‘Perovskite’ โซลาร์เซลล์ชนิดใหม่ พลังงานแสงอาทิตย์แห่งอนาคต

“โซลาร์เซลล์ชนิดเพอรอฟสไกต์” (Perovskite solar cell) กลายเป็นเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ที่น่าจัดตามองมากที่สุดในขณะนี้ และคาดว่าจะเป็นนวัตกรรมสำคัญช่วยเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมพลังงานโลกอย่างสิ้นเชิง เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูง น้ำหนักเบา ใช้งานได้หลากหลาย

“เพอรอฟสไกต์” (Perovskite) หมายถึงกลุ่มของวัสดุสังเคราะห์ที่มีโครงสร้างผลึกซึ่งเลียนแบบแร่ธรรมชาติที่ชื่อว่าแคลเซียมไททาเนต (calcium titanate) ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1839 ในเทือกเขาอูรัล โดยปัจจุบันวัสดุเหล่านี้สามารถผลิตได้จากสารประกอบที่มีอยู่ทั่วไป เช่น โบรมีน คลอรีน ตะกั่ว และดีบุก

ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา วัสดุเพอรอฟสไกต์ได้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว จนประสิทธิภาพการแปลงสเปกตรัมแสงให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง หลังจากเริ่มนำมาใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ครั้งแรกในปี 2009 

นี่เป็นข้อได้เปรียบสำคัญที่ทำให้เพอรอฟสไกต์เหนือกว่าซิลิคอน เนื่องจากประสิทธิภาพการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนภายในเซลล์สูงกว่า โดยการใช้เพอรอฟสไกต์ในรูปแบบเซลล์แสงอาทิตย์แบบรอยต่อเดี่ยว (single junction) มีทำประสิทธิภาพได้ถึงเกือบ 27% ส่วนสถิติที่สูงสุดที่เคยทำไว้สูงถึง 33.9% สำหรับเซลล์เดี่ยว ขณะที่เซลล์ซิลิคอนมีขีดจำกัดประสิทธิภาพสูงสุดตามทฤษฎีอยู่ที่ประมาณ 33% เท่านั้น

หากนำเพอรอฟสไกต์มาใช้ร่วมกับซิลิคอน จะยิ่งเพิ่มประสิทธิภามหาศาล เซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเด็มชนิดเพอรอฟสไกต์-ซิลิคอน มีศักยภาพทางทฤษฎีสูงสุดที่เพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 47% การที่แผงเหล่านี้สามารถสร้างพลังงานได้มากขึ้นในพื้นที่เท่าเดิมจะช่วยลดต้นทุนค่าไฟฟ้าลงได้ประมาณ 10% เมื่อเทียบกับแผงซิลิคอนมาตรฐาน 

นอกจากนี้ เพอรอฟสไกต์เป็นวัสดุที่เบาและบางเป็นพิเศษ ทำให้สามารถฉีดพ่นลงบนพื้นผิวต่างๆ เช่น หน้าต่างได้ ด้วยคุณสมบัตินี้ทำให้บริษัทต่าง ๆ กำลังทดสอบพ่นเพอรอฟสไกต์บนอาคาร เพื่อทำให้เป็นโซลาร์ฟาร์มแนวตั้ง ขณะเดียวกันยังทดลองใช้เพอรอฟสไกต์งานด้านอวกาศ เช่น ดาวเทียม เนื่องจากมีความคุ้มค่ากว่าแผงแกลเลียมอาร์เซไนด์ที่ใช้กันอยู่ในตอนนี้ รวมถึงยังทดลองใช้บนหลังคารถยนต์ไฟฟ้า เพื่อเป็นเป็นแหล่งพลังงานเพิ่มเติมอีกด้วย

