โครงการวิจัย 1.1: เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ที่มีประสิทธิภาพสูงและราคาถูกเพื่อทดแทนการใช้เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิกอน

 

            งานวิจัยนี้เกี่ยวกับการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ที่มีประสิทธิภาพสูงและราคาถูก เพื่อทดแทนการใช้เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิกอน โดยมีจุดประสงค์เพื่อประกอบเซลล์ต้นแบบที่เพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าด้วยกระบวนการต่างๆ และเพื่อพัฒนาจนสามารถใช้งานได้จริง โดยเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์นี้เป็นชนิดที่ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายในหมู่ของนักวิจัยทางด้านพลังงาน เนื่องจากมีสมบัติเด่น คือ ราคาถูก ผลิตง่าย และมีสมบัติของสารกึ่งตัวนำที่โดนเด่น เช่น มีสภาพคล่องของประจุไฟฟ้าที่สูง ดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่นกว้าง และมีระยะการแพร่ของประจุที่ยาว เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้มีองค์ประกอบหลัก คือ สารเมทิลแอมโมเนียมเลดฮาไลด์ (CH₃NH₃PbX₃, X = F, Cl, Br หรือ I) ทำหน้าที่เป็นตัวรับแสง ซึ่งมีความสามารถรับแสงเป็นช่วงกว้างตั้งแต่ช่วงอัลตราไวโอเลตถึงอินฟราเรด โดยในการประกอบเซลล์แสงอาทิตย์สารเพอรอฟสไกต์จะถูกประกบด้วยชั้นนำอิเล็กตรอน (electron transporting material, ETM) และชั้นนำโฮล (hole transporting material, HTM) ซึ่งใช้สารที่มีการจัดระดับพลังงานที่เหมาะสมกับสารเพอรอฟสไกต์โดยที่สารของชั้นนำอิเล็กตรอนนั้นมักเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นเช่น ซิงก์ออกไซด์ (ZnO), ไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO₂), สารอนุพันธ์ของฟูลเลอรีน เป็นต้น ส่วนสารของชั้นนำโฮลมักเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดพี เช่น โพลิเมอร์นำไฟฟ้า(Spiro-OMeTAD) หรือคอปเปอร์ออกไซด์ (CuO) เป็นต้น สารเหล่านี้ต้องมีความหนาและสมบัติพื้นผิวที่เหมาะสมต่อการนำประจุไฟฟ้าจากสารเพอรอฟสไกต์ และมีผลอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า

 

           เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ ใช้สารกึ่งตัวนำที่มีโครงสร้างแบบเพอรอฟสไกต์ (Perovskite semiconductor, ABX₃) ดังแสดงใน รูปที่1.1.1 เซลล์ชนิดนี้ถูกค้นพบครั้งแรกในปีพ.ศ. 2552 โดยกลุ่มของ Prof. Miyasaka นักวิจัยชาวญี่ปุ่น ซึ่งได้รายงานประสิทธิภาพการผลิตพลังงานไฟฟ้าที่ 3.81% [1] โดยใช้ Organoleadtriiodide (CH₃NH₃PbI₃)เป็นตัวรับแสง การค้นพบครั้งนี้ได้กระตุ้นความสนใจของนักวิจัยในหลายประเทศ และก่อให้เกิดความร่วมมือในการแลกเปลี่ยนองค์ความรู้และเทคโนโลยีระหว่างกลุ่มวิจัย จนเกิดการพัฒนาประสิทธิภาพของเซลล์ตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน ดังรวบรวมไว้ใน รูปที่ 1.1.2

 

เอกสารอ้างอิง

[1] A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai and T. Miyasaka,“Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells”, J. Am. Chem. Soc. 131(17)(2009)6050 – 6051.
[2] M. Liu, M. B. Johnston, and H. J. Snaith, “Efficient Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells by Vapour Deposition”, Nature 501(7467)(2013)395 – 398.
[3] J. Gong, S. B. Darling, and F. You, “Perovskite Photovoltaics: Life-cycle Assessment of Energy and Environmental Impacts”, Energ. Environ. Sci. 8(7)(2015)1953 – 1968.

 

หัวหน้าโครงการ: ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.สุภาพ ชูพันธ์ ¹⁾
นักวิจัยสมทบ: ผศ. ดร. ดวงมณี ว่องรัตนะไพศาล ¹⁾, ดร. อัจฉราวรรณ กาศเจริญ ¹⁾, ดร. สุรเชษฐ์ ผดุงธิติธาดา ¹⁾, ดร. พิพัฒน์ เรือนคำ ¹⁾, ดร. อัฐสิษฐ์ ทับทิมแท้ ²⁾, ผศ. ดร. วีรมลล์ ไวลิขิต ³⁾, ดร. นิยม โฮ่งสิทธิ์ ⁴⁾, ดร. เอกสิทธิ์ วงศ์ราษฎร์ ⁴⁾, ดร. วัชราวุฒิ กฤตินธรรม ⁴⁾
หน่วยงานต้นสังกัด: 1) ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 2) โครงการจัดตั้งสายวิชาฟิสิกส์ คณะศิลปะศาสตร์และวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ (วิทยาเขตกำแพงแสน), 3) ภาควิชาวิทยาศาสตร์ คณะศิลปะศาสตร์และวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ (วิทยาเขตกำแพงแสน), 4) ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยพะเยา