ในปัจจุบันโซลาร์เซลล์ที่ใช้พื้นฐานของรอยต่อ p-n ของสารกึ่งตัวนำ* มีการพัฒนาให้มีประสิทธิภาพสูงและเหมาะกับการนำมาใช้เป็นพลังงานทางเลือกทดแทนพลังงานจากฟอสซิลที่มีแนวโน้มจะหมดไป อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดของโซลาร์เซลล์คือระยะเวลาในการเก็บเกี่ยวพลังงานแสงที่จำกัด ประมาณ 6 ชั่วโมงต่อวัน รวมทั้งลักษณะโครงสร้างยังไม่เหมาะสมกับการนำมาประยุกต์ใช้เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กแบบยืดหยุ่นที่ใช้ร่วมกับร่างกายมนุษย์

สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนจึงร่วมมือกับหน่วยวิจัยวัสดุขั้นสูง คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง ได้พัฒนาเซลล์กำเนิดไฟฟ้าหลักการใหม่ที่อาศัยผลของรอยต่อ p-n ที่คล้ายคลึงกับหลักการโซลาร์เซลล์ร่วมกับการผลิตไฟฟ้าจากแรงเชิงกล ที่เรียกว่า แหล่งกำเนิดพลังงานขนาดเล็กไทรโบโวลทาอิค (Tribovoltaic nanogenerator) โดยใช้วัสดุคู่สัมผัสหลักเป็นฟิล์มบาง p-Cu2O และ n-g-C3N4 ดังรูปที่ 1

เมื่อศึกษาเชิงลึกของภาพตัดขวางด้วยเทคนิคภาพถ่ายเอกซเรย์สามมิติจากแสงซินโครตรอน (X-ray Tomography Microscopy: XTM) ก็พบว่า วัสดุชนิด p และ n ที่มีความหนาระดับไมครอนและมีความขรุขระระดับนาโนเมตรนั้น สามารถเพิ่มสมรรถนะการผลิตไฟฟ้าของเซลล์กำเนิดไฟฟ้าได้ นอกจากเทคนิค SR-XTM แล้วในงานวิจัยนี้ยังใช้เทคนิค X-ray Photoemission Spectroscopy (XPS) ที่สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน ซึ่งได้ยืนยันการมีอยู่ของธาตุหลักที่เป็นองค์ประกอบของสารกึ่งตัวนำที่มีความบริสุทธิ์สูง ดังรูปที่ 2

เซลล์กำเนิดไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นนี้ มีความยืดหยุ่นสูง สามารถเก็บเกี่ยวพลังงานได้อย่างหลากหลาย กล่าวคือในการเก็บเกี่ยวที่เน้นพลังงานกล สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้ 0.3 ไมโครแอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตร และเมื่อทำการฉายแสง UV จะสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากกว่า 7 เท่า ด้วยกำลังไฟฟ้า 72 ไมโครวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร โดยสามารถเพิ่มสมรรถนะการผลิตไฟฟ้าขาออกมากกว่าด้วยการเชื่อมต่อแบบขนาน (รูปที่ 3)

 

เป็นการบ่งชี้ได้ว่า เซลล์กำเนิดไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นมาสามารถกำเนิดพลังงานในลักษณะคู่ควบ (Hybrid) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานขนาดเล็กชนิดใหม่ทั้งในด้านเชิงทฤษฎีและโครงสร้าง ซึ่งเป็นความหวังในการพัฒนาแหล่งกำเนิดพลังงานไฟฟ้าต่อไปในอนาคต

บทความของงานวิจัยฉบับนี้ได้รับการตีพิมพ์ผลงานในวารสารวิชาการระดับนานาชาติ Advanced Functional Materials ซึ่งมีมาตรฐานการวิจัยอยู่ในฐานข้อมูล WOS และ Scopus ระดับ Quartile 1 Tier 1 ที่มี Impact Factor สูงถึง 19.924

 

* ศึกษาข้อมูลสารกึ่งตัวนำได้ที่
https://www.scimath.org/lesson-physics/item/7237-2017-06-11-14-15-33

บทความโดย
ดร.ภัคนนันท์ ภัควนิตย์ และ ดร.ณรงค์ จันทร์เล็ก นักวิทยาศาสตร์ระบบลำเลียงแสง
ศาสตราจารย์ ดร.นราธิป วิทยากร ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.สายชล ศรีแป้น
รองศาสตราจารย์ ดร.ทศพล เมลืองนนท์ นางสาว อัจฉาวดี ผาริโน และ นางสาว ศุภกานต์ วรทัศน์
หน่วยวิจัยวัสดุขั้นสูง คณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง
ร่วมกับ นางสาว กนกวรรณ ชูดำ และ รองศาสตราจารย์ ดร.พงศกร กาญจนบุษย์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

เรียบเรียงโดย ส่วนสื่อสารองค์กร