นาโนเทคโนโลยี กับเซลล์แสงอาทิตย์ยุคใหม่

โดย...ดร.พิศิษฐ์ คำหน่อแก้ว

เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ได้รับความสนใจในการนำมาใช้ผลิตไฟฟ้า เพื่อลดการใช้เชื้อเพลิงจากฟอสซิล เช่น น้ำมัน ถ่านหิน และก๊าซธรรมชาติ ซึ่งมีจำกัดและราคาผันผวนตามเศรษฐกิจการเมืองโลก เซลล์แสงอาทิตย์ หรือที่เรียกว่าโซลาร์เซลล์ เป็นเทคโนโลยีที่ไม่ก่อให้เกิดก๊าซเรือนกระจกเหมือนกับการผลิตไฟฟ้าจากเชื้อเพลิงฟอสซิลข้างต้น ประเทศที่มีการใช้โซลาร์เซลล์ในการผลิตไฟฟ้าในระดับต้นๆ ของโลก ได้แก่ เยอรมนี ญี่ปุ่น จีน อิตาลี และสหรัฐอเมริกา  โดยเฉพาะเยอรมนีสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าจากโซลาร์เซลล์มาก ถึง 38 กิกะวัตต์ หรือเกือบ 7 เปอร์เซ็นต์ ของปริมาณการใช้ไฟฟ้าของทั้งประเทศ ในไทยแม้ว่าจะมีพื้นที่รับพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีความเข้มสูงถึง 18 เมกะจูน/ตารางเมตร/วัน ซึ่งมากกว่าญี่ปุ่นที่มีความเข้มแสง 13 เมกะจูน/ตารางเมตร/วัน แต่ไทยยังผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ได้เพียงประมาณ 0.1 กิกะวัตต์เท่านั้น จากนโยบายภาครัฐของไทยที่ส่งเสริมการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ เราคงจะเห็นการติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ตามหลังคาบ้านเรือน หรือโรงงานเพิ่มขึ้นมากมายในไม่ช้านี้ 

เซลล์แสงอาทิตย์ที่ติดตั้งตามโซลาร์ฟาร์ม หรือตามหลังคาบ้านเรือนส่วนใหญ่เป็นเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิกอน ทั้งแบบผลึก Crystalline Silicon และแบบอสัณฐาน Amorphous โดยที่เซลล์แบบซิลิกอนนั้นมีกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนและจำเป็นต้องใช้พลังงานในการผลิตที่สูงมาก เช่น การใช้ความร้อนสูงเพื่อให้ได้ผลึกซิลิกอนที่มีคุณภาพสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์แบบผลึกซิลิกอน หรือสารเคมีที่มีความเป็นพิษและระบบสุญญากาศเพื่อควบคุมปฏิกิริยาในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ฟิล์มบางซิลิกอนแบบอสัณฐาน ซึ่งกระบวนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ที่กล่าวมาข้างต้นนี้ ทำให้ต้นทุนการผลิตสูงและไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม  นาโนเทคโนโลยีและวิทยาการทางด้านวัสดุศาสตร์ ทำให้เกิดเทคโนโลยีการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ยุคใหม่ที่ไม่ใช้ซิลิกอนเป็นส่วนประกอบ เช่น เซลล์แสงอาทิตย์สีย้อมไวแสง และเซลล์แสงอาทิตย์พอลิเมอร์ ที่ทำให้ต้นทุนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ลดลงเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม และเพิ่มรูปแบบการใช้งานเซลล์แสงอาทิตย์ในชีวิตประจำวันมากขึ้น ซึ่งเซลล์แสงอาทิตย์ยุคใหม่ดังกล่าวสามารถนำมาผลิตบนแผ่นพลาสติก ทำให้เกิดเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีน้ำหนักเบา โค้งงอ และพกติดตัวได้

