Perovskiteวัสดุเก็บเกี่ยวแสงสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ทางเลือกในอนาคต

7

Perovskiteวัสดุเก็บเกี่ยวแสงสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ทางเลือกในอนาคต

 

รศ.ดร.จตุพร วุฒิกนกกาญจน์

ศูนย์ความเป็นเลิศ นาโนเทค-มจธ ด้านวัสดุนาโนไฮบริดสำหรับพลังงานทางเลือก

คณะพลังงาน สิ่งแวดล้อมและวัสดุ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

 

 

เซลล์แสงอาทิตย์ยุคใหม่

โดยนิยามแล้ว[1,2] เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีการวิจัย พัฒนาและใช้งานบนโลก สามารถจำแนกได้เป็น 3 กลุ่มใหญ่ตามวิวัฒนาการของเทคโนโลยี(รูปที่ 1) กล่าวคือในยุคแรกจะเป็นการใช้ซิลิกอนที่มีโครงสร้างแบบผลึก ต่อมาในยุคที่ 2 เป็นการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางจากวัสดุกึ่งตัวนำชนิดต่างๆ ซิลิกอนแบบอสัณฐานและสารประกอบ CIGS เป็นต้น ซึ่งเซลล์แสงอาทิตย์ทั้ง 2 ยุคนี้ จะมีข้อดีในด้านของประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า (PCE)  ที่สูง แต่มีข้อจำกัดด้านราคาแพง ใช้กระบวนการผลิตที่ต้องอาศัยเทคโนโลยีชั้นสูงและบางกรณีมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ด้วยเหตุดังกล่าว จึงได้มีการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์แบบใหม่ หรือ third generation solar cell จากวัสดุชนิดต่างๆ เช่น เซลล์แสงอาทิตย์แบบสีย้อมไวแสง (dye sensitized solar cell, DSSC), เซลล์แสงอาทิตย์แบบควอนตัมดอต (Quantum dot solar cell), เซลล์แสงอาทิตย์จากสารอินทรีย์ (Organic solar cell, OPV) ซึ่งมีจุดเด่นในด้านของการขึ้นรูปที่ง่ายใช้กระบวนผลิตที่ไม่แพงและแนวโน้มที่จะสามารถขยายสเกลโดยใช้กระบวนการที่มีอยู่ในอุตสาหกรรม            การพิมพ์ได้ แต่ในปัจจุบัน เซลล์ฯ ดังกล่าว ยังอยู่ในขั้นวิจัยและพัฒนาในระดับห้องปฏิบัติการ (รูปที่ 2) และค่า PCE ยังคงต่ำกว่าเมื่อเทียบกับเชลล์แสงอาทิตย์แบบดั้งเดิม

 

 4

รูปที่ 1แผนภาพแสดงประเภทของเซลล์แสงอาทิตย์ยุคต่างๆ จำแนกตามเทคโนโลยีและวิวัฒนาการ


 5

รูปที่ 2 ต้นแบบเซลล์แสงอาทิตย์พอลิเมอร์ (ภาพซ้าย) และเซลล์แสงอาทิตย์แบบสีย้อมไวแสง (ภาพขวา)                          ในระดับห้องปฏิบัติการ

 

