วัสดุเพื่อการเปลี่ยนรูปพลังงาน

IMG_0293-Edit_Rev_3_RSZ

ดร. สุรวุฒิ ช่วงโชติ

          พลังงานมีอยู่หลายรูปแบบ โดยสามารถแบ่งพลังงานตามลักษณะที่เห็นได้ชัดเจนออกเป็น 6 รูปแบบ ได้แก่ พลังงานความร้อน (thermal energy) พลังงานเคมี (chemical energy) พลังงานกล (mechanical energy) พลังงานนิวเคลียร์ (nuclear energy) พลังงานไฟฟ้า (electrical energy) และพลังงานจากการแผ่รังสี (radiation energy) ทั้งนี้ในบางกรณีมีการจัดรูปแบบพลังงานเป็น 5 รูป โดยจัดพลังงานไฟฟ้าและการแผ่รังสีเป็นส่วนหนึ่งของพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic energy) ซึ่งพลังงานคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้ยังรวมพลังงานอื่นๆ ที่อยู่ในรูปเดียวกัน เช่น พลังงานเสียง ไว้ด้วย พลังงานทั้งหลายจะเกิดขึ้นได้ต้องมีวัตถุเป็นองค์ประกอบ ยกเว้นพลังงานจากการแผ่รังสีเท่านั้นที่ไม่จำเป็นต้องมีวัตถุใดๆ เป็นองค์ประกอบ โดยพลังงานทั้ง 6 รูปแบบนี้สามารถเปลี่ยนไปเป็นรูปแบบอื่นได้โดยวิธีการต่างๆ โดยพลังงานที่เกิดจากการเปลี่ยนรูปมาจากพลังงานอื่นจะไม่สูญหายไป (มีพลังงานเท่าเดิม) ซึ่งเป็นไปตามกฎการอนุรักษ์พลังงานในทางฟิสิกส์ นอกจากนั้นพลังงานจะหายไปโดยไม่มีวัตถุเกิดขึ้นและพลังงานจะเกิดขึ้นโดยไม่มีวัตถุหายไปไม่ได้ตามกฏความถาวรของมวลและพลังงานในทางฟิสิกส์ ทั้งนี้เมื่อพูดถึงเรื่องรูปแบบของพลังงานแล้วเรายังสามารถแบ่งพลังงานทั้งหมดได้อีก 2 แบบ คือ พลังงานอันเกิดจากการเคลื่อนที่ เรียกว่า พลังงานจลน์ (kinetic energy) และ พลังงานที่มีสะสมอยู่ในตัว เนื่องมาจากภาวะของวัตถุ เรียกว่า พลังงานศักย์ (potential energy) โดยพลังงานทั้ง 6 รูปแบบข้างต้นสามารถพิจารณาได้ในมุมมองของทั้งพลังงานศักย์และพลังงานจลน์

ตัวอย่างของการเปลี่ยนรูปพลังงาน

          ในชีวิตประจำวันมีการเปลี่ยนแปลงรูปแบบของพลังงานอยู่ตลอดเวลา เช่น

  • การไหลของน้ำออกจากเขื่อน ขณะที่น้ำยังอยู่ในเขื่อนที่สูงจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงสะสมอยู่ (พลังงานกล แบบพลังงานศักย์) และขณะที่ประตูน้ำเปิด จะมีการเปลี่ยนแปลงรูปแบบของพลังงานจากพลังงานศักย์โน้มถ่วงไปเป็นพลังงานกล (แบบพลังงานจลน์)
  • การเผาผลาญอาหารในร่างกาย เป็นการเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมีที่สะสมอยู่ในอาหารที่เรารับประทานเข้าไป ให้เป็นพลังงานกลในการทำกิจกรรมต่างๆ ของมนุษย์
  • การสังเคราะห์แสงของพืช เป็นการเปลี่ยนแปลงจากพลังงานแสง (พลังงานจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์) ไปพลังงานเคมีซึ่งเก็บสะสมไว้ในรูปของอาหารเพื่อใช้ในการเจริญเติบโตของพืช
  • การเผาไหม้ของน้ำมันเชื้อเพลิง เป็นการเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมีที่สะสมอยู่ในน้ำมันให้เป็นพลังงานความร้อน แล้วเปลี่ยนความร้อนเป็นพลังงานกล ในการเคลื่อนที่ของรถยนต์
  • การผลิตกระแสไฟฟ้าจากกังหันลม เป็นการเปลี่ยนพลังงานกล (แบบพลังงานจลน์) ของลมเป็นพลังงานไฟฟ้า
  • แสงอาทิตย์ เกิดจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานนิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ ไปเป็นพลังงานจากการแผ่รังสีและความร้อน
  • การผลิตกระแสไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ (solar cell) เป็นการเปลี่ยนพลังงานจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า
  • แบตเตอรี่ (battery) เป็นจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานเคมีไปเป็นพลังงานไฟฟ้า

