นักวิทยาศาสตร์พยายามหาวิธีการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนในภาคส่วนอาคาร เนื่องจากก๊าซในส่วนนี้คิดเป็น 40% ของการใช้พลังงานทั้งหมดในยุโรป หนึ่งในนั้นคือ “นวัตกรรมโซลาร์เซลล์แบบโปร่งแสง” ซึ่งเป็นการเปลี่ยนพื้นผิวกระจกมหาศาลของตึกระฟ้าให้กลายเป็นโรงไฟฟ้าพลังงานสะอาด โดยไม่จำเป็นต้องใช้พื้นที่เพิ่มเติมหรือเปลี่ยนโครงสร้างพื้นฐานเดิม
แต่ปัญหาที่ยังแก้ไม่ตกคือ การรักษาสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้ากับความโปร่งใสของกระจก เพื่อให้ยังสามารถใช้เป็นหน้าต่างได้จริง ซึ่งล่าสุดนักวิจัยได้ค้นพบเทคโนโลยีที่ก้าวข้ามขีดจำกัดดังกล่าวได้สำเร็จ
เพิ่มความโปร่งแสงให้โซลาร์เซลล์
โครงการนานาชาติ CitySolar นำโดยทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเซาเทิร์นเดนมาร์ก พัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์แบบโปร่งแสงที่มีประสิทธิภาพสูงถึง 12.3% ซึ่งใกล้เคียงกับประสิทธิภาพของแผงโซลาร์เซลล์ที่ใช้ในเชิงพาณิชย์ทั่วไป ความสำเร็จนี้เกิดขึ้นจากการผสมผสานระหว่างโซลาร์เซลล์แบบออร์แกนิกกับวัสดุเพอรอฟสไกต์ (Perovskite) ซึ่งทำหน้าที่เป็นชั้นเลเยอร์ที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานได้อย่างมีนัยสำคัญโดยยังคงความโปร่งใสไว้ที่ 30%
ศ.มอร์เทน แมดเซน หนึ่งในนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเซาเทิร์นเดนมาร์ก กล่าวว่า “เซลล์แสงอาทิตย์แบบโปร่งแสงอาจเป็นก้าวสำคัญในการสร้างโซลูชันพลังงานแบบบูรณาการสำหรับอาคาร” พร้อมยังเน้นย้ำถึงศักยภาพในเชิงพาณิชย์ว่า “กระจกบานใหญ่ในอาคารสำนักงานสมัยใหม่สามารถนำมาใช้ผลิตพลังงานได้โดยไม่ต้องใช้พื้นที่เพิ่มหรือเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเป็นพิเศษ สิ่งนี้แสดงถึงโอกาสทางการตลาดมหาศาล” เนื่องจากวัสดุทั้งสองประเภทมีราคาไม่แพงและสามารถขยายขนาดการผลิตได้จริง
หลักการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ในโครงการนี้ เน้นไปที่การเก็บเกี่ยวพลังงานจากส่วนที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ชั้นเพอรอฟสไกต์จะดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลต ในขณะที่ชั้นออร์แกนิกจะทำหน้าที่ดูดซับรังสีอินฟราเรดคลื่นสั้น
ศ.แมดเซน อธิบายเพิ่มเติมว่า การเก็บเกี่ยวพลังงานจากช่วงคลื่นอินฟราเรดและอัลตราไวโอเลต โดยไม่รบกวนแสงที่มองเห็นได้ ช่วยสร้างมาตรฐานประสิทธิภาพใหม่สำหรับหน้าต่างโซลาร์เซลล์แบบกึ่งโปร่งแสงได้ วิธีนี้ช่วยให้แสงในช่วงสเปกตรัมที่มนุษย์มองเห็นสามารถลอดผ่านไปได้โดยแทบไม่ได้รับผลกระทบ
พัฒนาสารเคลือบใส
นอกจากการพัฒนาในยุโรปแล้ว ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยหนานจิงในประเทศจีนยังได้พัฒนาสารเคลือบใสที่เรียกว่า “CUSC” (Colorless and Unidirectional Diffractive-type Solar Concentrator) สารเคลือบนี้ผลิตจากผลึกเหลวคอเลสเตอริก (CLCs) เรียงซ้อนกัน เพื่อดักจับโฟตอนของแสงอาทิตย์และส่งต่อไปยังเซลล์ไฟฟ้าที่ติดตั้งไว้ด้านข้างกระจก เทคโนโลยีนี้โดดเด่นในเรื่องความใสที่ยอมให้แสงผ่านได้ถึง 64.2% และรักษาสีสันให้มีความแม่นยำสูงถึง 91.3%
ในการทดสอบโดยใช้แสงเลเซอร์สีเขียว ซึ่งเป็นสีที่ดวงตาของมนุษย์ไวต่อแสงมากที่สุด สามารถดักจับและแปลงพลังงานได้ 38.1% ซึ่งเป็นศักยภาพสูงสุดที่สูงมากสำหรับเทคโนโลยีนี้ ในการทดสอบโดยใช้สภาวะที่สมจริงมากขึ้นและสเปกตรัมแสงเต็มรูปแบบ ประสิทธิภาพโดยรวมอยู่ที่ 18.1%
เว่ย หู วิศวกรด้านทัศนศาสตร์ กล่าวว่า “การออกแบบ CUSC เป็นความก้าวหน้าในการบูรณาการเทคโนโลยีโซลาร์เซลล์เข้ากับสภาพแวดล้อมที่มนุษย์สร้างขึ้นโดยไม่สูญเสียความสวยงาม”
ขณะที่ จาง เต้อเว่ย วิศวกรในทีมวิจัยอธิบายกลไกการทำงานว่า การออกแบบโครงสร้างฟิล์มผลึกเหลวคอเลสเตอริก ทำให้สร้างระบบที่เลือกเลี้ยวเบนแสงโพลาไรซ์แบบวงกลม และนำแสงนั้นเข้าสู่ท่อนำคลื่นกระจกในมุมที่สูงชัน ซึ่งเป็นวิธีการที่ช่วยให้กระจกยังคงทำหน้าที่เป็นหน้าต่างได้อย่างสมบูรณ์แบบในขณะที่ดักจับพลังงานไปพร้อมกัน
