เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์และการเพิ่มความเสถียรของ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์

ปัจจุบันประเทศไทยได้ก้าวเข้าสู่ยุคอุตสาหกรรมอย่างเต็มตัวจึงมีความต้องการในการใช้พลังงานไฟฟ้าที่สูงขึ้นมากเป็นเท่าตัวจากทศวรรษที่ผ่านมา  ดังนั้นประเทศไทยจึงควรมีการพัฒนาแหล่งพลังงานสำรองใหม่ๆ เพื่อรองรับความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้าในอนาคต  แหล่งพลังงานสำรองเหล่านี้ควรผ่านเงื่อนไขสำคัญดังนี้ 1) เป็นแหล่งพลังงานที่สามารถหาได้ภายในประเทศ 2) มีปริมาณมากและต้นทุนการผลิตต่ำ 3) เป็นแหล่งพลังงานที่สะอาดและยั่งยืน 4) มีศักยภาพในการผลิตกระแสไฟฟ้าได้เพียงพอตลอดทั้งปี และ 5) อาศัยเทคโนโลยีภายในประเทศในการดำเนินการ หากสามารถสร้างแหล่งกำเนิดไฟฟ้าตามเงื่อนไขข้างต้นได้ทั้งหมดจะช่วยให้ประเทศไทยสามารถลดค่าใช้จ่ายจากการนำเข้าพลังงานและเทคโนโลยีการผลิตกระแสไฟฟ้าจากต่างประเทศคิดเป็นมูลค่านับพันล้านบาทต่อปี  เมื่อพิจารณาเงื่อนไขทั้งหมดข้างต้นจะพบว่าหนึ่งในคำตอบเรื่องปัญหาพลังงาน คือ แหล่งพลังงานจากดวงอาทิตย์และเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ (solar cell)  เซลล์แสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์สำหรับแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงและไม่เกิดมลภาวะในกระบวนการเปลี่ยนพลังงาน  เซลล์แสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์ที่สามารถแปลงพลังงานให้อยู่ในรูปพลังงานไฟฟ้าที่สะดวกต่อการใช้งานในกิจกรรมต่างๆ ทั้งภาคอุตสาหกรรมและภาคครัวเรือน  อย่างไรก็ตามการประยุกต์ใช้งานเซลล์แสงอาทิตย์ในประเทศไทยยังอยู่ในวงจำกัด  เนื่องจากปัญหาด้านการตลาดและราคาของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ค่อนข้างสูง ทำให้เกิดการวิจัยและพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อให้มีราคาถูกและมีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานไฟฟ้าที่สูง

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์ (perovskite solar cell) จัดเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่กำลังได้รับความสนใจเป็นอย่างมากในขณะนี้ เนื่องจากมีกระบวนการผลิตที่ง่าย ไม่จำเป็นต้องอาศัยเทคโนโลยีขั้นสูงในการผลิต และมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานไฟฟ้าที่สูงเทียบเท่าเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิคอน  ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วจากเริ่มต้นที่ประมาณ 3.81% ในปี พ.ศ. 2552 [1] ไปเป็นประมาณ 23.7% ในปี พ.ศ. 2562 [2] ก็เนื่องด้วยสมบัติที่พิเศษหลายๆ ประการของสาร CH₃NH₃PbI₃ เช่น มีค่าการดูดกลืนแสงที่สูง มีค่าสัมประสิทธิการเคลื่อนที่ที่สูง และมีค่าระยะการแพร่ที่ยาว [3-8]  สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์มีส่วนประกอบที่สำคัญ 3 ส่วน ได้แก่ 1) ขั้วไฟฟ้าแอโนดทำหน้าที่ดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ประกอบด้วยฟิล์มบางสารประกอบเพอร์รอฟสไกต์เคลือบบนฟิล์มบางโลหะออกไซด์บนกระจกนำไฟฟ้าโปร่งแสง 2) วัสดุนำส่งโฮลทำหน้าที่รับส่งโฮลจากสารประกอบเพอร์รอฟสไกต์สู่ขั้วไฟฟ้าแคโทด และ 3) ขั้วไฟฟ้าแคโทดทำหน้าที่สะสมโฮลหรือประจุไฟฟ้าบวก ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์