แม้จะมีประสิทธิภาพที่ก้าวกระโดด แต่ยังคงมีปัญหาที่ยังแก้ไม่ตก จนยังไม่สามารถนำเพอรอฟสไกต์ไปใช้ในวงกว้างได้ เพราะยังคงไม่เสถียรและไม่ทนทานมากพอ ที่สำคัญหากเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์สัมผัสกับความชื้นและความร้อนสูงจะเสื่อมคุณภาพเร็วกว่าแผงซิลิคอนแบบดั้งเดิมมาก

ขณะเดียวกัน เพอรอฟสไกต์ส่วนใหญ่มักมีส่วนประกอบของตะกั่ว ซึ่งเป็นสารพิษ ถึงแม้ว่าปริมาณตะกั่วที่ใช้นั้นน้อยมากเมื่อเทียบกับการมลพิษจากการเผาถ่านหิน แต่ยังคงมีความกังวลปัญหาสารพิษตกค้าง และการกำจัดแผงโซลาร์เซลล์นี้ยังคงเป็นประเด็นที่ต้องจัดการ นักวิจัยเสนอว่าสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาความเป็นพิษได้โดยการออกแบบกระบวนการรีไซเคิลหรือนำกลับมาใช้ใหม่ที่เหมาะสม

ปัญหาที่สำคัญที่นักวิจัยพยายามแก้ไขคือ การเกิดไบแอสย้อนกลับ ซึ่งจะเกิดขึ้นเมื่อส่วนหนึ่งของแผงโซลาร์เซลล์ถูกบังแดด เซลล์นั้นจะหยุดผลิตไฟฟ้า ขณะที่เซลล์อื่น ๆ ที่ไม่ได้ถูกบังแดดจะยังคงผลิตกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง และจะดันกระแสไฟฟ้าย้อนกลับผ่านเซลล์ที่ถูกบังแดด กระบวนการผลักกระแสย้อนกลับผ่านเซลล์ที่ถูกบังแดดนี้เองที่เรียกว่า ไบแอสย้อนกลับ เมื่อเวลาผ่านไป ภาวะไบแอสย้อนกลับนี้สามารถทำให้บริเวณที่ถูกบังแดดร้อนสูงเกินไป เสื่อมสภาพ และเกิดความเสียหายอย่างถาวรได้

ในแผงโซลาร์เซลล์แบบดั้งเดิมจะมีการใช้บายพาสไดโอด (bypass diode) เพื่อแก้ไขปัญหานี้ แต่โซลาร์เซลล์ชนิดเพอรอฟสไกต์มักจะเปราะบางเกินกว่าที่โซลูชันนี้ได้

การวิจัยที่นำโดย ไมค์ แม็กจีฮี จากมหาวิทยาลัยโคโรลาโดบาวด์เดอร์ ร่วมกับบริษัทวิจัยด้านพลังงาน NREL พบว่าเซลล์เพอรอฟสไกต์จึงเสื่อมสภาพภายใต้ความเครียด เนื่องจากเกิดจุดบกพร่องระดับจุลภาค (microscopic defects)

ชั้นเพอรอฟสไกต์ถูกสร้างขึ้นจากโซลูชันโปรเซสซิง (Solution processing) ซึ่งคล้ายกับการทำแพนเค้ก เมื่อสารตั้งต้นถูกละลายในตัวทำละลาย จากนั้นตัวทำละลายจะระเหยออกไปและเกิดเป็นฟิล์ม ในระหว่างกระบวนการนี้ จุดบกพร่องต่าง ๆ เช่นรูพรุนมักจะเกิดขึ้นได้ง่ายในฟิล์ม

การใช้เทคนิคการถ่ายภาพขั้นสูง เช่น วิดีโอเทอร์โมกราฟี และอิเล็กโทรลูมิเนสเซนส์ เผยให้เห็นว่าจุดบกพร่องเหล่านี้เป็นจุดที่กระบวนการไบแอสย้อนกลับเริ่มต้นขึ้น บริเวณเหล่านี้จะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วและเกิดการลัดวงจรระหว่างชั้นสัมผัสทั้งสอง ในทางตรงกันข้าม อุปกรณ์ที่ไม่มีจุดบกพร่องสามารถทำงานได้อย่างเสถียรและสามารถอยู่รอดได้นานหลายชั่วโมงภายใต้ภาวะไบแอสย้อนกลับโดยไม่มีการเสื่อมสภาพ