จาก solid state DSSC สู่ hybrid material solar cell

ในบรรดา เซลล์แสงอาทิตย์ยุคใหม่ เซลล์แสงอาทิตย์แบบสีย้อมไวแสง (dye sensitized solar cell)ถือเป็นระบบที่มีการพัฒนากันมาอย่างยาวนาน (เริ่มตั้งแต่ปี 1991 โดย Gratzel[3] โดยใช้สีย้อม (dye) ในการทำหน้าที่รับแสงและส่งผ่านอิเล็กตรอนไปยังขั้นไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2)และโมเลกุลสีย้อมที่ถูกกระตุ้นให้ขึ้นไปอยู่ในสถานะเร้าจะรับอิเล็กตรอนที่ถูกส่งผ่านมาทางสารอิเล็กโตรไลท์และกลับสู่สถานะปกติในที่สุด (รูปที่ 3)ในปัจจุบัน ได้มีการพัฒนาDSSC ให้มีค่า PCE ได้สูงสุดถึง15 % [4] อย่างไรก็ตามเซลล์แสงอาทิตย์แบบ DSSC ยังคงมีข้อจำกัดในด้านของความคงทน อายุการใช้งาน เนื่องจากมีการใช้ของเหลว เช่น NaI/I2ผสม ethylene carbonate และ acetonitrile เป็นสารอิเล็กโตรไลท์ ซึ่งมักมีปัญหาด้านการรั่วซึมและทำให้อายุการใช้งานสั้น แม้ว่าจะมีความพยายามแก้ปัญหาด้วยการใช้ room temperature ionic liquid ซึ่งเป็นสารที่ระเหยได้ยากมาแทน แต่อย่างไรก็ตาม สารดังกล่าวยังคงมีลักษณะเป็นของเหลวและอาจเกิดการรั่วซึมได้หากการยึดติดระหว่าง sealing film (surlyn) กับกระจกที่ทำหน้าที่เป็นชั้นขั้วในเซลล์ฯ ไม่ดีพอ

 

6 

รูปที่3แผนภาพองค์ประกอบและกลไกการทำงานของ DSSC (ภาพวาดโดย ดร.สมพิศ วันวงษ์)

 

ดังนั้น แนวโน้มของงานวิจัยและพัฒนา DSSC ในระยะถัดมาจึงเน้นไปทางด้านการใช้สารอิเล็กโตรไลท์แบบของแข็งและกึ่งของแข็งแทน เช่น เจลพอลิเมอร์และ hole transport materials ชนิดต่างๆ เช่น SpiriOMeTAD,P3HT, หรือ CsSnI3เป็นต้นอย่างไรก็ตาม มีข้อสังเกตว่าแม้ว่าการใช้สารอิเล็กโตรไลท์แบบ(กึ่ง)ของแข็ง จะสามารถช่วยยืดอายุการใช้งานของเซลล์ดังกล่าวได้แต่อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพของเซลล์ฯ จะลดลง เมื่อเทียบกับเซลล์ฯ ที่ใช้ของเหลว นอกจากนั้นแล้ว DSSC ยังมีข้อเสียในด้านของสารประกอบไอโอดีนที่ทำหน้าที่เป็น redox couple ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนต่อขั้วและการใช้สีย้อมที่มีราคาแพง จนกระทั่งในปี 2009 ได้มีการต่อยอดพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์จากระบบ DSSC โดยการใช้ในตระกูล perovskiteทำหน้าที่รับแสง โดยวางตัวอยู่บนชั้น mesoporousของ TiO2และประกบอยู่ระหว่างขั้วที่ทำจาก Au และ FTO ซึ่งพบว่าในช่วงแรกเซลล์ลักษณะดังกล่าวให้ค่า PCE อยู่ที่ 3.8 % [5]

 

Perovskieคืออะไร

Perovskiteเป็นชื่อทั่วไปที่ใช้เรียกวัสดุที่มีโครงสร้างโดยทั่วไป คือ ABX3(รูปที่ 4) โดยที่สารดังกล่าวมีโครงสร้างคล้าย CaTiO3ซึ่งค้นพบโดยครั้งแรกโดย Gustav Rose นักธรณีวิทยาชาวรัสเซีย และตั้งชื่อเป็นเกียรติให้แก่ Lev Perovskiนักธรณีวิทยาที่มีชื่อเสียงชาวรัสเซีย ซึ่งในโครงสร้างABX3 นั้นB คือไอออนบวกของโลหะ เช่น Pb,Snในขณะที่ X คือ อะตอมเฮไลด์และ A คือไอออนบวกที่ทำหน้าที่ดุลประจุให้เป็นกลาง (ซึ่งอาจจะมาจากโลหะหรือสารไฮโดรคาร์บอน) ซึ่งวัสดุperovskiteดังกล่าว มีมากมายกว่า 100 ชนิด ทั้งแบบอนินทรีย์และแบบไฮบริด (มีการแทนที่ไอออนบวก (หมู่ A ในสูตร ABX3ด้วยสารอินทรีย์) และมีสมบัติที่เด่นหลายประการ เช่น antiferromagnetic, piezoelectric, thermoelectric, semiconducting, conducting, และ superconducting