นักวิจัยได้พัฒนาต้นแบบขนาด 1 นิ้ว โดยใช้สารเคลือบนี้แล้ว ซึ่งสามารถรวบรวมพลังงานได้เพียงพอที่จะจ่ายไฟให้กับพัดลมขนาดเล็ก หากขยายขนาดเป็นหน้าต่างขนาดเต็ม ก็อาจสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ในปริมาณมาก
เนื่องจากสารเคลือบนี้ สามารถนำไปใช้กับหน้าต่างทั่วไปได้โดยไม่ต้องดัดแปลงมากนัก ทีมงานจึงหวังว่าสิ่งนี้จะสามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ แม้ว่าจะยังมีงานอีกมากที่ต้องทำก่อนที่จะถึงจุดนั้น โดยเฉพาะการปรับปรุงความเสถียรและการผลิตสารเคลือบ รวมไปถึงประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน
พัฒนาหน้าต่างผลิตไฟฟ้าได้ตลอด 24 ชั่วโมง
ดร.จุน ยง-ซอก ศาสตราจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมพลังงานแบบบูรณาการ มหาวิทยาลัยเกาหลี ร่วมกับมหาวิทยาลัยการบินและอวกาศเกาหลี และสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งเกาหลี (KIST) ออกแบบเทคโนโลยีหน้าต่างพลังงานแสงอาทิตย์โปร่งใส ที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้อย่างต่อเนื่อง โดยใช้แสงแดดในเวลากลางวันและแสงสว่างภายในอาคารในเวลากลางคืน
ทีมวิจัยกล่าวว่า เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมนี้สามารถขยายบทบาทของหน้าต่างในอาคารประหยัดพลังงานได้อย่างมาก และยังช่วยเอาชนะข้อจำกัดที่มีมายาวนานของแผงโซลาร์เซลล์แบบโปร่งใสได้อีกด้วย
“ในอนาคต เทคโนโลยีของเราสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในภาคอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น อาคารพลังงานศูนย์ และหน้าต่างสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า” จุนกล่าว
นวัตกรรมนี้อาศัยโครงสร้างที่ผสมผสานตัวสะท้อนแสงแบบกระจายแบร็ก (DBR) กับเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนแบบสองด้าน ตัวสะท้อนแสงจะเปลี่ยนทิศทางแสงอินฟราเรดใกล้ที่มองไม่เห็นไปยังเซลล์แสงอาทิตย์อย่างเลือกสรร ในขณะที่ยอมให้แสงที่มองเห็นได้ส่วนใหญ่ผ่านไปได้
ด้วยเหตุนี้ เทคโนโลยีจึงสามารถรักษาความโปร่งใสที่สว่างและคงความเป็นกลางทางสายตา ในขณะที่แปลงพลังงานจากความยาวคลื่นที่ปรกติแล้วจะสูญเปล่า วิธีการนี้แก้ปัญหาที่สำคัญในระบบ PV แบบโปร่งใสโดยการสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและการใช้งาน
สำหรับโครงการนี้ ทีมวิจัยได้ใช้คุณสมบัติของเซลล์แสงอาทิตย์แบบสองด้าน และสร้างระบบผลิตพลังงานตลอด 24 ชั่วโมง ระบบนี้ดักจับแสงแดดในเวลากลางวัน และแสงภายในอาคารจากหลอด LED และหลอดฟลูออเรสเซนต์ในเวลากลางคืน
แตกต่างจากเทคโนโลยีที่มีอยู่ วิธีการใหม่นี้ให้พลังงานที่สม่ำเสมอโดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงของเวลาหรือสภาพอากาศ ทีมงานระบุว่าโมดูลยังคงรักษาค่าการส่งผ่านแสงที่มองเห็นได้ที่ 75.6% ในขณะที่ให้ความสว่างเทียบเท่ากับหน้าต่างทั่วไป
ในขณะเดียวกัน ดัชนีการแสดงสี เป็นการวัดเชิงปริมาณที่บ่งชี้ว่าสีของแสงถูกสร้างขึ้นใหม่ได้อย่างแม่นยำเพียงใดผ่านหน้าต่างนั้น สูงถึง 93.8% ซึ่งแก้ปัญหาการบิดเบือนสีที่เคยเป็นปัญหาของเซลล์แสงอาทิตย์โปร่งใสรุ่นก่อน ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ปัจจุบันเทคโนโลยีเหล่านี้ส่วนใหญ่อยู่ในระดับความพร้อมทางเทคโนโลยี (TRL) ที่ 5-6 ซึ่งหมายถึงการพิสูจน์แนวคิดและพัฒนาต้นแบบสำเร็จแล้ว โดยทีมวิจัยทั่วโลกกำลังอยู่ในช่วงเจรจากับพันธมิตรทางธุรกิจเพื่อปรับปรุงความเสถียรและขยายขนาดการผลิตสู่เชิงพาณิชย์ เพื่อเปลี่ยนอาคารทั่วโลกให้กลายเป็นแหล่งพลังงานสะอาดที่ยั่งยืนในอนาคตอันใกล้
ที่มา: Euro News, Independent, Interesting Engineering, Science Alert