ไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ กับเทคโนโลยีทดแทนซิลิกอน

ประเด็นค่าไฟแพง อาจเป็นมุมเล็กๆ ที่จุดประกายให้คนเร่งส่งเสริมพลังงานทางเลือกอย่าง Solar Cell แต่ในโลกความเป็นจริงสิ่งนี้ถูกพัฒนามาอย่างต่อเนื่อง จนวันนี้ถึงเวลาที่ต้องหาเทคโนโลยีที่ดีกว่าประสิทธิภาพสูงกว่า แถมรักษ์โลกกว่าผลึกซิลิก้าเสียที

โซลาร์เซลล์ พลังงานทางเลือกที่กำลังกลายเป็นที่นิยมในประเทศไทย แม้ว่าที่ผ่านมาต้นทุนในการเป็นเจ้าของเจ้าพลังงานทางเลือกรูปแบบนี้นั้นจะมีทั้งแบบราคาแพงด้วยการติดตั้งที่เคลมว่าได้มาตรฐาน ทั้งในมุมช่างและตัวเครื่องมือเอง หรือในรูปงาน DIY ที่ต้องออกแรงทำโดยอาศัยการเพิ่มทักษาจากยูทูปวิทยาก็ตาม

ไม่ว่าจะได้มาอย่างไรก็ตาม วันนี้เราจะพูดถึงเรื่องเทคโนโลยีของอุปกรณ์ชิ้นหนึ่งที่ทำหน้าที่เปลี่ยนแสงสว่างให้กลายเป็น กระแสไฟฟ้า ให้ไหลลงมาจากหลังคา สิ่งนั้นเราเรียกว่า แผง PV ที่เรียกชื่อเต็มว่า Photovoltaic หรือแผงโซลาร์เซลล์ที่เราเรียก กันติดปาก โดยปัจจุบัน การทำแผงที่ว่า เกิดจากการนำเอา ผลึกซิลิก้า มาใช้เป็นวัสดุรับแสง

รู้จักกับผลึกซิลิก้า อีกหนึ่งรูปแบบการใช้ซิลิกอนในโลกยุคใหม่

ตั้งแต่ยุคหลังการปฏิวัติอุตสาหกรรมผ่านมาเป็นร้อยปี ซิลิกอน คือตัวแปรสำคัญที่ทำให้วิวัฒนาการช่วง 50 ปีหลังเร็วขึ้น ทั้งในแง่ของการเป็นสารกึ่งตัวนำ ที่ทำให้เกิดสินค้าอิเล็กทรอนิกส์ คอมพิวเตอร์และโลกของการประมวลผลมากมายตามมา

เรามาทำความรู้จักกับ ซิลิก้า กันก่อน ซิลิกา หรือ ซิลิกอนไดออกไซด์ ( SiO2 ) เป็นสารประกอบของซิลิกอน และออกซิเจน มีลักษณะเป็นผลึก ไม่มีสี หรือเป็นผลึกสีขาว ไม่มีกลิ่น และรส พบมากในดิน หิน และเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับ 2 บนเปลือกโลกรองจากออกซิเจน และถูกนำมาใช้ประโยชน์ในหลายด้าน อาทิ เป็นสารดูดซับความชื้น เป็นสารเพิ่มความเงา เป็นส่วนผสมของวัสดุก่อสร้าง และใช้เป็นสารเพิ่มความแข็งแรงของผลิตภัณฑ์ เป็นต้น

สมบัติทางเคมี ซิลิกา ( Silica / SiO2 ) มีสมบัติทางเคมีที่ค่อนข้างเสถียรที่อุณหภูมิปกติ และไม่ทำปฏิกิริยาต่อสารเคมีหลายชนิด แต่สามารถเปลี่ยนรูปแบบได้ โดยซิลิกาชนิดอสัณฐานจะไวต่อปฏิกิริยามากกว่าซิลิกาชนิดผลึก เพราะซิลิกาอสัณฐานมีพื้นผิวมากกว่า