ส่วนสำคัญของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์ คือ ฟิล์มเพอร์รอฟสไกต์ (CH₃NH₃PbI₃) และวัสดุนำส่งโฮล (spiro-OMeTAD)  สำหรับฟิล์มเพอร์รอฟสไกต์จะเป็นสารประกอบกลุ่มเมธิลแอมโมเนียมเฮไลด์ CH₃NH₃PbI₃ ที่มีโครงสร้างผลึกแบบเพอร์รอฟสไกต์ในรูปของ ABX₃ ดังแสดงในรูปที่ 2 เมื่อ A คือ CH₃NH₃⁺  B คือ Pb⁺ และ X คือ I^– ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยาระหว่างสารตั้งต้น CH₃NH₃I + PbI₂ ® CH₃NH₃PbI₃ จากการคำนวณแถบพลังงานของ CH₃NH₃PbI₃ โดยอาศัยทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT) พบว่า CH₃NH₃PbI₃ จัดเป็นสารกึ่งตัวนำที่มีพลังงานช่องว่าง (energy bandgap) ระหว่าง 1.5-1.8 eV [9] ซึ่งเป็นค่าช่องว่างพลังงานที่เหมาะสมในการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่ให้ค่าประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ที่สูง สำหรับวัสดุนำส่งโฮล(HTM) spiro-OMeTAD หรือ 2,2′,7,7′-tetrakis(N,N-di-p-methoxyphenylamino)-9,9′-spirobifluorene เป็นสารประกอบอินทรีย์ที่ทำหน้าที่นำส่งโฮลในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์ สาร spiro-OMeTAD มีค่าช่องว่างแถบพลังงานประมาณ 3 eV

รูปที่ 2 โครงสร้างของ  CH₃NH₃PbI₃

(ที่มา: https://en.wikipedia.org/wiki/Methylammonium_lead_halide#/media/File:CH3NH3PbI3_structure.png)

การทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์คือเมื่อแสงตกกระทบเซลล์แสงอาทิตย์สารประกอบ CH₃NH₃PbI₃ จะทำหน้าที่ดูดกลืนพลังงานแสงอาทิตย์เกิดคู่ประจุอิเล็กตรอน-โฮล โดยที่อิเล็กตรอนจะถูกฉีดไปยังสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ TiO₂ และรวมตัวสะสมอยู่บนกระจกนำไฟฟ้า ขณะที่โฮลจะถูกส่งผ่านไปยังวัสดุนำส่งโฮล spiro-OMeTAD และสะสมที่ขั้วไฟฟ้า Au การสะสมของพาหะที่มีประจุไฟฟ้าต่างชนิดกันที่แต่ละขั้วไฟฟ้าจะทำให้เกิดความต่างศักย์ เรียกว่า ความต่างศักย์วงจรเปิด (open circuit voltage; V_OC) เมื่อนำหลอดไฟมาต่อจะเกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านหลอดไฟ ในกรณีที่ทำการลัดวงจรเซลล์แสงอาทิตย์จะเรียกว่า กระแสไฟฟ้าวงจรปิด (short circuit current; J_SC) แสดงดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดงการเคลื่อนที่ของคู่อิเล็กตรอน-โฮล

แต่อย่างไรก็ตามสารเพอร์รอฟสไกต์ CH₃NH₃PbI₃ เกิดการเปลี่ยนเฟสและเสื่อมสภาพเป็นสารอื่นได้ภายใต้สภาวะหรือปัจจัยภายนอก เช่น สภาวะที่มีออกซิเจนและความชื้นผ่านกลไกแบบไฮโดรไลซิส (hydrolysis) เพื่อเพิ่มความเสถียรของฟิล์มเพอร์รอฟสไกต์ นักวิจัยหลายกลุ่มได้ทำการเจือสารต่างๆ เช่น Cs⁺, SCN^–, NH₂CH=NH₂⁺ (FA⁺) และ C(NH₂)₃⁺ (GA⁺) ลงในฟิล์ม CH₃NH₃PbI₃ พวกเขาพบว่าการเจือสารเหล่านี้เข้าไปในโครงสร้างของ CH₃NH₃PbI₃ สามารถช่วยเพิ่มความเสถียรของฟิล์มเพอร์รอฟสไกต์ได้ นอกจากนั้นนักวิทยาศาสตร์หลายๆกลุ่มได้พยายามลดต้นทุนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์โดยการไม่ใช้ชั้นนำส่งโฮล (spiro-OMeTAD) และไม่ใช้ฟิล์มทอง (Au) แต่ใช้ฟิล์มคาร์บอนแทน ซึ่งลักษณะของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ไม่มีชั้นนำส่งโฮลและใช้คาร์บอนเป็นขั้วนำไฟฟ้าด้านหลังดังแสดงในรูปที่ 4(ก)