ความเข้าใจนี้ได้ชี้แนวทางที่ชัดเจนแก่นักวิทยาศาสตร์ ในการสร้างเซลล์เพอรอฟสไกต์ที่แข็งแกร่งและเสถียรยิ่งขึ้น พวกเขาต้องให้ความสำคัญกับการผลิตฟิล์มที่ ปราศจากรูพรุนและใช้ชั้นสัมผัสที่ทนทานยิ่งขึ้นเพื่อป้องกันความเสียหายจากความร้อนอย่างถาวร

นักวิจัยยังคงมุ่งเน้นที่การแก้ปัญหาอย่างต่อเนื่อง ทีมวิจัยนานาชาติที่นำโดยศูนย์เฮล์มโฮลทซ์ เบอร์ลิน (HZB) ได้เพิ่มประสิทธิภาพและความเสถียรโดยการใช้ชั้นเคลือบผิวสัมผัสแบบใหม่ นวัตกรรมนี้ใช้ชั้นโมเลกุลฟลูออรีนแทรกระหว่างงชั้นเพอรอฟสไกต์กับชั้นสัมผัส C60 ก่อตัวเป็นฟิล์มโมเลกุลเดี่ยว ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันทางเคมีที่ช่วยลดข้อบกพร่องและการสูญเสียพลังงาน โดยที่ยังคงอนุญาตให้เกิดการสัมผัสทางไฟฟ้าได้

ผลลัพธ์ของนวัตกรรมนี้คือเซลล์ที่ได้รับการปรับปรุงมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูงถึงเกือบ 27% และที่สำคัญที่สุดคือ เซลล์เหล่านี้ยังคงรักษาประสิทธิภาพไว้ได้หลังจากใช้งานต่อเนื่อง 1,200 ชั่วโมง ซึ่งเทียบเท่ากับการสัมผัสแสงแดดตามธรรมชาติเป็นเวลาหนึ่งปีเต็ม ในขณะที่ตัวอย่างที่ไม่มีการเคลือบผิวนี้สูญเสียประสิทธิภาพไปประมาณ 20% ภายในเวลาเพียง 300 ชั่วโมงเท่านั้น นอกจากนี้ สารประกอบที่มีฟลูออรีนยังช่วยเพิ่มความสม่ำเสมอและความหนาแน่นของชั้น C60 ทำให้มีการขนส่งประจุไฟฟ้าที่ดีขึ้นและความทนทานทางกลที่มากขึ้น

แม้ว่าห้องปฏิบัติการจะทำลายสถิติประสิทธิภาพใหม่ ๆ อย่างต่อเนื่อง แต่ยังไม่เคยถูกนำมาใช้งานจริงอย่างเต็มรูปแบบ ต่างจากแผงโซลาร์เซลล์แบบเดิมที่สามารถรับประกันได้นานถึง 30 ปี เพราะมีข้อมูลรองรับจริง แต่สำหรับเพอรอฟสไกต์ ข้อมูลความน่าเชื่อถือระยะยาวเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการค้าในวงกว้าง 

บริษัทต่าง ๆ เช่น Oxford PV และ Caelux กำลังเร่งนำเซลล์แทนเด็มออกสู่ตลาดและทำการทดสอบภาคสนามอย่างต่อเนื่อง แสดงให้เห็นว่าอุตสาหกรรมนี้กำลังก้าวเข้าสู่การเปลี่ยนผ่านครั้งสำคัญ โดยคาดหวังว่าเทคโนโลยีเพอรอฟสไกต์จะช่วยให้เทคโนโลยีแสงอาทิตย์ก้าวกระโดดได้ไกลยิ่งขึ้น

ที่มา: BBC, Interesting Engineering, Scitech Daily