 7

รูปที่4โครงสร้างผลึกของ perovskite

(ภาพจาก J. Fan, B. Jia, M. Gu, Photon Research, 2(2014)111-120)

 

การประยุกต์ Perovskiteในงานด้านเซลล์แสงอาทิตย์ ได้รับความสนใจอย่างมาก ในระยะ 2-3 ปีที่ผ่านมา เนื่องจากวัสดุดังกล่าว แสดงสมบัติเด่นด้านการทำหน้าที่เป็น light absorber ได้ดี ประกอบกับมีข้อดีในด้านต่างๆ ได้แก่

  • Perovskiteสามารถเตรียมขึ้นได้โดยปฏิกิริยาการสังเคราะห์ที่ไม่ยุ่งยาก จากสารเคมีที่ปริมาณวัตถุดิบสำรองบนพื้นโลกจำนวนมาก และมีราคาไม่แพง (เช่น โดยการทำปฏิกิริยาระหว่าง methylammonium iodide (CH3NH3I)กับPbI2ที่สภาวะอุณหภูมิ 60 องศาเซลเซียส [6]
  • สมบัติด้านไฟฟ้าเช่น ค่าพลังงาน band gap ของวัสดุดังกล่าว ยังสามารถปรับแต่งได้ด้วยการปรับโครงสร้างเคมีของวัสดุดังกล่าว
  • จากการทดลองด้วยเทคนิค Photoluminescence quenching[7] พบว่าคู่ประจุอิเล็กตรอน-โฮล (exciton) ที่เกิดขึ้นจากการรับแสงของ perovskiteจะมี diffusion length ที่สูงถึงกว่า1 ไมโครเมตร (µm)ซึ่งเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมาก ทั้งนี้เนื่องจากdiffusion length ของ excitonโดยทั่วไปที่เกิดขึ้นจากชั้นวัสดุไวแสง(photoactive layer)ในเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ โดยทั่วไป จะต่ำกว่า 100 นาโนเมตร (ซึ่งหากมากไปกว่านั้นแปลว่าอิเล็กตรอน-โฮลจากOPV มีโอกาสในการเกิดการรวมตัวกัน (recombination) และเป็นข้อจำกัดประการหนึ่งที่ทำให้ PCE ของ OPV ยังคงต่ำอยู่) ดังนั้นการที่ excitonจาก perovskite solar cell มีค่าเกิน 1 µm จึงทำให้สามารถเพิ่มความหนาของชั้น active layer ในเซลล์ฯ ได้ ซึ่งหมายถึงการดูดกลืนแสงของวัสดุไวแสงจะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงและราคาถูกได้ในอนาคต

 

แนวโน้มการวิจัยและพัฒนาPerovskite solar cell

ดังที่ได้กล่าวไปแล้วว่าโดยเริ่มแรกเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ perovskiteเป็นวัสดุเก็บเกี่ยวแสงจะเป็นการพัฒนาโดยต่อยอดจาก configuration ของระบบ DSSCที่ใช้สารอิเล็กโตรไลท์หรือ hole transport material แบบของแข็งโดยการใช้ perovskiteแทนที่ dye(รูปที่ 5) อย่างไรก็ตามการใช้ HTM ที่เป็นของแข็ง ยังคงมีจุดอ่อนในด้านของ pore-filling หรือการสัมผัสระหว่างอิเล็กตรอนที่เกิดจากกับขั้วโปร่งแสงนำไฟฟ้า จึงได้มีความพยายามที่จะพัฒนาโดยการเปลี่ยนจาก mesoporous TiO2เป็น TiO2ที่มีโครงสร้างแบบ 1 มิติ TiO2 nanowire เป็นต้น(รูปที่5ภาพกลาง)

