'นาโนเทค' พัฒนาเทคนิคใหม่เคลือบฟิล์มบาง เพิ่มประสิทธิภาพโซลาร์เซลล์

กระแสพลังงานหมุนเวียนที่จะเป็นพระเอกในยุคที่ทั่วโลกต้องช่วยกันลดใช้พลังงาน และพัฒนาพลังงานทางเลือกให้ตอบความต้องการ แสงแดดเป็น 1 ในตัวเลือก ที่นำสู่การวิจัยและพัฒนา “เซลล์แสงอาทิตย์” ตัวช่วยเก็บและแปลงแสงแดดเป็นพลังงาน

ดร. อนุศิษย์ แก้วประจักร์ ทีมวิจัยนวัตกรรมเคลือบนาโน กลุ่มวิจัยวัสดุผสมและการเคลือบนาโน ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) กล่าวว่า เซลล์แสงอาทิตย์มีอยู่ 3 รุ่น รุ่นแรก เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากผลึกซิลิคอน ที่เดิมมีต้นทุนสูงมาก ด้วยต้องใช้ซิลิคอนความบริสุทธิ์สูง อุณหภูมิในการหลอมเหลวสูง และกระบวนการที่ซับซ้อน ทำให้ราคาสูงในช่วงแรก แต่ปัจจุบัน เริ่มจับต้องได้ รุ่นที่ 2 เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ฟิล์มบาง ที่ใช้กระบวนการเตรียมฟิล์มบางในสุญญากาศสูง ใช้สารที่มีราคาแพงและสารบางตัวมีความเป็นพิษสูง และสุดท้ายคือ เซลล์แสงอาทิตย์อุบัติใหม่

“เซลล์แสงอาทิตย์อุบัติใหม่ ได้แก่ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง, เซลล์แสงอาทิตย์แบบควอนตัมดอท, เซลล์แสงอาทิตย์แบบสารอินทรีย์ และ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ ซึ่งเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ต้นทุนถูก มีหลายสีสัน และมีความยืดหยุ่นสูง สามารถทำการเตรียมได้ด้วยวิธีการเคลือบฟิล์มบางแบบสารละลาย ในปัจจุบันเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ในระดับห้องปฏิบัติการก็มีประสิทธิภาพที่ใกล้เคียงกับเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอนแล้ว จึงคาดว่าจะสามารถแทนที่เซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอนได้ในอนาคต” ดร.อนุศิษย์กล่าว พร้อมชี้ว่า เป็นโจทย์วิจัยที่น่าสนใจสำหรับนวัตกรรมพลังงานทางเลือก

งานวิจัยเรื่อง การปรับปรุงคุณสมบัติของโฟโตวอลเทอิกของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ประกอบด้วยฟิล์มบางสารอินทรีย์และอนินทรีย์ที่ทำการเตรียมโดยเทคนิคการเคลือบแบบสารละลายรูปวงเดือน โดย ดร. อนุศิษย์ แก้วประจักร์, ดร.พิศิษฐ์ คำหน่อแก้ว และ ศ. ทากาชิ ซากาว่า จึงเกิดขึ้น โดยเป็นการพัฒนาเทคนิคการเคลือบฟิล์มบางสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าแบบสารละลาย ที่จะนำไปต่อยอดใช้สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ได้รับรางวัลสภาวิจัยแห่งชาติ รางวัลวิทยานิพนธ์ระดับดี สาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ ประจำปี 2562 จากสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ (วช.)

ดร. อนุศิษย์ กล่าวว่า ปัจจุบัน เทคนิคการเคลือบสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์มีอยู่มากมาย หนึ่งในนั้นที่น่าสนใจคือ การเคลือบแบบสารละลายรูปวงเดือนสำหรับการเคลือบฟิล์มบางสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าแบบสารละลาย ที่มีข้อดีในการเคลือบพื้นผิวขนาดใหญ่ได้ ทำให้นักวิจัยหลายรายนำมาประยุกต์ใช้ หากแต่บางเทคนิคนี้ก็มีข้อจำกัดบางประการ เช่น ใช้สารละลายจำนวนมากในการเคลือบ มีสารละลายที่สูญเสียไปมากระหว่างทำการเคลือบ บางเทคนิคการเคลือบมีการติดตั้งที่ซับซ้อนและต้นทุนในการติดตั้งสูง ทำให้ทางทีมวิจัยมองอีกเทคนิคหนึ่งคือ เทคนิคนำพาการระเหย (convective deposition) ซึ่งเป็นเทคนิคการเคลือบเพื่อจัดเรียงอนุภาคที่น่าสนใจ

