การเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิด CIGS ด้วยโครงสร้างเซลล์แบบแทนเดม Perovskite-CIGS

เมื่อราวๆ ปี พ.ศ. 2382 นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Alexandre Edmond Becquerel ค้นพบปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิค ที่เกิดขึ้นในขั้วไฟฟ้าที่อยู่ในสารละลายที่นำไฟฟ้าได้เมื่อมีแสงตกกระทบ  จนกระทั่งอีกประมาณ 50 ปีต่อมา ในปี พ.ศ. 2426 นักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน Charles Fritts ได้สร้างเซลล์แสงอาทิตย์ชิ้นแรกขึ้นจากธาตุเซเลเนียม (Se) และทอง (Au) โดยมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (power conversion efficiency, PCE) เพียง 1%   เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ได้รับการพัฒนาอย่างจริงจังในช่วงที่มนุษย์มีความต้องการใช้พลังงานมากขึ้นและความตระหนักถึงการที่จะหมดไปของเชื้อเพลิงฟอสซิล จนมีความก้าวหน้าเป็นอย่างมากในราวช่วงปี พ.ศ. 2518 เป็นต้นมา ไม่ว่าจะเป็นเทคโนโลยีของ Si, CdTe และ CIGS ดังแสดงด้วยแผนภูมิในรูปที่ 1  เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากแว่นผลึกซิลิกอน (Si) จะมี PCE ที่สูงกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากสารชนิดอื่น ในปัจจุบันแว่นผลึกซิลิกอนที่ใช้ในอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์ใช้แหล่งเดียวกับที่ใช้ทำชิพคอมพิวเตอร์ มีขั้นตอนมากมายในการทำให้มีความบริสุทธิ์สูง และด้วยความที่เป็นแว่นผลึกถึงแม้จะบางถึง 0.2 มม. แต่ก็ยังเป็นการใช้สารตั้งต้นจำนวนมาก  ดั้งนั้นจึงมีการวิจัยในการใช้สารกึ่งตัวนำชนิดอื่นที่สามารถทำให้อยู่ในรูปของฟิล์มบาง (ความหนาประมาณ 0.002 – 0.005 มม.) เช่น CdTe หรือ CIGS โดยบทความนี้จะเน้นไปที่สาร CIGS หรือ CuIn_1-xGa_xSe₂ ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำที่สามารถปรับช่องว่างแถบพลังงาน (energy band gap) ได้ระหว่าง 1.0 – 1.7 eV ขึ้นกับปริมาณธาตุ Ga โดยเซลล์แสงอาทิตย์ชนิด CIGS ในปัจจุบันมีประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 23 % (lab scale หรือ เซลล์ขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการ) หากดูพัฒนาการของ PCE ของทั้ง Si และ CIGS จากแผนภูมิในรูปที่ 1 จะเห็นว่าใช้เวลามากกว่า 40 ปี กว่าที่จะได้ PCE ระดับสูงในปัจจุบัน  แต่หากสังเกตุในแผนภูมิในรูปที่ 1 จะเห็นว่ามีเซลล์แสงอาทติย์ชนิดที่เรียกกันว่าเพอรอฟสไกต์ (Perovskite หรือ PSC – เส้นสีดำ) ซึ่งมีพัฒนาการของ PCE ที่เร็วมากเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดอื่นๆ โดยใช้เวลาประมาณ 7-8 ปี ก็มี PCE ถึงประมาณ 25 % ในปี พ.ศ. 2562 ปัจจุบัน PSC ได้รับความสนใจในการพัฒนางานวิจัยเพื่อนำไปสู่การใช้งานจริงเป็นจำนวนมากทั่วโลก รวมถึงในประเทศไทยซึ่งมีมากกว่า 10 กลุ่มในหลายๆมหาวิทยาลัย ที่จำนวนหนึ่งได้รับการสนับสนุนทุนวิจัยจากศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ในการวิจัยและพัฒนาด้านต่างๆของ PSC อย่างไรก็ตามปัญหาของ PSC ยังมีอยู่ค่อนข้างมาก เช่น ใช้สารตั้งต้นทั้งสารอินทรีย์และสารอนินทรีย์ ขั้นตอนการผลิตส่วนใหญ่ต้องอยู่ใน glovebox ที่ควบคุมปริมาณความชื้นและออกซิเจน ความเสถียรของประสิทธิภาพค่อนข้างสั้นมาก เซลล์ที่ได้ไวต่ออุณหภูมิและความชื้น ช่องว่างแถบพลังงานสูง (ประมาณ 1.5 – 1.6 eV) ทำให้สูญเสียการเก็บพลังงงานช่วงความยาวคลื่นยาวจากแสงอาทิตย์ไป เป็นต้น ทั้งเซลล์แสงอาทิตย์ชนิด Si, CIGS หรือ PSC ที่กล่าวมาข้างต้นเป็นแบบรอยต่อเดี่ยว (single junction) ซึ่งมีข้อจำกัดที่ PCE สูงสุดนั้นจะไม่เกิน 30 % หรือที่รู้จักในชื่อ Shockley – Queisser limit  อีกทั้ง PCE ของทั้ง Si และ CIGS ก็อยู่ตัวมาระยะหนึ่งแล้ว การที่จะเพิ่ม PCE ขึ้นอีก 0.5 – 1.0 % เป็นเรื่องที่ค่อนข้างยากมาก ดังนั้นหากนำจุดเด่นของ Si หรือ CIGS มารวมกับ PSC ในลักษณะโครงสร้างแบบแทนเดม (tandem) หรือแบบหลายรอยต่อ ก็จะเป็นการเพิ่ม PCE ของ Si หรือ CIGS ขึ้นได้ โดยโครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดแทนเดมนั้นจะใช้เซลล์ที่มีช่องว่างแถบพลังงานกว้างกว่าเป็นเซลล์ที่อยู่ด้านบน (top cell) เช่น PSC ส่วนเซลล์ที่มีช่องว่างแถบพลังงานต่ำกว่าเป็นเซลล์ที่อยู่ด้านล่าง (bottom cell) เช่น Si หรือ CIGS  ซึ่งเป็นลักษณะที่ให้เซลล์ด้านล่างเป็นตัวแปลงพลังงานจากแสงที่มีความยาวคลื่นยาว ส่วนเซลล์ที่อยู่ด้านบนจะเป็นตัวแปลงพลังงานจากแสงที่มีความยาวคลื่นที่สั้น ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 1 แผนภาพแสดงวิวัฒนาการของประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดต่างๆ [1]

