การวิเคราะห์สถานะออกซิเดชันของไทเทเนี่ยมในสารประกอบออกไซด์ที่ใช้เป็นขั้วโฟโต้ของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

นายสมาน แซ่โค้ว¹, นายวสันต์ ไมอักรี², ดร. วิรัตน์ เจริญบุญ³, ผศ. ดร. สมัคร์ พิมานแพง², และ รศ. ดร. วิทยา อมรกิจบำรุง^1,2

¹ ศูนย์วิจัยนาโนเทคโนโลยีบูรณาการ มหาวิทยาลัยขอนแก่น

² ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น

³ วิทยาลัยนาโนเทคโนโลยีพระจอมเกล้าลาดกระบัง สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้า เจ้าคุณทหารลาดกระบัง

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยขอนแก่นและสถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้า เจ้าคุณทหารลาดกระบัง ใช้เทคนิค Photoemission Electron Spectroscopy (PES) เพื่อศึกษาผลของการฉายรังสีอัลตราไวโอเลตบนผิวของสารประกอบไทเทเนียมออกไซด์ในกระบวนการเตรียมขั้วรับแสงของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงพบว่า ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ที่เตรียมโดยการฉายรังสีอัลตราไวโอเลตเพิ่มขึ้นถึง 13% เทียบกับที่ไม่ได้ฉายรังสี

         นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยขอนแก่นและสถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้า เจ้าคุณทหารลาดกระบัง ร่วมศึกษาผลการฉายรังสีอัลตราไวโอเลตบนผิวของสารประกอบไทเทเนี่ยมออกไซด์ในกระบวนการเตรียมขั้วรับแสงของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงต่อผลการเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์โดยการ ใช้เทคนิค Photoemission Electron Spectroscopy (PES) หรือ X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) ในสถานีทดลองที่ 3.2a ผลการศึกษาพบการ เกิดปฏิกิริยารีดักชั่นที่ผิว ไทเทเนี่ยมออกไซด์ เนื่องจากรังสีอัลตราไวโอเลต ทำให้ไทเทเนี่ยมสี่บวก(Ti4+) ลดลง ขณะที่ไทเทเนี่ยมสามบวก(Ti3+) เพิ่มขึ้น ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการส่งผ่านของอิเล็กตรอนและโฮลระหว่างขั้วรับแสงและเม็ดสีย้อมไวแสงให้สูงขึ้น

         เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงเป็นเซลล์เคมีเชิงไฟฟ้าที่สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าจากการกระตุ้นด้วยแสง ประกอบด้วยส่วนประกอบ 4 ส่วน คือ ขั้วรับแสง เม็ดสีย้อมไวแสง อิเล็กโทรไลต์ และ ขั้วเคาน์เตอร์หรือขั้วแคโธด การวิจัยนี้เน้นการพัฒนาขั้วรับแสงหรือขั้วแอโนดที่ประกอบด้วยไทเทเนี่ยมออกไซด์เคลือบบนกระจกนำไฟฟ้าทินออกไซด์โดปด้วยฟลูออไรด์ โดยไทเทเนี่ยมออกไซด์ที่ใช้ลักษณะเป็นแบบเพสท์ (paste)และมีการเผาที่ 500 o C เพื่อกำจัดส่วนผสมอื่นจากเพสท์ให้เหลือเฉพาะไทเทเนี่ยมออกไซด์ก่อนย้อมด้วยสีย้อมไวแสงมาตรฐาน N719 แต่ก่อนย้อมด้วยสีย้อมไวแสงเราได้ฉายรังสีอัลตราไวโอเลตขนาดกำลัง 1650 และ 500 วัตต์ เพื่อศึกษาผลที่เกิดขึ้นบนผิวก่อนนำไปย้อมด้วยสีย้อมไวแสงแล้วประกบกับขั้วเคาน์เตอร์ และ บรรจุอิเล็กโทรไลต์ ประกอบเป็นเซลล์เพื่อวัดประสิทธิภาพต่อไป

         การตรวจวิเคราะห์ผิวไทเทเนี่ยมออกไซด์กระทำหลังจากถอดประกอบเซลล์และล้างเม็ดสีไวแสง ออกด้วยสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ในเอทานอล การวัดเอ็กซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปคโทสโกปี(XPS) ทำที่ค่าพลังงานสูงสุด 600 eV และ สแกนค่าพลังงานทีละ 0.1 eV ดำเนินงานที่สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน มีผลการตรวจวิเคราะห์แสดงดังรูป (a), (b) และ (c) สำหรับเงื่อนไขฉายรังสีอัลตราไวโอเลต 1650, 500 วัตต์ และ ไม่ฉายอัลตราไวโอเลต ตามลำดับ ผลการวิเคราะห์พบพีค Ti3p, Ti2p และ O1s ที่ตำแหน่ง 37.1, 451.9 และ 530.6 eV ตามลำดับ หลังจากทำคอนโวลูชั่น (peak convolution) พีค O1s ประกอบด้วย 2 พีคย่อยที่ตำแหน่ง 530 และ 532 eV ซึ่งมาจากไทเทเนี่ยมออกไซด์TiO2 และ Ti2O3 ตามลำดับเมื่อคำนวณพื้นที่ใต้พีคพบการลดลงของพื้นที่ใต้พีคของ TiO2 และมีการเพิ่มขึ้นของพื้นที่ใต้พีคของ Ti2O3 ตามกำลังของรังสีอัลตราไวโอเลตที่มากขึ้น แสดงถึงการเกิดปฏิกิริยารีดักชั่นที่ผิว ไทเทเนี่ยมออกไซด์ เนื่องจากรังสีอัลตราไวโอเลต ทำให้ไทเทเนี่ยมสี่บวก(Ti4+) ของ TiO2 ลดลง ขณะที่ไทเทเนี่ยมสามบวก(Ti3+) ของ Ti2O3 เพิ่มขึ้น มีผลต่อการส่งผ่านของอิเล็กตรอนและโฮลระหว่างขั้วรับแสงและเม็ดสีย้อมไวแสงสูงขึ้นเนื่องจากการลดลงของเลขออกซิเดชั่นของไทเทเนี่ยม ทำให้ประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสงที่เตรียมโดยมีการฉายรังสีอัลตราไวโอเลตเพิ่มขึ้นถึง 13 % จาก 10 % ที่ไม่ได้ฉายรังสีอัลตราไวโอเลต

รูปที่ 1 ผลการตรวจวิเคราะห์ผิวไทเทเนี่ยมออกไซด์แสดงดังรูป (a), (b) และ (c) สำหรับเงื่อนไขฉายรังสีอัลตราไวโอเลต 1650, 500 วัตต์ และ ไม่ฉายอัลตราไวโอเลต ตามลำดับ

เอกสารอ้างอิง
[1] Samarn Saekow, Wasan Maiakgree, Wirat Jarernboon ,Samuk Pimanpang,Vittaya Amornkitbamrung. High intensity UV radiation ozone treatment of nanocrystalline TiO2 layers for high efficiency of dye-sensitized solar cells. Journal of Non-Crystalline Solids. 358 (2012) 2496–2500.