เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง

1

ดร. สุรวุฒิ ช่วงโชติ

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสีย้อมไวแสง (DSSC) เป็นอุปกรณ์สำหรับการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์มาเป็นกระแสไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจากสารกึ่งตัวนำที่ย้อมด้วยสี สารส่งผ่านประจุ (หรือเรียกว่า อิเล็กโตรไลต์) และขั้วไฟฟ้า โดยสามารถแปลงพลังงานแสงอาทิตย์มาเป็นพลังงานไฟฟ้าได้สูงสุดถึง 12% ซึ่งเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ได้รับความสนใจอย่างมากในวงวิชาการและพาณิชย์ เนื่องจากมีแนวโน้มที่จะผลิตเพื่อการค้าได้ไม่ยากและราคาถูกกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ที่สร้างจากสารกึ่งตัวนำซิลิกอนที่มีขายอยู่ในท้องตลาดปัจจุบัน

ส่วนประกอบของ DSSC

DSSC ประกอบด้วยองค์ประกอบที่สำคัญ คือ ขั้วไฟฟ้า อนุภาคโลหะออกไซด์ สีย้อมไวแสง และสารอิเล็กโตรไลต์ ดังรูป

1. ขั้วไฟฟ้าใน DSSC มี 2 ขั้ว ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าแอโนดและแคโทด ขั้วไฟฟ้าแอโนดเป็นขั้วไฟฟ้าโปร่งแสง เป็นส่วนประกอบไว้ให้แสงผ่านและทำหน้าที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอนออกนอกเซลล์ ซึ่งนิยมใช้ fluorine doped tin oxide (FTO) ที่เคลือบอยู่บนกระจกเป็นขั้วไฟฟ้านี้ ส่วนขั้วไฟฟ้าแคโทดหรือเรียกว่า ขั้วไฟฟ้าตรงข้าม (counter electrode) ทำหน้าที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอนกลับคืนเข้ามายังเซลล์ ซึ่งนิยมใช้โลหะแพลททินัมหรือแกรไฟต์ที่เคลือบอยู่บนกระจกเป็นขั้วไฟฟ้านี้

2. อนุภาคโลหะออกไซด์ เป็นสารกึ่งตัวนำที่ทำหน้าที่เป็นชั้นให้โมเลกุลของสีย้อมไวแสงยึดเกาะ รวมทั้งรับอิเล็กตรอนจากสีย้อมและส่งผ่านอิเล็กตรอนไปยังขั้วแอโนด จึงควรเป็นอนุภาคที่มีพื้นที่ผิวมากและนำอิเล็กตรอนได้ดี นิยมใช้อนุภาคของโลหะออกไซด์ที่มีแถบพลังงานกว้าง (มากกว่า 3 eV) เช่น ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) ซิงค์ออกไซด์ (ZnO) และทินออกไซด์ (SnO2) เป็นต้น ในส่วนประกอบนี้

3. สีย้อมไวแสง เป็นส่วนประกอบที่เป็นที่มาของชื่อเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ โดยยึดเกาะอยู่ที่ผิวของอนุภาคโลหะออกไซด์ ทำหน้าที่ดูดกลืนแสงอาทิตย์ ทำให้อิเล็กตรอนถูกกระตุ้น แล้วส่งผ่านอิเล็กตรอนไปยังอนุภาคโลหะออกไซด์ สีย้อมไวแสงนี้ควรมีคุณสมบัติดูดกลืนแสงได้มากในหลายช่วงความยาวคลื่น มีความสเถียร และยึดเกาะบนผิวของอนุภาคโลหะออกไซด์ได้ดี

4. สารอิเล็กโตรไลต์ เป็นชั้นส่งผ่านประจุที่มักอยู่ในรูปของเหลว ทำหน้าที่รับอิเล็กตรอนจากขั้วแคโทดเพื่อชดเชยอิเล็กตรอนให้กับโมเลกุลสีย้อมไวแสงโดยอาศัยปฏิกิริยารีดอกซ์ (redox)

