โครงการวิจัย 1.4 : การเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์และเสถียรภาพเชิงโครงสร้างของสารกึ่งตัวนํา CH3 NH3 Pb1-x Snx (I1-y (Br,Cl)y )3 ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์โดยใช้ทฤษฎีเชิงฟังก์ชันของความหนาแน่นและแบบจำลองการเคลื่อนที่ของพาหะอิสระ

โครงการวิจัย 1.4 : การเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์และเสถียรภาพเชิงโครงสร้างของสารกึ่งตัวนํา CH³ NH³ Pb^1-x Sn^x (I^1-y (Br,Cl)^y )³ ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์โดยใช้ทฤษฎีเชิงฟังก์ชันของความหนาแน่นและแบบจำลองการเคลื่อนที่ของพาหะอิสระ

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอรอฟสไกต์ที่ใช้สาร CH³ NH³ PbI³ เป็นส่วนประกอบหลัก เป็นเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดที่ได้รับความสนใจในการศึกษาและพัฒนามากที่สุดชนิดหนึ่งในปัจจุบัน เนื่องจากประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและต่อเนื่อง โดยมีประเด็นศึกษาที่สําคัญ ได้แก่ (1) การเพิ่มคุณภาพของรอยต่อระหว่างสารเพอรอฟสไกต์ CH³ NH³ PbI³ กับสารนําอิเล็กตรอน (เช่น TiO² และ ZnO) และสารนําโฮล (เช่น Spiro-OMeTAD และ CuO) เพื่อให้ประจุเคลื่อนที่สะดวก (2) การลดหรือเลิกการใช้ตะกั่วซึ่งเป็นพิษ และ (3) การปรับปรุงเสถียรภาพโครงสร้างของสารเพอรอฟสไกต์เพื่อเพิ่มอายุการใช้งานเซลล์แสงอาทิตย์  (โดยเฉพาะภายใต้สภาวะที่มีความชื้น)

โดยในส่วนประเด็นของการเพิ่มคุณภาพของผิวรอยต่อนั้นพบว่าผิวรอยต่อที่ขรุขระมีโอกาสเกิดสูงกว่าแบบเรียบเนื่องจากการหลุดออกของอะตอมบริเวณผิวหน้ามีผลให้โครงสร้างเสถียรขึ้น ผิวรอยต่อที่ขรุขระมีโอกาสเกิดความบกพร่องบริเวณรอยต่อที่นํามาสู่การก่อตัวของหลุมดักจับอิเล็กตรอน-โฮลอิสระ และลดการเคลื่อนผ่านของประจุ ดังนั้นสําหรับโครงการวิจัยนี้ ในเบื้องต้นจะทําการค้นหาสารเจือบริเวณผิวหน้าที่ทําให้ผิวหน้าแบบเรียบของสารเพอรอฟสไกต์มีเสถียรภาพมากขึ้น ซึ่งสามารถพิจารณาจากการเพิ่มขึ้นของพลังงานยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมบนผิวหน้า โดยจะเจาะจงศึกษาการเพิ่มเสถียรภาพผิวหน้าด้วยการเจือสารคลอรีนและโบรมีน ลงบนผิว CH³ NH³ PbI³ อย่างไรก็ตามโดยทั่วไปแล้วการเจือสารคลอรีนและโบรมีนจะทำให้ช่องว่างพลังงาน (energy gap) ขยาย ดังนั้นจึงเจือดีบุกด้วยเพื่อลดช่องว่างพลังงานกลับสู่ค่าเหมาะสม ทำให้สามารถลดปริมาณการใช้ตะกั่วได้ด้วย

สำหรับปัญหาเสถียรภาพโครงสร้างของสารเพอรอฟสไกต์ เป็นที่น่าสนใจว่าการใช้สาร Cs(Sn,Pb)I³ เป็นส่วนประกอบหลัก แทนที่การใช้ CH³ NH³ PbI³ อาจสามารถแก้ปัญหานี้ได้ เนื่องจากสาร Cs(Sn,Pb)I³ ที่ได้รับการปรับปรุงมีรายงานว่ามีเสถียรภาพเชิงเคมีที่ดีกว่าสาร CH³ NH³ PbI³ ตัวอย่างเช่น มีรายงานว่า การใช้สาร CsSnI³⁺ 10% SnCl² เสถียรกว่าการใช้ CH³ NH³ PbI³ 10 เท่า  นอกจากนี้ สาร CsPb^1-x Bi^x I³ ที่มีความเข้มข้นของ Bi³⁺ ประมาณ 4% โดยโมล ให้ประสิทธิภาพ 13.21% และรักษา 68% ของค่าประสิทธิภาพไว้ได้นาน 168 ชั่วโมงภายใต้บรรยากาศปกติ ดังนั้น จึงเป็นประเด็นสำคัญที่จะศึกษาสารเพอรอฟสไกต์ทั้ง Cs(Sn,Pb)I³ และ CH³ NH³ PbI³ ซึ่งคาดว่าจะเป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ในลำดับต่อไป โดยการศึกษาในโครงการวิจัยนี้จะดําเนินการโดยใช้ทฤษฎีฟังก์ชันนัลความหนาแน่นซึ่งเป็นทฤษฎีทางควอนตัมที่ใช้ในศึกษาสมบัติสารอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน

หัวหน้าโครงการ: ดร. อัจฉรา ปัญญา เจริญจิตติชัย

นักวิจัยสมทบ: รศ. ดร. ยงยุทธ เหล่าศิริถาวร

หน่วยงานต้นสังกัด: ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่