Krongkwun Rithiwong
นักวิจัยพัฒนา Solar Cell ใช้อิเล็กโทรดเงิน ลดการสูญเสียพลังงานจากแสงที่ปล่อยออกมา เพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานได้ถึง 43%
นักวิจัยพัฒนา Solar Cell ใช้อิเล็กโทรดเงิน ตั้งเป้าเพิ่มประสิทธิภาพสูงถึง 43%
นักวิจัยจากสถาบัน Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO) ในเมืองบาร์เซโลนา ประเทศสเปน ประกาศความก้าวหน้าในการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ ด้วยการใช้อิเล็กโทรดที่ทำจากเงิน (Silver-based Electrode) ซึ่งอาจช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าให้สูงกว่าขีดจำกัด 33% ของเซลล์แสงอาทิตย์แบบชั้นเดียวทั่วไป
เทคโนโลยีดังกล่าวมีศักยภาพเพิ่มประสิทธิภาพได้ใกล้เคียง 43% ในทางทฤษฎี แต่การทดลองจริงในห้องปฏิบัติการขณะนี้ยังพบการเพิ่มขึ้นของประสิทธิภาพเพียงเล็กน้อยเท่านั้น
ขีดจำกัด 33% ของเซลล์แสงอาทิตย์คืออะไร
โดยทั่วไป เซลล์แสงอาทิตย์ไม่สามารถเปลี่ยนพลังงานจากแสงแดดทั้งหมดให้กลายเป็นไฟฟ้าได้ เนื่องจากพลังงานบางส่วนสูญเสียไปในรูปแบบความร้อนและแสง
ตามหลักฟิสิกส์ที่เรียกว่า Shockley-Queisser Limit เซลล์แสงอาทิตย์แบบรอยต่อเดียว (Single-junction Solar Cell) มีขีดจำกัดประสิทธิภาพการแปลงพลังงานอยู่ที่ประมาณ 33% ภายใต้เงื่อนไขมาตรฐาน
หนึ่งในสาเหตุของการสูญเสียพลังงานคือปรากฏการณ์ Boltzmann Loss ซึ่งเกี่ยวข้องกับการปล่อยแสงกลับออกมาจากเซลล์แสงอาทิตย์ เมื่อโฟตอนจากแสงอาทิตย์กระทบวัสดุสารกึ่งตัวนำ จะกระตุ้นอิเล็กตรอนให้เกิดการเคลื่อนที่และนำไปผลิตกระแสไฟฟ้า แต่ไม่ใช่อิเล็กตรอนทั้งหมดจะถูกนำไปใช้งานได้ บางส่วนเกิดการรวมตัวกลับและปล่อยพลังงานออกมาเป็นโฟตอน ซึ่งอาจอยู่ในช่วงแสงอินฟราเรด แสงเหล่านี้สามารถกระจายออกจากเซลล์ได้หลายทิศทาง ทำให้พลังงานบางส่วนสูญเสียไปโดยไม่ถูกเปลี่ยนเป็นไฟฟ้า
เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าว ทีมวิจัย ICFO ได้ปรับปรุงส่วนประกอบของเซลล์แสงอาทิตย์ โดยเปลี่ยนอิเล็กโทรดโปร่งใสด้านหน้า ซึ่งเป็นบริเวณที่แสงอาทิตย์ส่องผ่านเข้าสู่เซลล์
เดิมทีอิเล็กโทรดส่วนนี้มักใช้วัสดุ Indium Tin Oxide (ITO) ที่มีคุณสมบัตินำไฟฟ้าและยอมให้แสงผ่านได้ แต่ทีมวิจัยเลือกใช้ชั้นเงินที่มีความบางเป็นพิเศษแทน โดยมีคุณสมบัติสำคัญ 3 ประการ ได้แก่
- ยอมให้แสงส่วนใหญ่ส่องผ่านเข้าสู่เซลล์แสงอาทิตย์ได้
- สามารถนำไฟฟ้าเพื่อส่งผ่านกระแสไฟฟ้าที่ผลิตขึ้น
- มีคุณสมบัติสะท้อนแสงบางส่วนคล้ายกระจก ช่วยจำกัดทิศทางที่แสงสามารถหลุดออกจากเซลล์
วิธีนี้ช่วยลดการสูญเสียพลังงานจากการปล่อยแสงออกไปในหลายทิศทาง และส่งผลให้ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานเพิ่มขึ้น
Dr. Francisco Bernal Texca ผู้เขียนหลักของงานวิจัย ระบุว่าการศึกษาครั้งนี้ถือเป็นความก้าวหน้าสำคัญในด้านการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ เพราะเปิดแนวทางใหม่ที่ยังไม่เคยมีการสำรวจมาก่อน สำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพให้สูงกว่าขีดจำกัด Shockley-Queisser
โอกาสเพิ่มประสิทธิภาพได้ถึง 43% ทางทฤษฎี
