ทำไม Perovskite (เพอร์รอฟสไกต์) อาจเป็นคำตอบใหม่ของพลังงานแสงอาทิตย์ที่สร้างเป็นโซลาร์เซลล์ได้ดีกว่าซิลิคอน

หากพูดถึงการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ หลายคนน่าจะนึกถึงโซลาร์เซลล์ที่ติดอยู่บนหลังคาใช่ไหมครับ ทีนี้ตัวแผงโซลาร์เซลล์นั้นส่วนใหญ่ทำมาจากซิลิคอน (Silicon) ซึ่งเป็นวัสดุหลักที่ผ่านกระบวนการทางวิทยาศาสตร์จนกลายเป็น ผลึกซิลิคอน (Crystalline Silicon) เพื่อใช้เป็นหัวใจหลักในการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้าครับ

ทว่าซิลิกอนมีข้อจำกัดอยู่ที่ความแข็งและหนัก ทำให้ติดตั้งได้เฉพาะในรูปแบบเดิมๆ อีกทั้งเวลาโดนบังแสงบางส่วน มักเกิดกระแสย้อนกลับทำให้แผงร้อนและเสื่อมเร็ว ต้องพึ่ง bypass diode ซึ่งทำหน้าที่เป็นวงจรสำรอง โดยจะนำกระแสไฟฟ้าบายพาสผ่านส่วนที่ถูกบดบังของแผงโซลาร์เซลล์

และในช่วงสิบปีที่ผ่านมา กระแสการเร่งเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานสะอาดทำให้โซลาร์เซลล์กลายเป็นหัวใจหลักของระบบพลังงานแห่งอนาคต แต่โซลาร์เซลล์ซิลิคอนแบบเดิม (Silicon PV) เริ่มมีขีดจำกัดในด้านประสิทธิภาพ การออกแบบตอนที่ติดตั้ง และต้นทุนที่ยากจะลดลงกว่าเดิม ส่งผลให้เกิดความต้องการถึงวัสดุใหม่ที่สามารถยืดหยุ่นด้านการใช้งานได้ดีกว่า

จนกระทั่ง Wazzadu Low Carbon Material Library พบกับข้อมูลนวัตกรรมตัวหนึ่งที่น่าสนใจ นั่นคือ “Perovskite” (เพอร์-รอฟ-สไกต์) ที่กำลังถูกจับตามองในฐานะหนึ่งในเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียนที่ช่วยแก้ pain point ของวัสดุเดิมได้ครับ

มาดูกันว่า Perovskite น่าสนใจยังไงครับ

Perovskite (เพอร์รอฟสไกต์) คืออะไร?

Perovskite เป็นกลุ่มของวัสดุสังเคราะห์ที่มีโครงสร้างผลึกซึ่งเลียนแบบแร่ธรรมชาติที่ชื่อว่า Calcium Titanate (แคลเซียมไททาเนต) ถูกค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ.1839 ในเทือกเขาอูรัล โดยปัจจุบันวัสดุเหล่านี้สามารถผลิตได้จากสารประกอบที่มีอยู่ทั่วไป เช่น โบรมีน คลอรีน ตะกั่ว และดีบุก

คุณสมบัติของ Perovskite แก้ปัญหาอย่างไร?

1. เพิ่มประสิทธิภาพด้วยโครงสร้างวัสดุที่ตอบสนองแสงได้ดีกว่า

Perovskite มีคุณสมบัติด้านการดูดซับแสงและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงมาก จึงทำให้สามารถแปลงแสงเป็นไฟฟ้าได้มีประสิทธิภาพกว่าซิลิคอนแบบเดิม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อทำเป็น Tandem Cell ร่วมกับซิลิคอน ทำให้ทะลุเพดานประสิทธิภาพเดิมของมนุษย์ (33%) ไปได้อย่างมีนัยสำคัญ

*Tandem Cell : โซลาร์เซลล์ประสิทธิภาพสูง ที่สร้างขึ้นจากการซ้อนทับกันของเซลล์สองชนิดเข้าด้วยกัน โดยทั่วไปคือการซ้อน เซลล์ Perovskite (ด้านบน) และ เซลล์ซิลิคอน (ด้านล่าง)

