เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่ ที่สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้จากฝนและแสงแดด

          ตามที่เราทราบกันดีว่าเซลล์แสงอาทิตย์ (หรือโซลาร์เซลล์) สามารถแปลงพลังงานแสงให้กลายเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ อย่างไรก็ตาม ด้วยข้อจำกัดของช่วงเวลาการกักเก็บพลังงาน กล่าวคือ สามารถกักเก็บพลังงานในช่วงเวลาที่มีแสงแดดตอนกลางวันเท่านั้น จึงทำให้เซลล์แสงอาทิตย์ไม่สามารถเป็นแหล่งพลังงานหลักที่ถูกนำมาใช้ในชีวิตประจำวันได้ ดังนั้น การมุ่งเน้นพัฒนาโครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์แบบใหม่จึงเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้อุปกรณ์ผลิตพลังงานชนิดนี้ สามารถผลิตพลังงานได้ตลอดเวลา ในขณะที่ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ไม่ด้อยลง


          เมื่อไม่นานมานี้ ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยซูโชว (Soochow University) ประเทศจีน ได้ออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่ที่สามารถกำเนิดพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพขณะฝนตก [1] ทำให้เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้สามารถกำเนิดพลังงานไฟฟ้าได้ตลอด 24 ชั่วโมง แม้ในเวลากลางคืน ถ้ามีฝนตกเกิดขึ้น 

เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่ที่สามารถกำเนิดพลังงานไฟฟ้าขณะฝนตก ^[1]

          โครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้เป็นแบบผสม (Hybrid) ซึ่งประกอบไปด้วย 2 ส่วนหลัก นั่นคือ ส่วนของเซลล์แสงอาทิตย์ Silicon (Si)/poly(3,4-ethylendioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PE-DOT:PSS) ที่จะทำการแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า และส่วนของแหล่งผลิตพลังงานขนาดเล็กไทรโบอิเล็กทริก (Triboelectric nanogenerator, TENG) ที่มีโพลิเมอร์ โพลิไดเมทิลไซลอกเซน (polydimethylsiloxane, PDMS) เป็นส่วนประกอบหลัก เพื่อใช้แปลงแรงเชิงกลจากการตกกระทบของเม็ดฝนให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ซึ่งทั้งสองส่วนนี้มีการทำงานประสานกัน (Coupling) ตลอดเวลา ถ้าสภาพอากาศขณะนั้นเป็นช่วงเวลากลางวัน และมีฝนตก 

แบบโครงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ Si/PE-DOT:PSS และผลทางไฟฟ้าที่ได้หลังจากการถูกฉายแสง ^[1]

          ทั้งนี้ในส่วนแรกสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ Si/PE-DOT:PSS นั้น จะมีโครงสร้างเป็นแบบเฮทเทอโรจังก์ชัน (Heterojunction) ระหว่างชั้น n ของ Si กับชั้น PE-DOT:PSS พร้อมทั้งมีขั้วไฟฟ้าเงิน (Silver, Ag) และอะลูมิเนียม (Aluminum, Al) ทางด้านบนและด้านล่างของโครงสร้าง ตามลำดับ เมื่อทำการทดลองฉายแสงด้วยเครื่องจำลองแสงอาทิตย์ (AM 1.5) ที่ความเข้มแสง 100 mW/cm² พบว่าสามารถผลิตแรงดันไฟฟ้าเปิดวงจร (Open-circuit voltage) และความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าลัดวงจร (Short-circuit current density) ประมาณ 0.63 โวลต์ และ 29 mA/cm² ซึ่งจะได้ค่าปัจจัยเติมเต็ม (Fill factor, FF) ประมาณ 0.75 และประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน ประมาณ 13%

แบบโครงสร้าง TENG ที่ทำการรวมกับโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์ Si/PE-DOT:PSS และผลทางไฟฟ้าที่ได้เมื่อมีหยดน้ำมาตกกระทบ ^[1]