อนึ่ง เป็นที่น่าสนใจว่า งานวิจัยจาก Snaithและคณะฯ[8,9] แสดงให้เห็นว่าด้วยการใช้โครงสร้างเซลล์ฯ อย่างง่ายที่ประกอบด้วย perovskiteถูกประกบอยู่ระหว่างชั้น compact TiO2กับ สารอินทรีย์ที่ทำหน้าที่นำโฮล(HTM) (รูปที่ 5ภาพขวา)สามารถทำให้ได้ค่าประสิทธิภาพสูงถึงกว่า 10% โดยมีเงื่อนไขว่าสัณฐานวิทยาของชั้น active layer ที่ทำการเคลือบทับจะต้องสม่ำเสมอ (uniform) และแน่นหนา (dense)

นอกจากนั้น จากงานวิจัยของ Lee และคณะฯ [10] พบว่า perovskiteไม่เพียงแต่ทำหน้าที่เก็บเกี่ยวแสงและทำงานร่วมกับ mesoporous TiO2โดยตนเองทำหน้าที่นำโฮลเท่านั้น แต่ perovskiteยังทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนได้อีกด้วย ซึ่งนั่นหมายความว่า perovskite solar cell อาจจะไม่จำเป็นต้องมี mesoporousTiO2เป็นองค์ประกอบ และแปลว่าไม่จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิสูงอีกต่อไปในการเผาเปลี่ยนเฟสของ TiO2ซึ่งการที่ไม่ต้องใช้อุณหภูมิสูงหมายถึงสามารถขึ้นรูปเซลล์บนวัสดุฐานรองประเภทพลาสติกที่โค้งงอ อย่างเช่น poly(etnyleneterephtharate), PET หรือ poly(ethylene naphthanate), PEN ได้

 

 8

รูปที่5โครงสร้างสถาปัตยกรรมของเซลล์แสงอาทิตย์ระบบที่ใช้ perovskiteในแบบต่างๆ (ภาพจากJ. Fan, B. Jia, M. Gu, Photon Research, 2(2014)111-120)

 

จากการติดตามงานวิจัยที่เกี่ยวข้องที่ผ่านมา ในระยะปี 2009 ถึง 2013 พบว่าค่าประสิทธิภาพในการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า (PCE) ของเซลล์แสงอาทิตย์แบบ perovskiteได้มีการพัฒนาให้สูงขึ้นได้รวดเร็วมาก (รูปที่ 6) โดยในปัจจุบัน พบว่าได้ค่า PCE สูงสุดถึง17.9 %[11] และในอนาคต เชื่อว่า PCE ของเซลล์แสงอาทิตย์แบบ perovskiteยังอาจจะสามารถพัฒนาต่อได้ ให้มีประสิทธิภาพทัดเทียมและแข่งขันได้กับเซลล์แสงอาทิตย์แบบดั้งเดิม

 

9

รูปที่ 6ความก้าวหน้าในเชิงของค่าประสิทธิภาพการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ประเภทต่างๆ (ภาพจาก J. Fan, B. Jia, M. Gu, Photon Research, 2(2014)111-120)

 

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบ perovskiteจะมีประสิทธิภาพสูงและมีข้อดีหลายประการ แต่เซลล์แสงแบบดังกล่าว ยังคงมีข้อจำกัดที่ต้องทำการปรับปรุงแก้ไข กล่าวคือperovskiteมักจะทำจากสารที่มีธาตุตะกั่วเป็นองค์ประกอบ เช่น CH3NH3PbI3ดังนั้นงานวิจัยบางส่วนจึงได้เริ่มมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาเซลล์ฯ จากสาร perovskiteชนิดที่ปราศจากตะกั่ว เช่น โดยการใช้ CH3NH3SnI3 [12]