          ตัวอย่างการเปลี่ยนรูปพลังงานอื่นๆ สามารถดูได้จากรูปต่อไปนี้

2013-08-21 Fig 1

ตัวอย่างการเปลี่ยนรูปพลังงานในรูปแบบต่างๆ

วัสดุเพื่อการเปลี่ยนรูปพลังงาน

          เราสามารถนำวิทยาการของวัสดุมาใช้ในทุกรูปแบบของพลังงาน และในทุกการเปลี่ยนรูปพลังงาน เช่น การใช้โลหะที่ทนอุณหภูมิและแรงบีบอันสูงมาเป็นลูกสูบในเครื่องยนต์ การใช้ซีเมนต์ที่ป้องกันการรั่วไหลของกัมมันตรังสีมาเป็นกรอบของเตาปฏิกรณ์ปรมณู การใช้วัสดุที่นำไฟฟ้าได้ดีและทนแรงกัดกร่อนเป็นขั้วไฟฟ้าในแบตเตอรี่ เป็นต้น ในที่นี้จะยกตัวอย่างเฉพาะการนำวัสดุ รวมถึงวัสดุนาโน มาใช้ในงานเพื่อเปลี่ยนพลังงานจากการแผ่รังสีของดวงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้า หรือที่เรียกว่า “เซลล์แสงอาทิตย์” เท่านั้น

          เซลล์แสงอาทิตย์ เป็นอุปกรณ์ที่สร้างจากสารกึ่งตัวนำสำหรับการแปลงพลังงานจากแสงอาทิตย์ (หรือที่เรียกกันว่าโฟตอน) มาเป็นพลังงานไฟฟ้า  ซึ่งการเปลี่ยนพลังงานดังกล่าวสามารถเกิดเป็นไฟฟ้ากระแสตรงได้ในขั้นตอนเดียวโดยไม่มีส่วนเคลื่อนไหวใดๆ เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบเซลล์แสงอาทิตย์ที่เป็นสารกึ่งตัวนำ จะทำให้เกิดการกระตุ้นของอิเล็กตรอน เกิดอิเล็กตรอนอิสระ รวมทั้งเกิดความต่างศักย์ระหว่างขั้วของเซลล์แสงอาทิตย์ ดังนั้นเมื่อมีการต่อขั้วทั้งสองข้างของเซลล์แสงอาทิตย์ก็จะเกิดการไหลของอิเล็กตรอนเพื่อให้เกิดสมดุล ในทางไฟฟ้าเมื่อมีอิเล็กตรอนไหลก็ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น ในปัจจุบันมีเซลล์แสงอาทิตย์อยู่หลายชนิดตามชนิดของวัสดุกึ่งตัวนำ (สามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่บทความ “มารู้จักเซลล์แสงอาทิตย์กันเถอะ” ในหัวข้อ “บทความน่าสนใจ”)