ทีมวิจัยอธิบายว่า แนวทางดังกล่าวมีลักษณะคล้ายการสร้างกล่องที่มีกระจกสะท้อนแสง เพื่อควบคุมทิศทางการปล่อยแสงจากเซลล์แสงอาทิตย์
แม้แนวคิดการควบคุมแสงลักษณะนี้จะเคยได้รับการศึกษามาก่อน แต่ยังไม่มีทีมวิจัยใดสามารถนำมาใช้งานในห้องปฏิบัติการได้สำเร็จ พร้อมเพิ่มทั้งแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าในเวลาเดียวกัน
ผลการทดลองของ ICFO แสดงให้เห็นว่าแนวทางนี้สามารถทำงานได้จริง และหากได้รับการพัฒนาเพิ่มเติม นักวิจัยประเมินว่าอาจเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานได้ใกล้เคียง 43%
อย่างไรก็ตาม ตัวเลข 43% ยังเป็นการคาดการณ์ทางทฤษฎี ไม่ใช่ประสิทธิภาพที่ทำได้จริงจากการทดลองในปัจจุบัน โดยผลการทดสอบล่าสุดพบว่าประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น
เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์แบบซ้อนชั้นก็พัฒนาอย่างต่อเนื่อง
นอกจากการลดการสูญเสียพลังงานจากแสงแล้ว นักวิจัยยังพยายามแก้ปัญหาการสูญเสียพลังงานในรูปแบบอื่น ๆ โดยเฉพาะความร้อน และโฟตอนที่มีพลังงานต่ำเกินกว่าจะนำมาผลิตไฟฟ้าได้
หนึ่งในแนวทางที่ได้รับความสนใจคือการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์แบบซ้อนชั้น (Tandem Solar Cell) ซึ่งใช้วัสดุหลายชนิดที่มีค่า Bandgap แตกต่างกัน เพื่อดูดซับแสงในช่วงความยาวคลื่นที่เหมาะสมกับวัสดุแต่ละชั้น
ตัวอย่างเช่น LONGi ผู้ผลิตเซลล์แสงอาทิตย์จากจีน ซึ่งประกาศสถิติประสิทธิภาพ 35.5% เมื่อเดือน ก.ค. 2026 ด้วยการนำวัสดุ Perovskite มาซ้อนกับเซลล์ซิลิคอนแบบดั้งเดิม ข้อดีของ Perovskite คือสามารถปรับค่า Bandgap เพื่อให้ดูดซับแสงในช่วงความยาวคลื่นที่ต้องการได้ ช่วยให้ระบบนำพลังงานจากแสงอาทิตย์มาใช้ประโยชน์ได้มากขึ้น
ก่อนหน้านี้ นักวิจัยจาก Kyushu University และ Johannes Gutenberg University Mainz ยังประกาศผลการศึกษาที่สามารถสร้าง Quantum Yield ได้สูงถึง 130% ด้วยเทคนิค Singlet Fission อาศัยการแยกพลังงานจากโฟตอนพลังงานสูง เพื่อสร้างสถานะกระตุ้นที่สามารถนำไปใช้กระตุ้นอิเล็กตรอนได้มากกว่าหนึ่งตัว ในการทดลอง นักวิจัยสามารถสร้างหน่วยพลังงานที่นำไปใช้กระตุ้นได้ 13 หน่วย จากโฟตอนที่รับเข้ามา 10 ตัว
อย่างไรก็ตาม Quantum Yield 130% ไม่ได้หมายความว่าเซลล์แสงอาทิตย์แปลงพลังงานเป็นไฟฟ้าได้ 130% เพราะเป็นการวัดจำนวนผลผลิตจากกระบวนการระดับควอนตัม ไม่ใช่ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานไฟฟ้าโดยตรง และเทคนิคนี้ยังต้องได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมก่อนจะนำไปใช้เพิ่มประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ได้จริง
แม้งานวิจัยแต่ละแนวทางจะใช้หลักการแตกต่างกัน แต่ทั้งหมดมีเป้าหมายร่วมกัน คือการผลิตกระแสไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ให้ได้มากขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่ติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์
หากเทคโนโลยีเหล่านี้สามารถพัฒนาไปสู่การผลิตเชิงพาณิชย์ได้สำเร็จ ก็อาจช่วยลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงาน และลดการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลในอนาคต
ที่มา: TechRadar
