano จำกัด ที่ได้ไปศึกษาดูงาน โดยตั้งเป้าให้สามารถผลิตฟฟ้าให้ได้ 1 GW มีสายการผลิตในพื้นที่ให้ได้ในปีพ.ศ. 2565 โดยผู้ผลิตยืนยันว่าสามารถผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสก์ได้ประสิทธิภาพสูงถึง 16 % จากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดใหญ่และมั่นใจว่าจะทำให้ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์มีค่าสูงขึ้นถึง 18 % ภายในสิ้นปีพ.ศ. 2562 นี้ [4]

 

เอกสารอ้างอิง

 

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell#/media/File:CellPVeff(rev190916).png

[2] http://solarenergyforus.com/solar-panel-efficiency-lifespan/

[3] Kritsada Hongsith, Sutthipoj Wongrerkdee, Athipong Ngamjarurojana and Supab Choopun, “Efficiency enhancement of perovskite solar cell by using pre-heat treatment in two-step deposition method”, Thin Solid Films 684 (2019) 9–14.

[4] https://www.pv-magazine.com/2019/10/03/gcl-wants-a-1-gw-perovskite-cell-production-line-in-place-by-2022/

 

รายงานโดย

 

ผศ. ดร.สุภาพ  ชูพันธ์

ห้องปฏิบัติการวิจัยฟิสิกส์ ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์  คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ จ.เชียงใหม่ 50200

E-mail: supab99@gmail.com