เซลล์แสงอาทิตย์สีย้อมไวแสงถูกพัฒนาขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ในประเทศสวิตเซอร์แลนด์ โดยใช้อนุภาคนาโนไทเทเนียมไดออกไซด์แบบรูพรุนสูง Mesoporous Structure เป็นวัสดุส่งผ่านอิเล็กตรอนที่ถ่ายเทมาจากสีย้อมไวแสงที่ถูกสังเคราะห์ขึ้นไปยังขั้วไฟฟ้าลบ และใช้อนุภาคนาโนของแพลทินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาของการถ่ายเทอิเล็กตรอนที่ขั้วไฟฟ้าบวก  วัสดุโปร่งใสนำไฟฟ้า เช่น พลาสติก หรือกระจกเคลือบ Indium doped tin oxide, ITO ถูกนำมาใช้เพื่อเป็นขั้วนำไฟฟ้า  โครงสร้างวัสดุนาโนชนิดต่างๆ ได้ถูกคิดค้นและนำมาใช้กับเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์สีย้อมไวแสงเพื่อลดต้นทุนหรือเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ เช่น การใช้โครงสร้างท่อนาโน หรือแท่งนาโนของไทเทเนียมไดออกไซด์ และซิงค์ออกไซด์เป็นตัวกระเจิงแสงในชั้นขั้วลบและเพิ่มการถ่ายเทอิเล็กตรอนไปยังขั้วไฟฟ้าลบ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยมิชิแกนได้ทดลองใช้โครงสร้างสามมิติของนาโนกราฟฟีนเพื่อทดแทนการใช้งานอนุภาคแพลทินัมที่มีราคาแพง และยังได้ผลดีกว่าการใช้งานแพลทินัมเดิม สำหรับการใช้ขั้วโปร่งใสนำไฟฟ้า  นักวิทยาศาสตร์ทดลองหาวัสดุทางเลือกที่สามารถทดแทนวัสดุโปร่งใสนำไฟฟ้าที่ทำมาจาก ITO ที่มีต้นทุนการผลิตที่สูง โดยใช้เส้นลวดนาโน (Nanowire)  ของเงิน หรือทอง ซึ่งได้รับการจัดเรียงอนุภาค

สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์แบบพอลิเมอร์นักวิทยาศาตร์ ได้พัฒนาพอลิเมอร์ชนิดตัวนำไฟฟ้าที่ทำหน้าที่ส่งผ่านประจุบวก เช่น  Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) Polystyrene Sulfonate, PEDOT:PSS  และสารกึ่งตัวนำที่ทำหน้าที่เป็นตัวให้และตัวรับอิเล็กตรอน โพลีเมอร์กึ่งตัวนำชนิดให้อิเล็กตรอนที่นำมาใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดโพลีเมอร์ที่ได้รับความนิยม ได้แก่ Poly (3-hexylthiophene-2,5-diyl), P3HT และ Poly[N-9’-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4’,7’-di-2-thienyl-2’,1’,3’- benzothiadiazole)], PCDTBT ส่วนตัวรับอิเล็กตรอน ได้แก่ สารชนิดสังเคราะห์จากนาโนบักกี้บอล Buckyball  ซึ่งคือโมเลกุลที่ประกอบขึ้นมาจากอะตอมของธาตุคาร์บอนจำนวน 60 อะตอม หรือ 70 อะตอม เป็นส่วนประกอบ เรียกว่า Phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM. เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก เนื่องจากสามารถนำมาผลิตเป็นเซลล์แสงอาทิตย์โดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ หรือการพ่นเคลือบแบบสเปรย์ เพื่อการผลิตลงบนพื้นผิวโค้งงอได้  นอกจากนี้การใช้อนุภาคนาโน เช่น ซิงค์ออกไซด์และทอง สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าได้อีกด้วย

แม้ว่าเซลล์แสงอาทิตย์สีย้อมไวแสงและพอลิเมอร์ยังไม่มีวางขายในท้องตลาด แต่เชื่อได้ว่านาโนเทคโนโลยีด้านวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีการพิมพ์ที่ทันสมัย สามารถจะทำให้เซลล์แสงอาทิตย์ฟิล์มบางยุคใหม่ดังกล่าวมีราคาที่ถูกลงและเข้าถึงการใช้งานในชีวิตประจำวันมากขึ้น