รูปที่ 2 รูปโครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบแทรเดม (a) ชนิด two junctions four terminals, (b) ชนิด two junctions two terminals [2]

สำหรับโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบาง CIGS โดยทั่วไปจะประกอบด้วยชั้นฟิล์มบางที่แตกต่างกัน 5 ชั้นบนแผ่นรองรับเป็นกระจกโซดา-ไลม์ (soda-lime glass, SLG)  SLG-substrate / Mo / CIGS / CdS / i-ZnO / ZnO(Al) / Al-grid ดังแสดงในรูปที่ 3 โดยขั้นตอนการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบาง CIGS ต้องอาศัยระบบสุญญากาศ เช่น ชั้น Mo ที่เป็นขั้วไฟฟ้าเตรียมโดยอาศัยวิธีการ DC magnetron sputtering โดยฟิล์มบาง Mo จะมีความหนาประมาณ 500 – 600 นาโนเมตร จากนั้นเคลือบฟิล์มบาง CIGS ความหนาประมาณ 2 ไมครอน ด้วยกระบวนการระเหยด้วยความร้อนภายใต้สุญญากาศระดับ 10^–10 Torr ตามด้วยการเคลือบฟิล์มบาง CdS ความหนาประมาณ 50 นาโนเมตร ด้วยวิธีการ chemical bath deposition จากนั้นนำมาเคลือบด้วยฟิล์มบาง i-ZnO ความหนา 50 นาโนเมตร และ ZnO(Al) ความหนาประมาณ 200 นาโนเมตร ด้วยกระบวนการ RF magnetron sputtering และจบด้วยการระเหย Al-grid ในสุญญากาศให้มีความหนาประมาณ 2 ไมครอนเป็นขั้วไฟฟ้าด้านบน สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดฟิล์มบาง CIGS จากห้องปฏิบัติการวิจัยฟิสิกส์สารกึ่งตัวนำ (SPRL) จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย (รูปที่ 4) มีประสิทธิภาพอยู่ในระดับ 17% ดังแสดงด้วยกราฟความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นกระแสและความต่างศักย์ดังรูปที่ 5

