เพิ่มทางเลือกในการพัฒนาประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์

พลังงานแสงอาทิตย์ เป็นแหล่งพลังงานขนาดใหญ่ที่ยั่งยืนถาวรอยู่คู่กับโลกของเรา และด้วยความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ ทำให้สามารถนำพลังงานแสงอาทิตย์มาเปลี่ยนรูปให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า เซลล์แสงอาทิตย์ (solar cells)

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง เป็นเซลล์แสงอาทิตย์รูปแบบหนึ่ง ซึ่งมีใช้กันมากว่า 20 ปีแล้ว โดยส่วนประกอบหลักของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ จะประกอบไปด้วยโฟโตอาโนด (photoanode) อิเล็กโทรไลต์ (electrolyte) และคาโทด (cathode) เมื่อแสงมาตกกระทบเซลล์แสงอาทิตย์จะทำให้เกิดกระบวนการผลิตกระแสไฟฟ้าด้วยแสง (photo generation) เกิดขึ้น

 

กระบวนการกำเนิดอิเล็กตรอน ที่เกิดขึ้นที่ขั้วโฟโตอาโนด มีผลโดยตรงต่อกระแสไฟฟ้าและประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ สารกึ่งตัวนำที่เป็นฟิล์มเรียบจะทำให้การยึดเกาะของสีย้อมถูกจำกัด แต่หากสามารถเพิ่มปริมาณสีย้อมให้มากขึ้นได้ก็จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ได้ อีกทั้งการกระเจิงแสงและการกระเจิงอิเล็กตรอนก็เป็นขีดจำกัดในฟิล์มเรียบที่ทำให้แสงไม่อาจตกกระทบสีย้อมได้มากพอและอิเล็กตรอนที่กำเนิดจากสีย้อมก็ไม่อาจเคลื่อนที่ออกสู่วงจรภายนอกได้ ดังนั้น การพัฒนาโครงสร้างที่เหมาะสมของสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ในขั้วโฟโตอาโนดจึงเป็นปัจจัยสำคัญต่อการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์

ดร.ศศิมลฑล ม่วงศรีจันทร์ อาจารย์ประจำสายวิชาวิทยาศาสตร์ คณะศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกำแพงแสน ได้ทำการวิจัยเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง ด้วยการพัฒนาขั้วโฟโตอาโนดซิงก์ออกไซด์โดยมีเป้าหมายในการเพิ่มการยึดเกาะของสีย้อม เพิ่มการกระเจิงแสง  และ ลดการกระเจิงอิเล็กตรอน ของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง โดยการสร้างฟิล์มที่มีความพรุนด้วยกระบวนการกัดกร่อนทางเคมี เพื่อให้ขั้วโฟโตอาโนดสามารถดูดซับสีย้อมได้มากขึ้น มีการกระเจิงแสงมากขึ้น และมีการกระเจิงอิเล็กตรอนน้อยลง

การกัดพื้นผิวให้กร่อนเป็นรูพรุนด้วยกระบวนการทางเคมี เป็นวิธีสร้างรูพรุนของขั้วโฟโตอาโนดที่ทำได้ง่าย รวดเร็ว ไม่ต้องใช้อุณหภูมิสูง ควบคุมปฏิกิริยาได้ง่าย และสามารถเลือกสารเคมีตั้งต้นได้หลากหลายตามความเร็วของอัตราการเกิดปฏิกิริยาและเวลาที่ต้องการได้ ซึ่งกระบวนการกัดกร่อนทางเคมีถูกใช้ในงานวิจัยเชิงพื้นผิวมากมาย เช่น การกัดพื้นผิวฟิล์มบาง การกัดพื้นผิวโลหะ เป็นต้น แต่ยังไม่ปรากฏว่ามีการนำกระบวนการนี้มาใช้กัดพื้นผิวของโฟโตอาโนดในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงมาก่อนเลย

ในการวิจัยครั้งนี้ ผู้วิจัยทดลองใช้กระบวนการกัดกร่อนทางเคมี เป็น 2 วิธี คือ

วิธีแรกทำการกัดกร่อนด้วยสารละลายเคมี โดยใช้สารละลายเบสและกรด ประกอบด้วยโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH) กรดไฮโดรคลอริก (HCl) กรดไนตริก (HNO3) และกรดซัลฟูริก (H2SO4)