ข้อจำกัดประการที่ 2 คือการที่สาร perovskite  ส่วนใหญ่จะไม่ทนต่อความชื้นแม้ว่าจะมีรายงานการวิจัยบางเรื่อง แสดงให้เห็นว่าเซลล์ฯ ที่ในโครงสร้างมีการใช้perovskiteร่วมกัน2 ชนิด จะมีสมบัติด้านการทนความชิ้นที่ดีขึ้น [12] แต่อย่างไรก็ตาม ในการประกอบเซลล์ยังคงต้องมีการป้องกันออกซิเจนและความชื้นด้วยการพัฒนาระบบห่อหุ้มเซลล์ ซึ่งปัจจุบัน พบว่ามีการใช้เทคนิคการหลอมแก้ว (glass frit) [14] และการใช้ฟิล์ม surlynในการผนึกระหว่างชั้นเซลล์กับชั้นวัสดุโปร่งใสที่เคลือบอยู่ด้านบน [12]  นอกจากนั้น ด้วยการที่สาร perovskiteสามารถเปลี่ยนเฟสได้ที่อุณหภูมิ 55 องศาเซลเซียส  ดังนั้น เพื่อเป็นการยืนยันก่อนที่ perovskiteจะถูกนำไปใช้งานจริง จึงควรต้องทีการศึกษาทดสอบความทนทานและอายุการใช้งาน ของเซลล์ดังกล่าวฯ

 

เอกสารอ้างอิง

[1] Anonymous, 2014, Types of Solar Cells [Online], Available: http://www.solartech-usa.com/types-of-solar-cells [2014, January 13]

[2] Anonymous, 2010, Classification of Solar Cell Technologies [Online],Available: http://sovoxglobal.com/cell_classification.html [2014, January 13]

[3]

[4] Burschka, J., Pellet, N., Moon,S.-J., Humphry-Baker,R.,   Gao, P., Nazeeruddin M. K. andGrätzel, M., 2013, “Sequential Deposition as a Route to High-Performance perovskite-Sensitized Solar Cells”, Nature, Vol. 499, pp. 316–319.

[5] Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y. and Miyasaka, T., 2009, “Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells”, Journal of the American Chemical Society, Vol. 131, pp. 6050–6051.

[6] Chen, C., Li, C., Li, F., Wu, F., Tan, F., Zhai, Y. and Zhang, W., 2014, “Efficient Perovskite Solar Cells based on Low-Temperature Solution-Processed (CH3NH3)PbI3Perovskite/CuInS2 Planar Heterojunctions”, Nanoscale Research Letters, Vol. 9, pp. 457-464.

[7] Xing, G., Mathews., Sun, S., Lim, S. S., Lam, Y. M., Grätzel, M., Mhaisalkar,S. andSum,T. C., 2013, “Long-Range Balanced Electron- and Hole-Transport Lengths in Organic-Inorganic CH3NH3PbI3”, Science,Vol. 342,pp. 344-347.

[8] Liu, M.,Johnston, M. B. and Snaith, H. J., 2013, “Efficient Planar HeterojunctionPerovskiteSolar cells by Vapour Deposition”, Nature, Vol. 501, pp. 395-398.

[9] Eperon, G. E., Burlakov, V. M., Docampo, P., Goriely, A. andSnaith, H. J., 2013, “Morphological Control for High Performance, Solution-Processed Planar HeterojunctionPerovskite Solar Cells”, Advanced Functional Materials, Vol. 24, pp. 151–157.

[10] Lee, M. M., Teuscher, J., Miyasaka, T., Murakami, T. N. andSnaith, H. J., 2013, “Efficient Hybrid Solar Cells Based on Meso-SuperstructuredOrganometal Halide Perovskites”, Science, Vol. 338, pp. 643-647.

[11] NREL, 2014, Research Cell Efficiency Records [Online], Available: http://www.nrel.gov /ncpv/images/efficiency_chart.jpg [2014, January 13]

[12] Hao,F., Stoumpos, C. C., Cao, D. H., Chang,  R. P. H. andKanatzidis, M. G., 2014, “Lead-Free Solid-State Organic–Inorganic Halide PerovskiteSolar Cells”, Nature Photonics, Vol. 8, pp. 489-494.