ส่วนสารละลายกรดจะไม่มีผลต่อซิลิกา ยกเว้นกรดไฮโดรฟลูออริก ซึ่งสามารถทำปฏิกิริยากับซิลิกาจนได้ H2SiF6 ทั้งนี้ ซิลิกาในรูปแบบที่ต่างกันจะเกิดปฏิกิริยากับกรดไฮโดรฟลูออริกได้ต่างกันขึ้นกับความหนาแน่นเป็นหลัก โดยซิลิกาที่มีความหนาแน่นสูงจะเกิดปฏิกิริยาได้น้อยกว่าซิลิกาที่มีความหนาแน่นต่ำ

ซิลิกอนไดออกไซด์ ถูกนำไปใช้ในการผลิตแผงโซลาร์เซลล์หรือ PV ด้วยกระบวนการถึง 8 ขั้นตอน แต่วันนี้ เราจะไปดูกันว่าจะมีเทคโนโลยีใดที่จะเข้ามาแทนกระบวนการผลิตแบบเก่านี้ได้บ้าง

Perovskite วัสดุสำหรับอนาคตของ Solar Cell

เป็นชื่อทั่วไปที่ใช้เรียกวัสดุที่มีโครงสร้าง โดยที่สารดังกล่าวมีโครงสร้างคล้าย CaTiO3 ซึ่งค้นพบโดยครั้งแรกโดย Gustav Rose นักธรณีวิทยาชาวรัสเซีย และตั้งชื่อเป็นเกียรติให้แก่ Lev Perovski นักธรณีวิทยาที่มีชื่อเสียงชาวรัสเซีย ซึ่งในโครงสร้างABX3 นั้นB คือไอออนบวกของโลหะ เช่น Pb,Snในขณะที่ X คือ อะตอมเฮไลด์และ A คือไอออนบวกที่ทำหน้าที่ดุลประจุให้เป็นกลาง (ซึ่งอาจจะมาจากโลหะหรือสารไฮโดรคาร์บอน) ซึ่งวัสดุ Perovskiteดังกล่าว มีมากมายกว่า 100 ชนิด ทั้งแบบอนินทรี และแบบไฮบริด

Perovskite solar cell เป็นเซลล์แสงอาทิตย์รูปแบบหนึ่งที่มีโครงสร้างเป็นผลึก รู้จักกันในชื่อ Perovskite structure (Perovskite เป็นแร่ธรรมชาติโครงสร้างเป็นผลึกมีสารประกอบของ calcium titanium oxide (CaTiO3) ถูกค้นพบเมื่อปี 1893 บนยอดเขา Ural ประเทศรัสเซีย

โดยที่เป็นสารประกอบระหว่างตะกั่วที่เป็นสารอินทรีย์และอนินทรีย์ จัดเรียงโครงสร้างทางเคมีในรูปผลึกแบบ Perovskite ในปี ค.ศ. 2018 บริษัท Oxford PV ได้วิจัยและพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์โครงสร้างแบบ Perovskite ซึ่งให้ประสิทธิภาพถึง 27.3% สูงกว่าสถิติโลกที่ 26.7 % ในเซลล์ประเภทซิลิก้า ถือเป็นสถิติใหม่ในวงการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ประเภทผลึกเดี่ยว

หรือมีประสิทธิภาพสูงสุดเป็นประวัติการณ์สำหรับเซลล์ควบคู่ “perovskite บนซิลิคอน” เหล่านี้อยู่ที่ 29.1% (สูงกว่าสถิติที่ 27% สำหรับเซลล์ซิลิคอนแบบเดิม) และเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ด้วยประสิทธิภาพของเซลล์ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เซลล์แสงอาทิตย์แบบ perovskite และเซลล์แสงอาทิตย์แบบ perovskite tandem อาจกลายเป็นทางเลือกที่ราคาถูกและมีประสิทธิภาพสูงแทนเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอนทั่วไป

ปัจจุบัน Oxford PV ยังพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์อย่างต่อเนื่อง โดยมีเป้าหมายให้ได้ประสิทธิภาพสูงกว่า 30 % ซึ่งจะส่งผลให้ต้นทุนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ต่อหน่วยลดลง นั่นก็หมายความว่าหากการพัฒนานี้เป็นจริงการนำเอาพลังงานแสงอาทิตย์ขึ้นเป็นพลังงานหมุนเวียนหลักในอนาคต จะกลายเป็นเรื่องจริง