2. เป็นวัสดุที่บาง เบา มีความยืดหยุ่น

จึงแตกต่างจากแผงซิลิคอนที่แข็งและหนัก ทำให้การเปลี่ยนโซลาร์เซลล์ที่ผลิตจาก Perovskite นั้นสามารถติดตั้งได้ทุกที่ เพราะ Perovskite สามารถทำเป็นฟิล์มบางแบบเคลือบหรือฉีดพ่นบนวัสดุได้แทบทุกชนิด

ตัวอย่างการติดตั้งโซลาร์เซลล์ที่สามารถอยู่บนจุดต่างๆ เช่น

• กระจกอาคาร (เป็นทั้งหน้าต่างและแหล่งผลิตไฟฟ้า)
• ผนังอาคารแนวตั้ง
• โครงสร้างเบาในงานสถาปัตยกรรม
• หลังคารถยนต์ไฟฟ้า
• อุปกรณ์อวกาศที่ต้องการน้ำหนักเบาเป็นพิเศษ

เท่ากับถ้าใช้ผลิตขึ้นมา การใช้งานโซลาร์เซลล์จะหลุดกรอบจากแผงติดตั้งแบบเดิมไปอย่างสิ้นเชิง

3. ต้นทุนการผลิตต่ำกว่า

Perovskite สามารถผลิตได้ในอุณหภูมิต่ำด้วย จากการใช้กระบวนการแบบสารละลาย (Solution Processing) ที่เป็นกระบวนการคล้ายการเคลือบฟิล์ม จึงลดต้นทุนอุปกรณ์และพลังงานลงอย่างมาก เมื่อเทียบกับการเตรียมซิลิคอนที่ต้องใช้ความร้อนสูงหลายขั้นตอน ทำให้ต้นทุนต่อวัตต์ของโซลาร์ลดลงในระดับอุตสาหกรรม

4. แก้ปัญหาความเสถียรด้วยการออกแบบฟิล์มและชั้นป้องกันใหม่

ความท้าทายหลักของ Perovskite คือความชื้นและความร้อนที่ทำให้เซลล์เสื่อมเร็ว รวมถึงปัญหา Reverse Bias (การจ่ายแรงดันไฟฟ้า) เมื่อแผงถูกบังแสงบางส่วน และมีงานวิจัยล่าสุดที่สามารถแก้ไขได้ ด้วยการผลิตฟิล์มที่ไร้รูพรุนเพื่อป้องกันการลัดวงจรกับเพิ่มชั้นเคลือบโมเลกุลฟลูออรีนเพื่อเสริมความเสถียร จนสามารถยืดอายุการใช้งานของโซลาร์เซลล์ภายใต้แสงแดดเป็นเวลาหลายร้อยถึงหลายพันชั่วโมงได้ โดยที่ประสิทธิภาพแทบไม่ลดลง

ปัจจุบันนี้ Perovskite Solar Cell ยังไม่ได้ใช้แพร่หลายในตลาดทั่วไป แบบที่เห็นขายเป็นแผงให้ติดตั้งบนหลังคาบ้านครับ เพราะยังต้องพิสูจน์เรื่องความทนทานและอายุการใช้งานระยะยาวให้ได้เท่าหรือใกล้เคียงกับแบบแผงซิลิคอนที่อยู่ได้เป็นสิบปี

แต่ว่านวัตกรรมนี้ มีการนำไปใช้งานจริงในภาคสนามที่ยังทดลองในรูปแบบ แผงโซลาร์แบบผสม หรือแบบ Tandem ที่รวม Perovskite กับซิลิคอน โดยบริษัทต่างประเทศหลายราย อาทิ บริษัท Oxford PV และ Caelux ที่กำลังทดสอบและเตรียมทยอยปล่อยผลิตภัณฑ์สู่ตลาดครับ

ขอบคุณข้อมูลจาก :

https://www.bangkokbiznews.com

https://www.thep-center.org

ขอบคุณรูปประกอบจาก :

https://www.tbsnews.net

https://markpeak.net

https://www.salika.co