พัฒนาขั้วไฟฟ้าเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ ต้นทุนต่ำ

  พลังงานแสงอาทิตย์เป็นทางเลือกของพลังงานทดแทนแห่งอนาคต เป็นแหล่งพลังงานสะอาดไม่ก่อปัญหาสิ่งแวดล้อม  ปัจจุบันการผลิตพลังงานไฟฟ้าโดยตรงจากเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ชนิดใหม่ที่เรียกว่า เซลล์แสงอาทิตย์แบบสีย้อมไวแสง (Dye Sensitized Solar Cell)  ได้รับความสนใจอย่างมาก นับตั้งแต่ ปี ค.ศ. 1991 ซึ่ง Brian O’Regan และ Michael Grätzal ได้คิดค้นเซลล์แสงอาทิตย์แบบสีย้อมไวแสง เป็นทางเลือกใหม่แทนที่เซลล์พลังงานแสงอาทิตย์แบบซิลิกอน โดยส่วนประกอบสำคัญที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์แบบสีย้อมไวแสงนี้ คือแผ่นฟิล์มไททาเนียมไดออกไซด์(TiO₂)โปร่งแสงที่มีรูพรุนในรูปผลึกอนุภาคระดับนาโน ทำหน้าที่เป็นขั้วลบหรือขั้วแอโนด และเป็นพื้นผิวสำหรับการเกาะยึดของโมเลกุลสีย้อมไวแสงมาเก็บสะสมและแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า เคาน์เตอร์อิเล็กโทรด ทำหน้าที่เป็นขั้วบวกหรือขั้วแคโทด และเป็นตัวเร่งปฏิกิริยารีดักชั่นและการถ่ายโอนอิเล็กตรอน ซึ่งวัสดุที่มีคุณสมบัติสำหรับทำเป็นเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดที่ดี มีประสิทธิภาพ คือโลหะแพลทินัม (Pt)

แต่โลหะแพลทินัม เป็นวัสดุที่มีราคาแพง ด้วยเหตุนี้ ผศ.ดร.มาริสา อรัญชัยยะ อาจารย์ประจำภาควิชาวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ จึงทำการวิจัย พัฒนาการใช้วัสดุอื่นแทนการใช้โลหะแพลทินัมซึ่งมีราคาแพง เป็นขั้วแคโทดสำหรับเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ชนิดดายเซนซิไทส์ เพื่อหาทางลดต้นทุนการผลิต

ภาพ SEM แสดงรูปร่างลักษณะพื้นผิวหน้า (surface morphology) ของเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดที่กาลังขยาย 50,000 เท่า ของ (a) แพลทินัม, (b) carbon black, (c) LaCoO3 และ (d) carbon black-LaCoO3

ภาพ E-SEM แสดงรูปร่างลักษณะพื้นผิวหน้า (surface morphology) ของเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดที่กาลังขยาย 5,000 เท่า ของ (a) Pt, (b) PANI, (c) PPy และ (d) PEDOT

 จากการพัฒนาขั้วไฟฟ้าที่สามารถนำมาใช้แทนเคาน์เตอร์อิเล็กโทรดชนิดแพลทินัมที่มีราคาแพง โดยนำมาประกอบเปนเซลลแสงอาทิตยชนิดดายเซนซิไทส ที่ใชสีของสารประกอบเชิงซ้อนรูทิเนียม (สีN719)  เป็นสียอมไวแสง และใชอิเล็กโทรไลทแข็งหรือกึ่งแข็งจากคอมพอสิทของพอลีเอทิลีนออกไซด์ ไอโอดีน โพแทสเซียมไอโอไดด์ และไทเทเนียมไดออกไซด์  และทดสอบการใช้เคาน์เตอร์อิเล็กโทรจากวัสดุที่เตรียมขึ้นทั้งหมด 4 ชนิด โดยเป็นวัสดุที่สามารถหาและเตรียมได้ง่ายราคาไม่แพง เปรียบเทียบประสิทธิภาพกับการใช้โลหะแพลทินัมซึ่งมีราคาแพง  ผลการศึกษาประสิทธิภาพของเซลลแสงอาทิตย พบวา เคานเตอรอิเล็กโทรดที่ใช้วัสดุคาร์บอนแบล็คผสมแลนทานัมโคบอลออกไซด์ (carbon black-LaCoO3), พอลิอะนิลิน (Polyaniline ; PANI) และ พอลิ 3,4-เอทิลีนไดออกซีไทโอฟิน (Poly3,4-ethylenedioxythiophene; PEDOT)  ใหผลที่ดีเทียบเทากับเซลลแสงอาทิตยที่ใชแพลทินัมเปนเคานเตอรอิเล็กโทรด และเมื่อศึกษาความเสถียรของเซลลแสงอาทิตยโดยวัดประสิทธิภาพของเซลลเมื่อเก็บรักษาไวที่อุณหภูมิหองเปนเวลา 51-56 วัน พบวาเซลลแสงอาทิตยที่ใชcarbon black-LaCoO3 เปนเคานเตอร อิเล็กโทรดมีความเสถียรที่สุด อยางไรก็ตาม ความเสถียรของเซลลแสงอาทิตยขึ้นกับปจจัยหลายอยาง ทั้งวัสดุที่ใช้ทําเคานเตอรอิเล็กโทรด และชนิดหรือองคประกอบของอิเล็กโทรไลท์ ทั้งนี้เซลลแสงอาทิตยที่ทดสอบนี้ ยังไมมีการปดผนึกเซลล ดังนั้นจึงยังคงตองทําการศึกษาและพัฒนาเซลลแสงอาทิตย์ดังกล่าวนี้ใหมีประสิทธิภาพและความเสถียรเพิ่มขึ้นตอไป เพื่อสามารถนําไปประกอบเปนแผงเซลลหรือโมดูลขนาดเล็ก รวมทั้งศึกษาความเปนไปไดในการนําไปผลิต และใชงานจริงในเชิงพาณิชยตอไป