เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสารอินทรีย์

IMG_0016-Edit

ดร. สุรวุฒิ ช่วงโชติ

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดสารอินทรีย์ (OPV) หรือบางครั้งเรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบพอลิเมอร์ (polymer solar cell) หรือ เซลล์แสงอาทิตย์แบบพลาสติก (plastic solar cell) เป็นอุปกรณ์สำหรับการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์มาเป็นกระแสไฟฟ้าชนิดใหม่ที่ใช้วัสดุกึ่งตัวนำแบบสารอินทรีย์มาเป็นส่วนประกอบในการดูดกลืนแสงและส่งผ่านประจุ ถึงแม้ในปัจจุบัน OPV จะสามารถแปลงพลังงานแสงอาทิตย์มาเป็นพลังงานไฟฟ้าได้เพียงประมาณ 3 – 8% แต่เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้มีจุดเด่นกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดอนินทรีย์ที่ใช้ทั่วไปในเรื่องราคาถูก การผลิตที่ง่าย สามารถผลิตลงบนพื้นผิวที่ไม่ใช่กระจกได้ และสามารถใช้ในงานที่มีความโค้งงอได้ จึงเป็นเซลล์แสงอาทิตย์ที่กำลังเป็นที่สนใจและได้รับการพัฒนาเป็นอย่างมาก

ส่วนประกอบของ OPV

OPV จะใช้สารกึ่งตัวนำที่เป็นสารอินทรีย์เป็นส่วนประกอบในการดูดกลืนแสงและส่งผ่านประจุแทนสารกึ่งตัวนำอนินทรีย์ที่ใช้โดยทั่วไปในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดอื่น ส่วนประกอบที่สำคัญของ OPV คือ ขั้วไฟฟ้า ชั้นวัสดุให้อิเล็กตรอน (electron donor) ชั้นวัสดุรับอิเล็กตรอน (electron acceptor) และชั้นเพิ่มเติมอื่นๆ

1. ขั้วไฟฟ้าใน OPV มี 2 ขั้ว ขั้วไฟฟ้าแรกเป็นขั้วไฟฟ้าโปร่งแสง เป็นส่วนประกอบไว้ให้แสงผ่านและทำหน้าที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอนกลับเข้ามายังเซลล์ ซึ่งนิยมใช้ indium tin oxide (ITO) ที่เคลือบอยู่บนกระจกเป็นขั้วไฟฟ้านี้ ส่วนขั้วไฟฟ้าอีกขั้วทำหน้าที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอนออกจากเซลล์ ซึ่งนิยมใช้ชั้นโลหะบางๆ เช่นอะลูมิเนียม เป็นขั้วไฟฟ้านี้

2. ชั้นวัสดุให้อิเล็กตรอน คือชั้นสารกึ่งตัวนำที่สามารถดูดกลืนแสงอาทิตย์และมีสมบัติส่งผ่านประจุบวก หรือเรียกว่าโฮล (hole) ได้ดี สามารถใช้สารได้ 2 ประเภท ประเภทแรกคือสารอินทรีย์โมเลกุลเล็กที่มีสี เช่น อนุพันธ์ของพทาโลไซยาไนน์ (phthalocyanine) หรืออนุพันธ์ของพอฟีรีน (porphyrin) เป็นต้น อีกประเภทที่เป็นที่นิยมมากในปัจจุบันคือกลุ่มพอลิเมอร์นำไฟฟ้า เช่น อนุพันธ์ของพอลิไทโอฟีน (polythiophene) หรืออนุพันธ์ของพอลิพาราฟินิลีนไวนิลีน (poly(p-phenylene vinylene)) เป็นต้น ซึ่งเป็นที่มาของชื่ออื่นของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ ที่มีผู้เรียกว่า “เซลล์แสงอาทิตย์แบบพอลิเมอร์” หรือ “เซลล์แสงอาทิตย์แบบพลาสติก” นั่นเอง โดยตัวอย่างสารที่เป็นที่นิยมมากในปัจจุบันคือสารอนุพันธ์ของพอลิไทโอฟีนที่ชื่อ poly(3-hexylthiophene) (P3HT)

3. ชั้นวัสดุรับอิเล็กตรอน คือชั้นสารกึ่งตัวนำที่มีสมบัติส่งผ่านอิเล็กตรอนได้ดี เช่นบอลนาโนของฟูลเลอรีน (fullerene) แกรไฟต์ และท่อนาโนคาร์บอน (carbon nanotube) เป็นต้น โดยตัวอย่างสารที่เป็นที่นิยมมากในปัจจุบันคืออนุพันธ์ของฟูลเลอรีนที่ชื่อ phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM)

OPV_Figure-1

โครงสร้างของตัวอย่างวัสดุให้อิเล็กตรอน (P3HT) และวัสดุรับอิเล็กตรอน (PCBM)