แล้ววันนี้ทั้งอุตสาหกรรมกำลังทำอะไรกับ Perovskite อยู่บ้าง

ในขณะที่เซลล์แสงอาทิตย์ของ perovskite รวมถึงที่นำไปใช้งานคู่กับซิลิกอน กำลังถูกขายในเชิงพาณิชย์โดยบริษัทหลายสิบแห่งทั่วโลก แต่ก็ยังมีความท้าทายทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมขั้นพื้นฐานที่ต้องแก้ไขซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงาน ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการผลิตได้

นักวิจัย perovskite บางคนยังคงผลักดันประสิทธิภาพการแปลงด้วยการระบุลักษณะข้อบกพร่องใน perovskite ในขณะที่เซมิคอนดักเตอร์ของ perovskite สามารถทนต่อข้อบกพร่องได้อย่างน่าทึ่ง แต่ข้อบกพร่องยังคงส่งผลกระทบในทางลบต่อประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกิดขึ้นที่พื้นผิวของชั้นที่ใช้งานอยู่ และนักวิจัยคนอื่นๆ กำลังสำรวจสูตรทางเคมีของ perovskite ใหม่ เพื่อปรับคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการใช้งานเฉพาะ (เช่น เซลล์แบบเรียงซ้อน) หรือปรับปรุงความเสถียรและอายุการใช้งานให้ดียิ่งขึ้นไปอีก

นอกจากนี้ นักวิจัยบางคนก็กำลังงานเกี่ยวกับการออกแบบเซลล์ใหม่ กลยุทธ์การห่อหุ้มใหม่เพื่อปกป้อง perovskites จากสิ่งแวดล้อม และเพื่อทำความเข้าใจเส้นทางการย่อยสลายขั้นพื้นฐาน เพื่อศึกษาการเร่งอายุสำหรับคาดการณ์อายุการใช้งานของเซลล์แสงอาทิตย์ของ perovskite บนหลังคา หรือการมองหารูปแบบกระบวนการการผลิตที่หลากหลายที่นำพาไปสู่รูปแบบของแผงผลิตไฟฟ้าแสงอาทิตย์ชนิดอื่นๆ อย่างเช่น “หมึก” ของ perovskite ให้เข้ากับวิธีการพิมพ์โซลูชันขนาดใหญ่ โดยปัจจุบัน perovskites ที่ทำงานได้ดีที่สุดต้องมีตะกั่วผสมอยู่เล็กน้อย

อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันนักวิจัยยังคงมองหาทางเลือกและวิธีการใหม่ๆ เพื่อลดปัญหาเรื่องภาวะความเป็นพิษที่เกิดจากตะกั่วอยู่เช่นกัน เหล่านี้ ที่กล่าวมา คือวิวัฒนาการของ perovskites ที่ยังคงเดินทางต่อไปเรื่อยๆ จนกว่าจะได้จุดลงตัวที่ให้ประสิทธิภาพการนำมาใช้งานที่ดีขึ้น และลดสารพิษได้มากขึ้น เพื่อให้ตอบโจทย์ความยั่งยืนที่โลกมองหา

perovskites จะกลายเป็นเทคโนโลยีใหม่สำหรับนำมาใช้ใน Solar Cell รุ่นใหม่เมื่อไหร่และอย่างไร คงต้องรอดูกัน แต่ดูเหมือนว่าวันนี้ใครที่มีงบประมาณมากพอก็ติดแผงผลิตไฟฟ้าจากแสงแดดกันไปก่อน เพราะดูลาดเลาแล้วนี่ การไฟฟ้าทั้งหลายเขาจะไม่ยอมลดราคาค่าไฟให้เราง่ายๆ แน่

สำหรับท่านที่สนใจเรื่องราวของ ความยั่งยืน พลังงานทดแทน พลังงานหมุนเวียน สามารถติดตามอ่านเพิ่มเติมได้ ที่นี่