รูปที่ 4 (ก) แสดงโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์แบบไม่มีชั้นนำส่งโฮลและและใช้ฟิล์มคาร์บอนเป็นขั้วนำไฟฟ้า และ (ข) สัดส่วนราคาของแต่ละชั้นของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์ [10]

กลุ่มนักวิจัย Y. Zhang และคณะ [10]  ได้ประมาณการค่าต้นทุนของชั้นนำส่งโฮลและฟิล์มทองว่ามีค่าประมาณ 50% ของต้นทุนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์แบบเพอร์รอฟสไกต์ดังรูปที่ 4(ข) ดังนั้นการไม่ใช้ 2 ชั้นนี้จะสามารถลดต้นทุนการผลิตของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์ได้เป็นอย่างมาก มีกลุ่มนักวิจัยหลายกลุ่มประสบความสำเร็จในการประดิษฐ์เซลล์แสงอาทิตย์เพอร์รอฟสไกต์แบบไม่มีชั้นนำส่งโฮลและใช้ฟิล์มคาร์บอนเป็นขั้วนำไฟฟ้า (carbon-based hole-transporting-layer-free perovskite solar cell) ซึ่งค่าประสิทธิภาพสูงสุดที่ได้มีการรายงานประมาณ 12.3% [11]

ในโครงการวิจัยนี้ ซึ่งนำทีมโดยรองศาสตราจารย์ ดร. วิทยา อมรกิจบำรุง มีความมุ่งเน้นที่จะศึกษาสมบัติของฟิล์ม CH₃NH₃PbI₃ และ CH₃NH₃PbI_3-x(SCN)_x ทั้งทางด้านการทดลองและการคำนวณ เพื่อนำไปสู่การสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์แบบไม่มีชั้นนำส่งโฮลและใช้ฟิล์มคาร์บอนเป็นขั้วนำไฟฟ้าที่มีความเสถียร ผลการศึกษาพบว่าฟิล์ม CH₃NH₃PbI_3-x(SCN)_x (x=0, 0.25, 0.5, 1, 1.5 และ 2) จะเปลี่ยนจากสีดำเป็นสีเหลืองดังรูปที่ 5 ผลการทดสอบด้วยเครื่อง UV-vis และผลการคำนวณชี้ให้เห็นว่าการเพิ่มสัดส่วน SCN^– จะมีผลทำให้ค่าแถบพลังงานมีค่ามากขึ้น

รูปที่ 5 ภาพถ่ายด้วยกล้องดิจิตอลของกระจกนำไฟฟ้าและฟิล์ม CH₃NH₃PbI_3-x(SCN)_x ที่เคลือบบนกระจกนำไฟฟ้า [12]

เมื่อนำฟิล์มเพอร์รอฟสไกต์ CH₃NH₃PbI_3-x(SCN)_x มาใช้เป็นตัวดูดดกลืนแสงในระบบเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์แบบไม่มีชั้นนำส่งโฮลและใช้ฟิล์มคาร์บอนเป็นขั้วนำไฟฟ้า ผลประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ที่ได้จะมีค่าลดลงกับสัดส่วนการเพิ่มขึ้นของ SCN^– อย่างชัดเจนดังรูปที่ 6(ก) แต่ว่าการเพิ่มสัดส่วนของ SCN^– พบว่าจะช่วยให้เซลล์แสงอาทิตย์มีความเสถียรมากขึ้นเป็นอย่างมาก น่าจะเนื่องจาก SCN^– สามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับ MA^– ดังแสดงในรูปที่ 6(ข) (งานวิจัยนี้ได้ส่งไปที่ Materials Chemistry and Physics กำลังอยู่ในขั้นตอนการพิจารณา [12]) ซึ่งผลประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ของกลุ่มเราอาจจะยังน้อยเมื่อเทียบกับกลุ่มวิจัยในต่างประเทศ ทีมวิจัยเราจะทำการศึกษาและพัฒนาให้มีประสิทธิภาพและความสเถียรที่มากขึ้น

