เซลล์แสงอาทิตย์สำหรับอุตสาหกรรมอวกาศที่ใช้ในปัจจุบัน เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่ประกอบด้วยโครงสร้างแบบ “ทริป-เปิล-จังชัน” (triple-junction) ของวัสดุสารกึ่งตัวนำที่อยู่ในหมู่ 3-5 ตามตารางธาตุ ข้อดีของเซลล์แสงอาทิตย์นี้คือให้ประสิทธิภาพสูงถึง 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อทดสอบกับแสงที่ความเข้มนอกชั้นบรรยากาศของโลก แต่ข้อจำกัดของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้คือ การต้องพึ่งพาระบบสุญญากาศที่ซับซ้อน เพื่อเตรียมวัสดุขั้นสูงสำหรับขึ้นรูปซ้อนทับกัน อีกทั้งยังต้องมีองค์ความรู้เกี่ยวกับด้านการปรับเปลี่ยนพื้นผิวและรอยต่อระหว่างชั้นเพื่อลดความบกพร่องที่มักจะเกิดขึ้น ณ บริเวณตำแหน่งพื้นผิว และรอยต่อ ความบกพร่องนี้จะดักจับประจุอิสระไม่ให้เคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้าภายนอก ส่งผลให้ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์มีค่าลดลง

นักวิทยาศาสตร์จึงพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์แบบใหม่ที่จะเป็นอนาคตสำหรับอุตสาหกรรมอวกาศ โดยให้ความสนใจอย่างมากในการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ที่ผลิตจากวัสดุเพอรอฟสไกท์ วัสดุดังกล่าวเป็นวัสดุสารกึ่งตัวนำที่สามารถปรับเปลี่ยนช่วงการใช้ประโยชน์จากแสงอาทิตย์ได้กว้าง และยังมีโครงสร้างคล้ายคลึงกับโครงสร้างแบบ “ทริป-เปิล-จังชัน” กล่าวคือ ประกอบด้วย 3 ชั้นหลักซ้อนทับกัน ได้แก่ ชั้นรับประจุอิเล็กตรอน (Electron transporting layer; ETL) ชั้นดูดกลืนแสงเพอรอฟสไกท์ (Perovskite absorber) และชั้นรับประจุโฮล (Hole transporting layer; HTL) จึงทำให้เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์มีประสิทธิภาพใกล้เคียงกับเซลล์แสงอาทิตย์ของวัสดุสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิกอน (Si) ข้อได้เปรียบอย่างชัดเจนของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์ เมื่อเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิกอนแบบดั้งเดิม คือ เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่สามารถเตรียมลงบนแผ่นรองรับที่โค้งงอได้ จึงทำให้มีน้ำหนักเบา เหมาะต่อการประยุกต์ใช้ในพื้นที่ที่มีข้อจำกัดด้านการรับน้ำหนักของเซลล์แสงอาทิตย์ เช่น ดาวเทียม จรวด เป็นต้น

 

ภาพจำลองมนุษย์อวกาศประยุกต์เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์

 

การศึกษาและปรับเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานของวัสดุเพอรอฟสไกท์ที่ประดิษฐ์เป็นเซลล์ เป็นปัจจัยหนึ่งที่สำคัญที่ส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพและเสถียรภาพของเซลล์ที่ประดิษฐ์ขึ้น โดย ผศ. ดร.นพพร รุจิสัมพันธ์ อาจารย์ประจำหลักสูตรวิทยาศาสตร์นาโนและนาโนเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี และคณะ ได้ร่วมกับ ดร.รัชฎาภรณ์ ทรัพย์เรืองเนตร นักวิทยาศาสตร์ระบบลำเลียงแสง สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน ใช้เทคนิคแสงซินโครตรอนในการศึกษาระดับพลังงานการนำอิเล็กตรอน และโฮล ในวัสดุเพอรอฟสไกท์ที่เคลือบบนชั้นรับประจุอิเล็กตรอนที่ทำจากวัสดุทินออกไซด์ (SnO2) ที่ผ่านการปรับปรุงพื้นผิวด้วยสารละลายโซเดียมเตตระฟลูออโรบอเรต (NaBF4) ที่ความเข้มข้นต่าง ๆ ด้วยเทคนิคอัลตราไวโอเลตโฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโคปี (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy: UPS)

 

ภาพแสดงผลการวัดจากเทคนิค UPS และค่า work function ที่คำนวณได้จากการวัด

 

จากการศึกษาพบว่าค่าฟังก์ชันงาน (Work function) ของเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์ที่เคลือบบนวัสดุทินออกไซด์ (SnO2) ที่ผ่านการปรับปรุงพื้นผิวด้วยสารละลายโซเดียมเตตระฟลูออโรบอเรต (NaBF4) มีค่าลดลง เมื่อนำไปทดสอบประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ พบว่าเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้มีประสิทธิภาพสูงถึง 20.69% ซึ่งเป็นประสิทธิภาพสูงสุดใกล้เคียงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีจำหน่ายเชิงพาณิชย์ในปัจจุบัน และมีโอกาสสูงที่เราจะพัฒนาให้เซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกท์นี้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นเพื่อทดแทนเซลล์แสงอาทิตย์แบบเดิม จึงเป็นความหวังในการพัฒนาแหล่งพลังงานสำหรับอุตสาหกรรมอวกาศต่อไปในอนาคต

 

ภาพแสดงผลการวัดประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ผลิตจากวัสดุเพอรอฟสไกท์บนวัสดุทินออกไซด์ (SnO2)

 

 

 

บทความโดย :
ผศ.ดร.นพพร รุจิสัมพันธ์ อาจารย์ประจำหลักสูตรวิทยาศาสตร์นาโนและนาโนเทคโนโลยี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
ดร.รัชฎาภรณ์ ทรัพย์เรืองเนตร นักวิทยาศาสตร์ระบบลำเลียงแสง สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน

 

เรียบเรียงโดย ส่วนสื่อสารองค์กร

 

 

 

1. Kay Thi Soe, Somya Thansamai, Non Thongprong, Waranchit Ruengsrisang, Ibrahim Adam Muhammad, Ekkaphop Ketsombun, Ratchadaporn Supruangnet, Anusit Kaewprajak, Pisist Kumnorkaew, Viboon Saetang, Thidarat Supasai and Nopporn Rujisamphan. 2022. Simultaneous Surface Modification and Defect Passivation on Tin Oxide-Perovskite Interface using Pseudohalide Salt of Sodium Tetrafluoroborate. Solar RRL Volume 7, Isssue 1:2200964 https://doi.org/10.1002/solr.202200964