นาโนเทค สวทช. พัฒนาเทคนิคเคลือบฟิล์มบาง เพิ่มประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์

นักวิจัยนาโนเทค สวทช. กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (อว.) พัฒนาเทคนิคการเคลือบแบบสารละลายรูปวงเดือนสำหรับการเคลือบฟิล์มบางสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าแบบสารละลาย ช่วยจัดเรียงอนุภาคระดับไมโครเมตรถึงนาโนเมตรของพอลิเมอร์และควอนตัมดอต ให้เก็บพลังงานจากแสงได้ที่ความยาวคลื่นกว้างขึ้น ปูทางพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ที่ประสิทธิภาพและเสถียรภาพสูงขึ้น เทียบเคียงชนิดซิลิคอน แต่ต้นทุนถูกกว่า หวังสร้างนวัตกรรมไทยใช้เอง ไม่ง้อของนอก

ดร.อนุศิษย์ แก้วประจักร์ ทีมวิจัยนวัตกรรมเคลือบนาโน กลุ่มวิจัยวัสดุผสมและการเคลือบนาโน ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) กล่าวว่า เซลล์แสงอาทิตย์มีอยู่ 3 รุ่น รุ่นแรก เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากผลึกซิลิคอน ที่เดิมมีต้นทุนสูงมาก ด้วยต้องใช้ซิลิคอนความบริสุทธิ์สูง อุณหภูมิในการหลอมเหลวสูง และกระบวนการที่ซับซ้อน ทำให้ราคาสูงในช่วงแรก แต่ปัจจุบันเริ่มจับต้องได้ รุ่นที่ 2 เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ฟิล์มบาง ที่ใช้กระบวนการเตรียมฟิล์มบางในสุญญากาศสูง ใช้สารที่มีราคาแพงและสารบางตัวมีความเป็นพิษสูง และสุดท้ายคือ เซลล์แสงอาทิตย์อุบัติใหม่ ซึ่ง เซลล์แสงอาทิตย์อุบัติใหม่ ได้แก่ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง เซลล์แสงอาทิตย์แบบควอนตัมดอท เซลล์แสงอาทิตย์แบบสารอินทรีย์ และเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ ซึ่งเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ต้นทุนถูก มีหลายสีสัน และมีความยืดหยุ่นสูง สามารถทำการเตรียมได้ด้วยวิธีการเคลือบฟิล์มบางแบบสารละลาย ในปัจจุบันเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ในระดับห้องปฏิบัติการก็มีประสิทธิภาพที่ใกล้เคียงกับเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอนแล้ว จึงคาดว่าจะสามารถแทนที่เซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอนได้ในอนาคต

ดร.อนุศิษย์ กล่าวต่อว่า งานวิจัยเรื่อง การปรับปรุงคุณสมบัติของโฟโตวอลเทอิกของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ประกอบด้วยฟิล์มบางสารอินทรีย์และอนินทรีย์ที่ทำการเตรียมโดยเทคนิคการเคลือบแบบสารละลายรูปวงเดือน โดย ดร.อนุศิษย์ แก้วประจักร์ ดร.พิศิษฐ์ คำหน่อแก้ว และ ศ.ทากาชิ ซากาว่า จึงเกิดขึ้น พร้อมชี้ว่าเป็นโจทย์วิจัยที่น่าสนใจสำหรับนวัตกรรมพลังงานทางเลือก โดยเป็นการพัฒนาเทคนิคการเคลือบฟิล์มบางสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าแบบสารละลายที่จะนำไปต่อยอดใช้สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น โดยปัจจุบันเทคนิคการเคลือบสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์มีอยู่มากมาย หนึ่งในนั้นที่น่าสนใจคือ การเคลือบแบบสารละลายรูปวงเดือนสำหรับการเคลือบฟิล์มบางสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าแบบสารละลาย ที่มีข้อดีในการเคลือบพื้นผิวขนาดใหญ่ได้ ทำให้นักวิจัยหลายรายนำมาประยุกต์ใช้ แต่ยังมีข้อจำกัดบางประการ เช่น ใช้สารละลายจำนวนมากในการเคลือบ มีสารละลายที่สูญเสียไปมากระหว่างทำการเคลือบ บางเทคนิคการเคลือบมีการติดตั้งที่ซับซ้อนและต้นทุนติดตั้งสูง ทำให้ทีมวิจัยมองอีกเทคนิคหนึ่งคือ เทคนิคนำพาการระเหย (convective deposition) ซึ่งเป็นเทคนิคการเคลือบเพื่อจัดเรียงอนุภาคที่น่าสนใจ มีข้อดีหลายอย่าง เช่น สามารถจัดเรียงอนุภาคระดับไมโครเมตรถึงนาโนเมตรได้อย่างเป็นระเบียบ ทำการเคลือบได้อย่างรวดเร็ว ใช้สารละลายในการเคลือบน้อย ติดตั้งง่าย และสามารถเคลือบฟิล์มบางบนพื้นที่ขนาดใหญ่ได้ โดยงานวิจัยนี้จะใช้เทคนิคนำพาการระเหยในการปรับปรุงสภาพพื้นผิว คุณสมบัติทางไฟฟ้า และทางแสงของฟิล์มบางสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าในระหว่างการเคลือบ ซึ่งสามารถจะมาผสมผสานกับเทคนิคการเคลือบแบบสารละลายรูปวงเดือนสำหรับการเคลือบฟิล์มบางสารกึ่งตัวนำไฟฟ้าแบบสารละลาย เพื่อปิดช่องว่างหรือข้อจำกัดที่มีและเพิ่มประสิทธิภาพของฟิล์มบางที่ได้