DSSC_Figure
ส่วนประกอบ และการไหลของอิเล็กตรอนใน DSSC

หลักการทำงานของ DSSC

เมื่อแสงตกกระทบเซลล์แสงอาทิตย์ โมเลกุลสีย้อมไวแสงที่เกาะบนผิวของอนุภาคโลหะออกไซด์ (ตัวอย่างเช่น TiO2) จะดูดกลืนแสง (hn) แล้วอิเล็กตรอนที่อยู่ในสภาวะพื้น (ground state, S0) จะถูกเร้าให้ขึ้นไปอยู่ในสภาวะกระตุ้น (excited state, S*) ดังสมการดูดกลืนแสง (1) จากนั้นอิเล็กตรอนในสภาวะกระตุ้นจะถูกส่งผ่านไปที่แถบการนำไฟฟ้า (conduction band, cb) ของอนุภาคโลหะออกไซด์ดังสมการส่งผ่านอิเล็กตรอน (2) แล้วอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านจากสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ไปยังขั้วแอโนดแล้วออกสู่วงจรภายนอกเซลล์ กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงจรภายนอกเซลล์ จากนั้นอิเล็กตรอนจะวิ่งกลับเข้าสู่เซลล์ที่ขั้วแคโทด ที่ขั้วนี้สารอิเล็กโตรไลต์ (ตัวอย่างเช่นไอโอไดด์/ไตรโอไดด์) จะเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ โดยให้อิเล็กตรอนกับสีย้อมไวแสงที่สูญเสียอิเล็กตรอน (S+) ทำให้โมเลกุลสีย้อมกลับสู่สถานะพื้น (S0) ดังสมการ (3) ในขณะเดียวกันสารอิเล็กโตรไลต์จะรับอิเล็กตรอนจากขั้วแคโทด (ตัวอย่างเช่นโลหะแพลททินัม Pt) ดังสมการ (4) แต่ในกระบวนการก็อาจมีปฏิกิริยาที่ให้ผลเชิงลบ ประกอบด้วยการรวมกันใหม่ของอิเล็กตรอนที่กำลังเข้าสู่แถบการนำไฟฟ้าของอนุภาคโลหะออกไซด์กับสีย้อมไวแสงที่สูญเสียอิเล็กตรอนไปทำให้สีย้อมไวแสงกลับสู่สภาวะพื้นโดยไม่มีอิเล็กตรอนออกไปนอกเซลล์ จึงไม่เกิดกระแสไฟฟ้า ดังสมการ (5) และการพบกันของอิเล็กตรอนที่กำลังเข้าสู่แถบการนำไฟฟ้าของอนุภาคโลหะออกไซด์กับสารอิเล็กโตรไลต์ทำให้สูญเสียอิเล็กตรอนที่ไม่ก่อให้เกิดประโยชน์ ดังสมการ (6)

TiO2|S0 + hn  →  TiO2|S* ….. (1)

TiO2|S*  →  TiO2|S+ + e-(cb) …..(2)

TiO2|S+ + 3/2I-  →  TiO2|S0 + 1/2I3-  …..(3)

I3- + 2e-(Pt)  →  3 I- …..(4)

TiO2|S+ + e-(cb)  →  TiO2|S0 …..(5)

I3- + 2e-(cb)  →  3 I- …..(6)

การวิจัยและพัฒนา DSSC

ใน DSSC ที่ใช้อนุภาคนาโนเป็นขั้วรับแสงนั้น เมื่ออิเล็กตรอนได้รับการกระตุ้นจากแสง จะวิ่งไปยังอนุภาคนาโนอื่นๆ เพื่อเคลื่อนไปยังขั้วไฟฟ้าของเซลล์ แต่ระหว่างการเคลื่อนที่นั้นเองจะทำให้เกิดการสูญเสียของอิเล็กตรอนขึ้นที่รอยต่อระหว่างผลึกของอนุภาคนาโน การใช้วัสดุนาโนที่เติบโตใน 1 มิติมาแทนอนุภาคนาโนในเซลล์แสงอาทิตย์แบบนี้จะทำให้อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านวัสดุนาโนได้ดีและง่ายขึ้น ซึ่งคาดว่าจะทำให้ประสิทธิภาพของ DSSC นั้นดีขึ้น

นอกจากนั้นยังมีแนวทางวิจัยและพัฒนาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ความทนทาน และอายุการใช้งานของ DSSC ในหลายด้าน เช่น การพัฒนาขั้วไฟฟ้าที่ราคาไม่แพง การพัฒนาอนุภาคโลหะออกไซด์ที่ส่งผ่านอิเล็กตรอนได้ดีและมีพื้นที่ผิวมาก การพัฒนาสีย้อมไวแสงที่ดูดกลืนแสงอาทิตย์ได้มากขึ้นในช่วงความยาวคลื่นที่กว้างขึ้น การพัฒนาสารอิเล็กโตรไลต์ที่ไม่ใช่ของเหลวเพื่อให้มีความเสถียรต่อการใช้งาน และการพัฒนาระบบการประกบเซลล์ (sealing) เพื่อยืดอายุการใช้งานของเซลล์เป็นต้น