          วัสดุที่ใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ประกอบด้วย

  • กระจกโปร่งแสงนำไฟฟ้า (transparent conductive oxide หรือ TCO) คือวัสดุตัวนำไฟฟ้าที่มีความโปร่งแสง ส่วนใหญ่มักทำมาจากออกไซด์ของโลหะที่เคลือบอยู่บนกระจก เช่น tin-doped indium oxide (ITO) และ fluorine-doped tin oxide (FTO) เป็นต้น ความโปร่งแสงของวัสดุนี้ก็เพื่อให้เซลล์แสงอาทิตย์สามารถรับแสงเข้ามาได้มากที่สุด แต่ข้อเสียของการผลิตวัสดุโปร่งแสงนำไฟฟ้าลงบนกระจกคือไม่สามารถนำไปใช้ในพื้นที่โค้งงอได้ ในปัจจุบันจึงมีงานวิจัยที่มุ้งเน้นที่จะผลิตออกไซด์ของโลหะที่นำไฟฟ้าลงบนตัวรองรับที่เป็นพลาสติก หรือใช้วัสดุอื่นที่ไม่ใช่ออกไซด์ของโลหะมาเป็นตัวนำไฟฟ้า เช่น ใช้ท่อนาโนคาร์บอน หรือกราฟีน เป็นต้น

2013-08-21-Fig-2_e

ตัวอย่างกระจกโปร่งแสงนำไฟฟ้า FTO

  • วัสดุกึ่งตัวนำไฟฟ้า คือวัสดุสำคัญในเซลล์แสงอาทิตย์ ชนิดของวัสดุกึ่งตัวนำที่อยู่ในเซลล์แสงอาทิตย์นั้นขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์แสงอาทิตย์ เช่น (1) ซิลิกอนในเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิกอน (2) แกลเลียมอาร์เซไนด์ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดแกลเลียมอาร์เซไนด์ [gallium arsenide (GaAs) solar cell] (3) สารประกอบของทองแดง อินเดียม แกลเลียม และไดเซเลไนด์ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิด CIGS [copper indium gallium selenide solar cell] (4) แคดเมียมเทลลูไรด์ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดแคดเมียมเทลลูไรด์ [cadmium telluride (CdTe) solar cell] (5) วัสดุนาโนของโลหะออกไซด์ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง [dye-sensitized solar cell (DSSC)] และเซลล์แสงอาทิตย์แบบไฮบริด (hybrid solar cell) และ (6) พอลิเมอร์นำไฟฟ้าและฟูลเลอรีน (fullerene) ในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสารอินทรีย์ [organic photovoltaic cell (OPV)] เป็นต้น ตัวอย่างวัสดุกลุ่มหนึ่งที่กำลังเป็นที่สนใจขณะนี้คือวัสดุนาโนที่เติบโตในมิติเดียว เช่น แท่งนาโน (nanorods) หรือ ท่อนาโน (nanotubes) เป็นต้น วัสดุนี้จะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการเปลี่ยนแปลงพลังงานจากแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าได้ เพราะสมบัติในการนำประจุที่ดีของโลหะออกไซด์และการจัดเรียงตัวที่เป็นระเบียบในทางเดียวนั่นเอง

2013-08-21 Fig 3

แท่งนาโนที่ประกอบขึ้นจากออกไซด์ของสังกะสี (ZnO)

  • วัสดุขั้วไฟฟ้าตรงข้าม (counter electrode) คือขั้วไฟฟ้าที่อยู่ตรงข้ามกับกระจกโปร่งแสงนำไฟฟ้า นิยมใช้โลหะที่นำไฟฟ้าได้ดีและเสถียร เช่น อลูมิเนียม หรือทอง เป็นต้น ยังมีการใช้วัสดุจากคาร์บอนเช่น ท่อนาโนคาร์บอน และกราฟีนเป็นขั้วไฟฟ้านี้ในบางเซลล์แสงอาทิตย์เช่นกัน
  • วัสดุในชั้นองค์ประกอบของเซลล์แสงอาทิตย์อื่นๆ เช่น ใช้พอลิเมอร์ผสม poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) เป็นชั้นรวบรวมประจุบวก (โฮล) หรือใช้ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) เป็นชั้นบางๆ ป้องกันการไหลของโฮลในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสารอินทรีย์ เป็นต้น