ทีมนักวิจัยนาโนเทค สวทช. ประยุกต์ข้อได้เปรียบของสองเทคนิค โดยเริ่มจากเทคนิคการเตรียมฟิล์มแบบ กระบวนการแข็งตัวแบบมีทิศทาง โดยใช้สารละลายที่มีความเป็นผลึก 1,3,5-trichlorobenzene (135-TCB) และเทคนิคนำพาการระเหย โดยการรวมตัวกันของสองเทคนิคนี้ก่อให้เกิดกระบวนการเตรียมฟิล์มแบบใหม่ที่สามารถควบคุมคุณสมบัติของฟิล์มบางสารกึ่งตัวนำพอลิเมอร์ได้ ส่งผลให้เซลล์แสงอาทิตย์แบบพอลิเมอร์มีประสิทธิภาพสูงขึ้นเมื่อเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไม่มีสารละลายที่มีความเป็นผลึก 135-TCB นอกจากนี้ ยังได้ประยุกต์ใช้เทคนิคนำพาการระเหยในการปรับปรุงชั้นขนส่งอิเล็กตรอนไทเทเนียมไดออกไซด์ โดยการผสมกับควอนตัมดอตซัลไฟด์อินเดียมเงิน ทำให้เกิดการปรับปรุงสภาพพื้นผิวของฟิล์มไทเทเนียมไดออกไซด์ ที่มักจะเกิดปัญหาการแตกร้าวของฟิล์มฯ ส่งผลให้เกิดปัญหาการรั่วไหลของกระแสจากชั้นเพอรอฟสไกต์ไปยังขั้วไฟฟ้า FTO ซึ่งเทคนิคดังกล่าว นักวิจัยชี้ว่า หลังการทดสอบ ผลคือ ช่วยเพิ่มสภาพคล่องของอิเล็กตรอนของชั้นขนส่งอิเล็กตรอน การนำส่งอิเล็กตรอนจากชั้นเพอรอฟสไกต์ผ่านชั้น ไทเทเนียมไดออกไซด์:ซัลไฟด์อินเดียมเงิน และเพิ่มย่านความยาวคลื่นในการเก็บเกี่ยวแสงของเซลล์แสงอาทิตย์ ทำให้ดูดกลืนแสง เก็บเกี่ยวพลังงานได้มากขึ้น นอกจากนั้นแล้วควอนตัมดอตซัลไฟด์อินเดียมเงิน ยังมีการดูดกลืนแสงสูงในย่านอัลตราไวโอเลต จึงสามารถชะลอการเสื่อมสภาพของชั้นเพอรอฟสไกต์จากแสงอัลตราไวโอเลตได้ ส่งผลให้เซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกต์มีประสิทธิภาพและเสถียรภาพสูงขึ้นเมื่อเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไม่มีชั้นควอนตัมดอตซัลไฟด์อินเดียมเงิน

   
ด้าน ดร.พิศิษฐ์ คำหน่อแก้ว หัวหน้าทีมวิจัยนวัตกรรมเคลือบนาโน กลุ่มวิจัยวัสดุผสมและการเคลือบนาโน นาโนเทค สวทช. กล่าวว่า เทคนิคต่าง ๆ ที่พัฒนาขึ้นนี้ ช่วยให้ฟิล์มบางที่จะเป็นเทคโนโลยีอนาคตสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์มีประสิทธิภาพมากขึ้น ด้วยต้นทุนที่ถูกลง ใช้สารน้อยลง สามารถปรับปรุงคุณสมบัติของสารได้ในระหว่างกระบวนการเคลือบ แม้ปัจจุบันเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์จะยังไม่ออกสู่เชิงพาณิชย์ แต่คาดว่าอีกไม่นานจะเห็นสินค้าจากจีนออกสู่ตลาด และหากมองในเชิงพาณิชย์ ไทยยังตามจีนที่มีความพร้อมเรื่องของกำลังคน วัตถุดิบ และเทคโนโลยีต่าง ๆ หากแต่เรายังต้องเดินหน้าศึกษาพัฒนา เพื่อสร้างองค์ความรู้ของเราเอง ที่จะนำไปสู่การพัฒนาต่อยอดใช้งานในประเทศ โดยลดการนำเข้าจากต่างประเทศได้ในที่สุด

ทั้งนี้ งานวิจัยเรื่อง การปรับปรุงคุณสมบัติของโฟโตวอลเทอิกของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ประกอบด้วยฟิล์มบางสารอินทรีย์และอนินทรีย์ที่ทำการเตรียมโดยเทคนิคการเคลือบแบบสารละลายรูปวงเดือน ของ ดร.อนุศิษย์ แก้วประจักร์ ดร.พิศิษฐ์  คำหน่อแก้ว และ ศ.ทากาชิ ซากาว่า ได้รับรางวัลสภาวิจัยแห่งชาติ รางวัลวิทยานิพนธ์ระดับดี สาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ ประจำปี 2562 จากสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ (วช.)