4. ชั้นเพิ่มเติมอื่นๆ คือชั้นที่อาจเสริมเข้ามาในเซลล์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ เช่นชั้นป้องกันโฮลไหลมาผิดขั้ว (hole blocking layer) และชั้นรวบรวมโฮล (hole collecting layer) เป็นต้น

OPV ในการพัฒนาระยะแรกๆ นั้นจะมีชั้นสารกึ่งตัวนำอินทรีย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าแค่ชั้นเดียว (single layer OPV) ต่อมาก็มีการพัฒนาโดยมีการใช้สารกึ่งตัวนำอินทรีย์เป็นวัสดุให้และรับอิเล็กตรอนที่ต่อกันเป็นชั้น (bi-layer OPV) แต่พบว่าการนำวัสดุให้และรับอิเล็กตรอนมาต่อกันเป็นชั้นแบบนั้นไม่สามารถทำให้เซลล์มีประสิทธิภาพที่ดีได้ เพราะพื้นที่สัมผัสระหว่างวัสดุให้และรับอิเล็กตรอนมีน้อย จึงมีการพัฒนาโครงสร้างรอยต่อแบบรวม (bulk-heterojunction OPV) ที่วัสดุให้และรับอิเล็กตรอนมีการผสมกันทั่วถึงทั้งชั้นสารกึ่งตัวนำอินทรีย์ดังรูป ทำให้เพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างวัสดุให้และรับอิเล็กตรอนและเซลล์มีประสิทธิภาพสูงขึ้นอย่างมาก

OPV_Figure-2
ส่วนประกอบและการทำงานของ OPV ที่มีโครงสร้างแบบ bulk-heterojunction

หลักการทำงานของ OPV

หลักการทำงานของ OPV มี 6 ขั้นตอนหลัก คือ 1) วัสดุให้อิเล็กตรอนดูดกลืนแสงอาทิตย์หรือเรียกว่าโฟตอนแล้วเกิดอนุภาคเอ็กซิตอน (คู่ประจุของอิเล็กตรอนและโฮลที่อยู่และเคลื่อนที่ด้วยกัน) ขึ้น 2) เอ็กซิตอนแพร่ไปในชั้นวัสดุให้อิเล็กตรอน 3) เอ็กซิตอนไปถึงพื้นที่สัมผัสระหว่างวัสดุให้และรับอิเล็กตรอน 4) เกิดการแยกของเอ็กซิตอนกลายเป็นคู่อิเล็กตรอนและโฮล 5) ประจุเคลื่อนไปยังขั้วไฟฟ้าตรงข้ามกันกล่าวคืออิเล็กตรอนเคลื่อนไปทางวัสดุรับอิเล็กตรอน ส่วนโฮลเคลื่อนไปทางวัสดุรับอิเล็กตรอน 6) ประจุวิ่งจนครบวงจร

การวิจัยและพัฒนา OPV

แนวทางวิจัยและพัฒนาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ความทนทาน และอายุการใช้งานของ OPV มีหลายด้าน เช่น การพัฒนาขั้วไฟฟ้าที่ผลิตง่าย โค้งงอได้ และราคาไม่แพง การสังเคราะห์วัสดุให้อิเล็กตรอนที่ดูดกลืนแสงอาทิตย์ได้มากขึ้น ในช่วงความยาวคลื่นที่กว้างขึ้น และส่งผ่านโฮลได้ดีขึ้น การสังเคราะห์วัสดุรับอิเล็กตรอนที่นำอิเล็กตรอนได้ดี การหาคู่วัสดุให้และรับอิเล็กตรอนที่มีแถบพลังงานเหมาะสมเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้ารวมของเซลล์ การสังเคราะห์วัสดุอินทรีย์และเลือกใช้ขั้วไฟฟ้าโลหะที่ไม่เสื่อมสภาพได้ง่ายภายใต้สภาวะการใช้งานปกติเพื่อยืดอายุการใช้งานเซลล์ และการขึ้นรูป OPV ที่ง่าย ในปริมาณมาก และการขึ้นรูปบนวัสดุโค้งงอ เป็นต้น

นอกจาก OPV ปกติแล้ว ยังมีการวิจัยจำนวนมากที่มักใช้วัสดุนาโนที่เป็นสารกึ่งตัวนำอนินทรีย์ที่เติบโตใน 1 มิติมาเป็นส่วนประกอบหนึ่งในเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ ซึ่งจะทำให้อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านวัสดุนาโนได้ดีและง่ายขึ้น ซึ่งคาดว่าจะทำให้ประสิทธิภาพของ OPV นั้นดีขึ้น โดยการใช้สารกึ่งตัวนำอนินทรีย์มาผสมแบบนี้ทำให้หลายคนเรียกเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบไฮบริด (hybrid organic-inorganic solar cell)