รูปที่ 3 รูปโครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ CIGS                               

รูปที่ 4 ภาพถ่ายเซลล์แสงอาทิตย์ CIGS ขนาด 3 ซม. x 3 ซม.

รูปที่ 5 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นกระแสและความต่างศักย์ของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิด CIGS (เส้นสีน้ำเงิน) และเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ (เส้นสีแดง) โดยเซลล์แสงอาทิตย์ทั้งสองชนิดได้ถูกสร้างขึ้นที่ห้องห้องปฏิบัติการวิจัยฟิสิกส์สารกึ่งตัวนำ (SPRL) จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

ส่วนเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์หรือ PSC [3] เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำจากวัสดุซึ่งมีโครงสร้างเป็น ABX₃ เป็นส่วนประกอบชั้นดูดกลืนแสงหลักของเซลล์แสงอาทิตย์ โดยโครงสร้างเพอรอฟสไกต์ประกอบด้วย A คือสารประเภท methylammonium (MA), B เป็นสารจำพวกตะกั่ว (Pb) และ X เป็นไอออนของสารหนึ่งในสามชนิดซึ่งได้แก่คลอไลด์, โบรไมด์ และไอโอไดด์ (Cl, Br และ I) โดยทั่วไปโครงสร้างของเพอรอฟสไกต์ที่นิยมใช้เป็นแบบ MAPbI₃ สำหรับหลักการพื้นฐานของเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกต์คือ ภายในเซลล์แสงอาทิตย์ประกอบด้วยชั้นของเพอรอฟสไกต์ซึ่งถูกประกบแต่ละด้านด้วยสารตัวนำประจุต่างชนิดต่างกัน คือชั้นตัวนำประจุอิเล็กตรอน (n-type contact, ETM) ชั้นตัวนำประจุโฮล (p-type contact, HTM) และประกบด้วยขั้วอิเล็กโทรดอีกหนึ่งชั้น

รูปที่ 6 ภาพตัดขวางจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด แสดงโครงสร้างฟิล์มชั้นต่างๆของเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกต์ (ชนิด n-i-p)

รูปที่ 7 ภาพถ่ายเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกต์บนแผ่นรองรับขนาด 3 ซม. x 3 ซม.

โครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกต์สามารถจำแนกตามรูปแบบของการวางชั้นตัวนำทั้งสองชนิดได้คือ ถ้าวางชั้น HTL ไว้ด้านบนเพอรอฟสไกต์และ ETL ไว้ด้านล่างเพอรอฟสไกต์เรียกว่า การทำเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกต์แบบตรง (direct structure หรือ n-i-p structure) แต่ถ้าโครงสร้างของทั้งสองชั้นอยู่สลับที่กัน  เซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกต์ที่ได้จะเป็นแบบย้อนกลับ (invert structure หรือ p-i-n structure)   สำหรับสาร MAPbI₃ จะมีช่องว่างแถบพลังงานประมาณ 1.5 – 1.6 eV โดยเมื่อเซลล์แสงอาทิตย์ได้รับแสงในย่าน 400-700 นาโนเมตร จะเกิดการแยกประจุเป็นอิเล็กตรอนกับประจุโฮล โดยที่ประจุอิเล็กตรอนและโฮลที่เกิดขึ้นภายในชั้นของเพอรอฟสไกต์จะถูกเหนี่ยวนำโดยระดับพลังงานของชั้นตัวนำของประจุแต่ละชนิดทั้งอิเล็กตรอนและโฮลเพื่อดึงประจุทั้งสองชนิดให้แยกออกจากกัน อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังบริเวณที่มีแถบพลังงานที่ต่ำกว่าที่อยู่ในชั้นตัวนำอิเล็กตรอน  แต่ในทางตรงข้ามประจุโฮลจะเคลื่อนที่ไปยังบริเวณที่มีพลังงานสูงกว่าซึ่งอยู่ในชั้นของตัวนำประจุโฮล  โดยทั่วไปการเคลือบสารชั้นต่างๆที่เป็นองค์ประกอบของเซลล์แสงอาทิตย์ PSC นิยมใช้วิธี spin coating [3] เนื่องจากสารตั้งต้นส่วนใหญ่อยู่ในรูปของสารละลาย ซึ่งวิธีนี้มักจะใช้ได้กับแผ่นรองรับที่มีขนาดไม่ใหญ่มาก (ไม่เกิน 2 – 3 ซม) เนื่องจากจะเกิดความไม่สม่ำเสมอของสารที่เคลือบลงบนแผ่นรองรับ ซึ่งจะทำให้เกิดความแปรปรวนของประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ โดยทั่วไปขนาด active area ของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ชนิดเซลล์เดี่ยวที่สร้างในระดับห้องปฏิบัติการมักมีขนาดไม่เกิน 1 ซม² เมื่อมีการเพิ่มขนาดพื้นที่ของเซลล์ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานจะมีค่าลดลงและความแปรปรวนจะมีค่าเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นกระบวนการประดิษฐ์เซลล์ขนาดเล็กจึงมีความสำคัญที่จะทำให้ได้ประสิทธิภาพที่สูงที่สุดที่จะเป็นไปได้ก่อนที่จะพัฒนาไปสู่พื้นที่ขนาดใหญ่กว่า ลักษณะภายในของเซลล์แสงอาทิตย์ PSC เมื่อดูด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแสดงดังรูปที่ 6 สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิด PSC จากห้องปฏิบัติการวิจัยฟิสิกส์สารกึ่งตัวนำ (SPRL) จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย (รูปที่ 7) มีประสิทธิภาพอยู่ในระดับ 18 – 19 % ดังแสดงด้วยกราฟความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นกระแสและความต่างศักย์ดังรูปที่ 5

รูปที่ 8 โครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดม CIGS – PSC [4]

สำหรับการออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์แบบแทนเดม CIGS – PSC นั้นจะให้ PSC เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่รับแสงอยู่ทางด้านบน ส่วน CIS หรือ CIGS นั้นจะเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่อยู่ทางด้านล่าง ดังรูปที่ 8 ซึ่งเป็นซลล์แสงอาทิตย์แบบเทนเดมชนิดสองรอยต่อสองขั้ว (two junctions two terminals) โดยขั้นตอนการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ CIGS ก็จะเหมือนกับที่กล่าวไว้ข้างต้นโดยไม่มีการทำ Al-grid แต่จะนำมาทำเซลล์แสงอาทิตย์ PSC แบบ p-i-n ต่อเป็นเซลล์ด้านบน โดยในที่นี้จะใช้ชั้น HTM ทำจากสาร PEDOT:PSS และชั้น ETM ทำจากสาร PCBM จากนั้นจะเคลือบด้วยชั้น ZnO nanoparticle ซึ่งขั้นตอนการทำ PSC นี้สามารถใช้กระบวนการ spin coating ได้ เนื่องจาก CIGS ที่อยู่ด้านล่างสามารถทนทานต่อกระบวน spin coating ซึ่งอุณหภูมิไม่สูงมาก จากนั้นจึงเคลือบด้วยชั้น ZnO(Al) หรือ AZO ด้วยวิธีการ RF magnetron sputtering ก่อนที่จะจบด้วยการระเหยด้วยความร้อนในการทำขั้วไฟฟ้าด้านบนที่อาจทำจากโลหะ Al หรือ Ag ก็ได้  ในการออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์แบบเทนเดมมีความซับซ้อนในแง่ที่ว่าเซลล์แสงอาทิตย์ข้างบนและข้างล่างอาจมีค่าพารามิเตอร์เช่น open-circuit voltage (V_oc), short-circuit current density (J_sc), fill factor (FF) ที่ต่างกันมาก ดังนั้นค่าพารามิเตอร์โดยรวมอาจจะไม่ได้เพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดด เช่น หากพิจารณาค่า V_oc จากกราฟในรูปที่ 5 เมื่อนำ CIGS มาทำเป็นแทนเดมเซลล์กับ PSC เราอาจจะคาดได้ว่าจะได้ค่า V_oc อยู่ในระดับ 1.6 – 1.7 V แต่ J_sc จะถูกจำกัดอยู่ที่ค่าที่ต่ำกว่า เป็นต้น

โดยสรุปการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบเทนเดม ไม่ว่าจะเป็น CIGS – PSC หรือ Si – PSC เป็นการช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ CIGS หรือ Si ที่มีอยู่เดิม โดยอาศัยเทคโนโลยีของเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอรอฟสไกต์ที่มีประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นในอัตราที่รวดเร็วเมื่อเทียบกับสารกึ่งตัวนำชนิดอื่นๆที่นำมาทำเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ อีกทั้งขั้นตอนกระบวนการเตรียมก็สามารถทำงานวิจัยโดยใช้เครื่องมือที่ไม่สลับซับซ้อนมากนัก ทำให้กลุ่มวิจัยหลายๆกลุ่มสามารถเข้าถึงและร่วมงานกันได้ในวงกว้าง อย่างไรก็ตามปัญหาของเซลล์แสงอาทิตย์ก็ยังมีอยู่ ที่สำคัญๆเป็นอันดับต้นๆ คือ ความเสถียรของเซลล์ภายใต้สภาวะแวดล้อมในการใช้งานจริง ความไวต่อความชื้นและอุณภูมิ อีกทั้งยังมีโลหะตะกั่วเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ด้วย ประเด็นปัญหาดังกล่าวเป็นโจทย์หลักที่ทำให้การพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์เพอรอฟสไกต์ยังต้องมีการวิจัยอย่างกว้างและลึกอีกต่อไป

เอกสารอ้างอิง

[1] https://www.ossila.com/pages/perovskites-and-perovskite-solar-cells-an-introduction

[2] Robert F. Service, Science 347, 225 (2015).

[3] Kim, H., Lee, C., Im, J. et al., “Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%”, Sci Rep 2, 591 (2012) doi:10.1038/srep00591.

[4] Yoon Hee Jang, Jang Mi Lee, Jung Woo Seo, Inho Kim and Doh-Kwon Lee, “Monolithic tandem solar cells comprising electrodeposited CuInSe₂ and perovskite solar cells with a nanoparticulate ZnO buffer layer”, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 19439.

รายงานโดย

ผศ. ดร. โศจิพงศ์ ฉัตราภรณ์

ห้องปฏิบัติการวิจัยฟิสิกส์สารกึ่งตัวนำ

ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย กรุงเทพมหานคร 10330

โทรศัพท์ 02-218-7550  โทรสาร 02-253-1150

Email: Sojiphong.C@chula.ac.th