รูปที่ 6 (ก) กราฟประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์ของฟิล์ม CH₃NH₃PbI_3-x(SCN)_x (x=0, 0.25, 0.5, 1 และ 2) กับระยะเวลา และ (ข) แสดงพันธะไฮโดรเจนในโครงสร้าง CH₃NH₃Pb(SCN)_0.25I_2.75 [12]

เอกสารอ้างอิง

[1] A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai and T. Miyasaka, “Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells”, J. Am. Chem. Soc. 131 (2009) 6050.

[2] “National Renewable Energy Laboratory. Best research-cell efficiencies”, www.nrel.gov/pv/assets/pdfs/pv-efciency-chart.20190103.pdf (2019).

[3] M. A. Green, A. Ho-Baillie, H. J. Snaith, “The emergence of perovskite solar cells”, Nat.
Photonics 8 (2014) 506–514.

[4] C. Wehrenfennig, G. E. Eperon, M. B. Johnston, H. J. Snaith, and L. M. Herz, “High charge carrier mobilities and lifetimes in organolead trihalide perovskites”, Adv. Mater. 26 (2014) 1584–1589.

[5] N.G. Park, “Perovskite solar cells: an emerging photovoltaic technology”, Materials Today 18 (2015) 65-72.

[6] J. Fan, B. Jia, M. Gu, “Perovskite-based low-cost and high-efficiency hybrid halide solar cells”, Photonics Research 2 (2014) 111-120.

[7] D. Shi, V. Adinolfi, R. Comin, M.J. Yuan, E. Alarousu, A. Buin, Y. Chen, S. Hoogland,
A. Rothenberger, K. Katsiev, Y. Losovyj, X. Zhang, P. A. Dowben, O. F. Mohammed,
E. H. Sargent, O. M. Bakr, “Low trap-state density and Long carrier diffusion in organolead trihalide perovskite single crystals”, Science 347 (2015) 519–522.

[8] S. D. Stranks, G. E. Eperon, G. Grancini, C. Menelaou, M. J. P. Alcocer, T. Leijtens,
L. M. Herz, A. Petrozza, H. J. Snaith, “Electron-hole diffusion lengths exceeding 1
micrometer in an organometal trihalide perovskite absorber”, Science 342 (2013)
341–344.

[9] P. Umari, E. Mosconi and F. de Angelis, “Relativistic GW calculations on CH₃NH₃PbI₃ and CH₃NH₃SnI₃ perovskites for solar cell applications”, Scientific Reports, 4 (2014) 4467.

[10] Y. Zhang, H. Zhang, X. Zhang, L. Wei, B. Zhang, Y. Sun, G. Hai, Y. Li, “Major Impediment to Highly Efficient, Stable and Low-Cost Perovskite Solar Cells”, Metals, 8 (2018) 964.

[11] L. Fagiolari, F. Bella, “Carbon-based materials for stable, cheaper and large-scale processable perovskite solar cells”, Energy & Environmental Science, 12 (2019) 3437-3472.

[12] P. Kumlangwan, P. Suksangrat, M. Towannang, N. Faibut, V. Harnchana, P. Srepusharawoot, A. Chompusor, P. Kumnorkaew, W. Jarernboon, S. Pimanpang and V. Amornkitbamrung, Submitted to Materials Chemistry and Physics, MATCHEMPHYS-D-19-04286.

รายงานโดย

ผศ. ดร. สมัคร์ พิมานแพง ¹⁾, รศ. ดร. พรจักร ศรีพัชราวุธ ²⁾ และ รศ. ดร. วิทยา อมรกิจบำรุง ²⁾

1)ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ กรุงเทพมหานคร 10110

2)สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ขอนแก่น 40002

E-mail: spornj@kku.ac.th