เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์แบบฟิล์มบาง

ปัจจุบันนี้พลังงานทางเลือก เช่น พลังงานจากแสงอาทิตย์ได้ถูกนำมาใช้ทดแทนพลังงานจากน้ำมันและก๊าซธรรมชาติมากขึ้น โดยอาศัยเซลล์แสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์ในการเปลี่ยนพลังงานแสงไปเป็นพลังงานไฟฟ้า เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดที่นิยมใช้กันมากที่สุดคือ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิกอน ถึงแม้ปัจจุบันจะมีประสิทธิภาพสูงขึ้นและมีราคาจะถูกลงอย่างมากมายเมื่อเทียบกับ 5-10 ปี ก่อนหน้านี้ แต่อย่างไรก็ตามเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ยังมีข้อเสียคือกระบวนการผลิตที่ซับซ้อน ต้องลงทุนสูงในการสร้างโรงงานผลิต และไม่สามารถโค้งอได้ จึงได้มีการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดอื่น ๆ มาทดแทน 

หนึ่งในเทคโนโลยีที่ได้รับการจับตามองมากที่สุด คือ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ (Perovskite solar cell) ซึ่งกำลังได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ทั่วไปจะประกอบด้วยวัสดุฐานรองนำไฟฟ้า ชั้นส่งผ่านอิเล็กตรอน (นิยมใช้ไทเทเนียมไดออกไซด์, TiO2) ชั้นเพอรอฟสไกต์เป็นตัวดูดซับแสงที่ดี ชั้นส่งผ่านโฮล และชั้นขั้วแคโทด (นิยมใช้โลหะทองหรือเงิน) ซึ่งเป็นโครงสร้างที่นิยมมากที่สุดเนื่องจากให้ค่าประสิทธิภาพสูงถึง 23.7% ประกอบกับการมีข้อดีในแง่การสังเคราะห์ที่ไม่ยุ่งยากและกระบวนการมีราคาไม่แพงเมื่อเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิกอน 

แต่อย่างไรก็ตาม เซลล์แสงอาทิตยชนิดนี้ยังมีข้อเสียคือมีการใช้สารอินทรีย์บางชนิดที่เป็นส่วนประกอบจึงทำให้ไม่ทนต่อความชื้นและออกซิเจน ดังนั้น จึงจำเป็นต้องมีการปรับปรุงความคงทนด้วยวิธีต่าง ๆ เช่น การเติมสารเคมีบางอย่าง พัฒนาชั้นฟิล์มป้องกัน และการห่อหุ้มเซลล์แสงอาทิตย์ (Encapsulation) เพื่อให้เซลล์แสงอาทิตย์มีความคงทนและเหมาะจะนำไปประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์ต่างๆ รวมถึงการพัฒนาให้สามารถเตรียมได้จริงในระดับอุตสาหกรรม  

นอกจากนี้ยังมีการวิจัยที่มุ่งเน้นการพัฒนาคุณภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ด้วยวัสดุนาโน ได้แก่ กราฟีนและท่อคาร์บอนนาโน ร่วมกับการพัฒนาเทคโนโลยีการพิมพ์ (Printing Technology) เช่น การพิมพ์แบบอิงค์เจ็ท (Inkjet printing) แบบสล็อตดาย (Slot die printing) แบบ (Roll to roll printing) และแบบพิมพ์สกรีน (Screen printing) ที่เหมาะสมเพื่อใช้ในการเตรียมเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ขนาดใหญ่ (Large-scale production) ที่สามารถเตรียมได้ในสภาวะบรรยากาศปกติที่มีความชื้นสูงได้ 

การเตรียมเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์นี้ในระดับอุตสาหกรรมต่อไป นอกจากนี้ยังสามารถสร้างชั้นฟิล์มลงบนแผ่นฐานรอง (Substrate) ได้หลากหลายประเภททั้งกระจก กระดาษ และแผ่นพลาสติก ได้รวดเร็วและสามารถผลิตได้ในปริมาณมากบนวัสดุฐานรองขนาดใหญ่ได้ และยังสามารถลดต้นทุนการผลิตได้อีกด้วย เนื่องจากไม่ได้ใช้สารเคมีที่มีราคาแพงและขั้วโลหะทอง แต่ใช้สารประกอบออกไซด์เช่น เซอร์โคเนียมไดออกไซด์ และขั้วคาร์บอนทดแทน 

ภาพ ดร.อดิสร  เตือนตรานนท์

ยิ่งไปกว่านั้น สารประกอบออกไซด์และคาร์บอนมีความคงทนต่อความชื้นและออกซิเจนมากกว่าสารเคมีและขั้วโลหะ จึงทำให้เซลล์แสงอาทิตย์มีความคงทนในระยะยาวมากกว่า และสามารถทำภายใต้บรรยากาศปกติที่มีความชื้นสูงได้อีกด้วย จึงเหมาะสมต่อการนำมาใช้ผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ในระดับอุตสาหกรรม บ้านเรามีแสงอาทิตย์ปริมาณมากทั้งปี และยังมีความต้องการพลังงานไฟฟ้าในระดับสูง จึงสมควรลงทุนส่งเสริมให้เกิดอุตสาหกรรมพลังงานทดแทนชนิดใหม่นี้ให้เร็วที่สุด

*บทความโดย ดร.อดิสร  เตือนตรานนท์ ศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ สวทช.,เมธีวิจัยอาวุโส สกว. และสมาคมวิจัยวัสดุประเทศไทย