พบว่าลักษณะพื้นผิวของโฟโตอิเล็กโทรดที่ผ่านการกัดกร่อนเปลี่ยนแปลง โดยฟิล์มที่กัดกร่อนด้วยเบสมีการเปลี่ยนแปลงความขรุขระของพื้นผิวเล็กน้อย แต่ฟิล์มที่กัดกร่อนด้วยกรดมีการเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก และทำให้การสะท้อนแสงเฉลี่ยในบางช่วงความยาวคลื่นของฟิล์มที่กัดกร่อนด้วยเบสมีค่ามากขึ้น แสดงว่าฟิล์มมีลักษณะที่เรียบขึ้น ในขณะที่การสะท้อนแสงเฉลี่ยของฟิล์มที่กัดกร่อนด้วยกรดมีค่าลดลง แสดงว่าฟิล์มมีลักษณะที่ขรุขระมากขึ้น ซึ่งส่งผลให้แสงบางส่วนถูกกักเก็บไว้

ส่วนการดูดซับสีย้อมของฟิล์มที่กัดกร่อนด้วยกรดและเบสมีแนวโน้มลดลง ซึ่งอาจเป็นผลมาจากพื้นผิวของฟิล์มมีความเรียบมากขึ้นหรือมีความขรุขระที่ไม่เหมาะสมและความหนาของฟิล์มอาจมีค่าลดลง ซึ่งส่งผลต่อการดูดซับสีย้อมได้น้อยลง

การศึกษาสมบัติทางไฟฟ้าเคมีของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงที่เตรียมบนฟิล์มซึ่งกัดกร่อนด้วยเบส เพื่อศึกษาการรวมตัวกันเอง (recombination) ของอิเล็กตรอนกับอิเล็กโตรไลต์และสีย้อมในสถานะออกซิไดซ์ พบว่า recombination มีค่าลดลง ในขณะที่เซลล์ซึ่งเตรียมบนฟิล์มที่กัดกร่อนด้วยกรดมีค่าเพิ่มขึ้น แสดงให้เห็นว่าพื้นที่ผิวของฟิล์มที่กัดกร่อนด้วยกรดมีค่าเพิ่มขึ้น  โดยพื้นที่ที่เพิ่มขึ้นนี้ ทำให้มีพื้นผิวสัมผัสระหว่างอิเล็กตรอนและอิเล็กโทรไลต์มากขึ้นนั่นเอง

ดังนั้นจากผลการวิจัยพบว่ากระบวนการกัดกร่อนทางเคมีสามารถนำมาใช้เพื่อพัฒนาขั้วโฟโตอาโนดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไว้แสงได้

วิธีที่ 2 ทำการกัดกร่อนด้วยไอเชิงเคมี โดยใช้กรด HCl  พบว่า พื้นผิวเปลี่ยนแปลงไป เป็นแผ่นที่ทำหน้าที่เป็นชั้นสะท้อนแสง ซึ่งช่วยให้การกระเจิงแสงได้ดีขึ้น ทำให้การกำเนิดอิเล็กตรอนจากสีย้อมได้มากขึ้น  นอกจากนี้ยังพบว่า electron lifetime มีค่าเพิ่มขึ้นด้วย

ในขณะที่ฟิล์มซิงก์ออกไซด์ ซึ่งผ่านกระบวนการกัดกร่อนด้วไอเชิงเคมีด้วยเบส NH4OH กลับไม่พบการเปลี่ยนแปลงเชิงพื้นผิวที่ชัดเจน

อย่างไรก็ดีเมื่อนำฟิล์มไปประกอบเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงโดยใช้ N719 พบว่าประสิทธิภาพของเซลล์กลับเพิ่มขึ้น และเมื่อวิเคราะห์สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของสีย้อมจึงพบว่าปริมาณสีย้อมที่ยึดเกาะบนฟิล์มเพิ่มขึ้น จึงส่งผลทำให้ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์เพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน         

ขอขอบคุณที่ท่านเข้ามาอ่านบทความวิจัยนี้ และขอความกรุณาสละเวลาตอบแบบสอบถามการให้บริการข้อมูล เพื่อการปรับปรุงต่อไปด้วย จะขอบคุณยิ่ง  

คลิกที่นี่เพื่อตอบแบบสอบถาม—> https://goo.gl/forms/hcBXc1080pJmdUmF3

ดร.ศศิมลฑล ม่วงศรีจันทร์

ที่มาข้อมูล   :    โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก.

หัวหน้าโครงการ : ดร.ศศิมลฑล ม่วงศรีจันทร์

สายวิชาวิทยาศาสตร์

คณะศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์

มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตกำแพงแสน

เรียบเรียง/สื่อเผยแพร่ :   วันเพ็ญ นภาทิวาอำนวย

ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย

สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก.

โทร. 02 561 1474

e-mail : rdiwan@ku.ac.th