“เทคนิคนี้มีข้อดีหลายอย่าง เช่น สามารถจัดเรียงอนุภาคระดับไมโครเมตรถึงนาโนเมตรได้อย่างเป็นระเบียบ ทำการเคลือบได้อย่างรวดเร็ว ใช้สารละลายในการเคลือบน้อย ติดตั้งง่าย และสามารถเคลือบฟิล์มบางบนพื้นที่ขนาดใหญ่ได้ โดยงานวิจัยนี้จะใช้เทคนิคนำพาการระเหยในการปรับปรุงสภาพพื้นผิว คุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางแสงของฟิล์มบางสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าในระหว่างการเคลือบ ซึ่งสามารถที่จะมาผสมผสานกับเทคนิคการเคลือบแบบสารละลายรูปวงเดือนสำหรับการเคลือบฟิล์มบางสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าแบบสารละลาย เพื่อปิดช่องว่างหรือข้อจำกัดที่มีและเพิ่มประสิทธิภาพของฟิล์มบางที่ได้”

ทีมนักวิจัยนาโนเทคประยุกต์ข้อได้เปรียบของสองเทคนิค โดยเริ่มจากเทคนิคการเตรียมฟิล์มแบบ กระบวนการแข็งตัวแบบมีทิศทาง (Directional Solidification) โดยใช้สารละลายที่มีความเป็นผลึก 1,3,5-trichlorobenzene (135-TCB) และเทคนิคนำพาการระเหย โดยการรวมตัวกันของสองเทคนิคนี้ก่อให้เกิดกระบวนการเตรียมฟิล์มแบบใหม่ที่สามารถควบคุมคุณสมบัติของฟิล์มบางสารกึ่งตัวนำพอลิเมอร์ได้ ส่งผลให้เซลล์แสงอาทิตย์แบบพอลิเมอร์มีประสิทธิภาพสูงขึ้นเมื่อเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไม่มีสารละลายที่มีความเป็นผลึก 135-TCB นอกจากนี้ ยังได้ประยุกต์ใช้เทคนิคนำพาการระเหยในการปรับปรุงชั้นขนส่งอิเล็กตรอนไทเทเนียมไดออกไซด์ โดยการผสมกับควอนตัมดอตซัลไฟด์อินเดียมเงิน ทำให้เกิดการปรับปรุงสภาพพื้นผิวของฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ ที่มักจะเกิดปัญหาการแตกร้าวของฟิล์มฯ ส่งผลให้เกิดปัญหาการรั่วไหลของกระแสจากชั้นเพอรอฟสไกต์ไปยังขั้วไฟฟ้า FTO

จากนั้นทำการทดสอบเทคนิคดังกล่าว ผลคือ ช่วยเพิ่มสภาพคล่องของอิเล็กตรอนของชั้นขนส่งอิเล็กตรอน การนำส่งอิเล็กตรอนจากชั้นเพอรอฟสไกต์ผ่านชั้น ไทเทเนียมไดออกไซด์:ซัลไฟด์อินเดียมเงิน และเพิ่มย่านความยาวคลื่นในการเก็บเกี่ยวแสงของเซลล์แสงอาทิตย์ ทำให้ดูดกลืนแสง เก็บเกี่ยวพลังงานได้มากขึ้น นอกจากนั้นแล้วควอนตัมดอตซัลไฟด์อินเดียมเงิน ยังมีการดูดกลืนแสงสูงในย่านอัลตราไวโอเลต จึงสามารถชะลอการเสื่อมสภาพของชั้นเพอรอฟสไกต์จากแสงอัลตราไวโอเลตได้ ส่งผลให้เซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกต์มีประสิทธิภาพและเสถียรภาพสูงขึ้นเมื่อเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไม่มีชั้นควอนตัมดอตซัลไฟด์อินเดียมเงิน

ดร.พิศิษฐ์ คำหน่อแก้ว หัวหน้าทีมวิจัยนวัตกรรมเคลือบนาโน กล่าวว่า เทคนิคต่างๆ ที่พัฒนาขึ้นนี้ ช่วยให้ฟิล์มบางที่จะเป็นเทคโนโลยีอนาคตสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์มีประสิทธิภาพมากขึ้น ด้วยต้นทุนที่ถูกลง ใช้สารน้อยลง สามารถปรับปรุงคุณสมบัติของสารได้ในระหว่างกระบวนการเคลือบ แม้ปัจจุบัน เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์จะยังไม่ออกสู่เชิงพาณิชย์ แต่คาดว่า อีกไม่นานจะเห็นสินค้าจากจีนออกสู่ตลาด อย่างไรก็ตาม หากมองในเชิงพาณิชย์ ไทยยังตามจีนที่มีความพร้อมเรื่องของกำลังคน วัตถุดิบ และเทคโนโลยีต่างๆ หากแต่เรายังต้องเดินหน้าศึกษาพัฒนา เพื่อสร้างองค์ความรู้ของเราเอง ที่จะนำไปสู่การพัฒนาต่อยอดใช้งานในประเทศ โดยลดการนำเข้าจากต่างประเทศได้ในที่สุด