          เพื่อที่จะทำให้เซลล์แสงอาทิตย์ Si/PE-DOT:PSS มีความสามารถในการกำเนิดพลังงานมากขึ้น หลักการไทรโบอิเล็กทริก (Triboelectricity) ได้ถูกนำมาประยุกต์ใช้ โดยการเพิ่มชั้น PDMS ที่มีการทำลวดลาย (Imprint) ไว้บนเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งปกติแล้วหลักการไทรโบอิเล็กทริกจะสอดคล้องกับปรากฏการณ์ไฟฟ้าสถิต (Electrostatic phenomenon) ซึ่งเมื่อวัตถุสองชนิดเกิดการเสียดสีกัน จะมีประจุไฟฟ้าเกิดขึ้น หลักการไทรโบอิเล็กทริกได้นำมาสร้างเป็นอุปกรณ์ TENG ครั้งแรก ในปี ค.ศ. 2012 โดยทีมวิจัยของศาสตราจารย์ Zhong Lin Wang จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งจอร์เจีย ประเทศสหรัฐอเมริกา ^[2] เนื่องจากอุปกรณ์ TENG มีประสิทธิภาพสูง ทำเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนได้ง่าย ประยุกต์ใช้งานง่าย และมีต้นทุนการสร้างที่ต่ำ จึงทำให้อุปกรณ์ชนิดนี้ได้รับความนิยมอย่างรวดเร็ว ^[3] ตามทฤษฎีแล้ววัสดุ 2 ชนิด ที่จะใช้นำมาเสียดสีกัน ต้องมีความสามารถในการถ่ายเทประจุไฟฟ้าได้ดี ^[4] วัสดุชนิดแรกต้องมีแนวโน้มการให้ประจุลบได้ดี ส่วนอีกชนิดหนึ่งต้องมีความสามารถในการถ่ายเทประจุบวกได้ดี เพราะฉะนั้น การเสียดสีของวัสดุทั้ง 2 ชนิดนี้ จะทำให้เกิดประจุไฟฟ้าบนพื้นผิวของแต่ละวัสดุได้ โดยทั่วไปแล้ว TENG มีโครงสร้างหลายแบบ ดังงานวิจัยที่กล่าวมานี้ ได้เลือกใช้โครงสร้างที่การทำงานเป็นแบบอิเล็กโทรดเดี่ยว (Single electrode) ^[5] โดยมีหยดน้ำ และ PDMS เป็นวัสดุเสียดสีหลัก เมื่อหยดน้ำจากฝนลงมาตกกระทบบนผิว PDMS จะเกิดประจุลบบนพื้นผิว PDMS ตามปรากฏการณ์ไฟฟ้าสถิต เนื่องจาก PDMS มีประจุส่วนเกินอยู่บนพื้นผิว ทำให้เกิดการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต (Electrostatic induction) ให้ชั้น PE-DOT:PSS ที่อยู่ด้านล่าง มีประจุไฟฟ้าบวกเกิดขึ้น การถ่ายเทประจุจะทำให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอน (กระแสไฟฟ้าไหล) จนกระทั่งมีการเหนี่ยวไฟฟ้าสถิตเสร็จสมบูรณ์ (มีความเป็นกลางทางไฟฟ้า) ซึ่งที่ชั้น PE-DOT:PSS จะมีปริมาณประจุบวกเท่ากับประจุลบของชั้น PDMS เมื่อทำการทดลองปล่อยหยดน้ำที่มีปริมาณ และความเร็วคงตัว ลงบนแผ่นเซลล์ พบว่าได้สัญญาณเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ ที่มีค่าแรงดันไฟฟ้าเปิดวงจร และกระแสไฟฟ้าลัดวงจรประมาณ 1.8 โวลต์ และ 30 nA ตามลำดับ

แบบโครงสร้างของเซลล์แสงอาทิตย์สงอาทิตย์ชนิดใหม่ และผลการทดลองในเชิงปฏิบัติ ^[1]

          สำหรับการทดสอบการทำงานในเชิงปฏิบัติ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่ซึ่งเกิดจากการรวมตัวกันของโครงสร้าง TENG และเซลล์แสงอาทิตย์ Si/PE-DOT:PSS ได้ถูกนำมาทำการทดลอง โดยการปล่อยหยดน้ำลงบนตัวเซลล์ ในขณะมีแสงคงที่ และมีการต่อวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ไดโอด (Diode Bridge Rectifier) เพื่อใช้แปลงสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับที่ผลิตได้จาก TENG จากการทดลองพบว่า ค่ากระแสไฟฟ้าขาออกที่มีการแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสตรงแล้วมีค่าประมาณ 24.2 นาโนแอมแปร์ สัญญาณทางไฟฟ้าที่ได้นี้ได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้เพื่อชาร์จและดิสชาร์จใส่ตัวเก็บประจุอย่างต่อเนื่องในระยะเวลาช่วงหนึ่ง ซึ่งสามารถประยุกต์ใช้งานได้ จึงเป็นการยืนยันคุณลักษณะการใช้งานในเชิงปฏิบัติของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้เป็นอย่างดี


          งานวิจัยนี้ได้ข้อสรุปว่า เมื่อมีฝนตกและแสงแดดในตอนกลางวัน เม็ดฝนและแสงแดดที่ตกกระทบบนเซลล์แสงอาทิตย์ จะทำงานประสานกัน ทำให้ประสิทธิภาพการผลิตพลังงานไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่นี้มากยิ่งขึ้น แม้แต่ในตอนกลางคืนที่ฝนตกและไม่มีพลังงานแสง เซลล์แสงอาทิตย์นี้ก็ยังสามารถทำงานผลิตไฟฟ้าได้ตามหลักการไทรโบอิเล็กทริก ถึงแม้ว่าเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้มีข้อด้อยตรงที่ สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าในตอนกลางคืน เมื่อฝนตกเท่านั้น โดยเมื่อไม่มีฝนตกก็จะมีลักษณะเหมือนเซลล์แสงอาทิตย์ทั่วไป อย่างไรก็ตามงานวิจัยนี้ก็ถือว่าเป็นจุดเริ่มต้นที่สำคัญ ที่นักวิทยาศาสตร์พยายามวิจัยและพัฒนาให้เซลล์แสงอาทิตย์สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด 

เรียบเรียงโดย

ดร.สายชล ศรีแป้น
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

อ้างอิง

• [1] Y. Liu et al., Integrating a silicon solar cell with a triboelectric nanogenerator via a mutual electrode for harvesting energy from sunlight and raindrops, ACS Nano 12 (2018), 2893 – 2899.
• [2] F. -R. Fan, Z. -Q. Tian, and Z. L. Wang, Flexible triboelectric generator!, Nano Energy 1 (2012), 328 – 334.
• [3] K. Parida et al., Progress on triboelectric nanogenerator with stretchability, self,-healability and bio-compatibility, Nano Energy 59 (2019), 237 – 257.
• [4] Insulating Yourself from the Effects of Static Electricity.http://www.screenweb.com/content/insulating-yourself-effects-static-electricity#.XJZIQSgzbBU(สืบค้นเมื่อ 12 เมษายน พ.ศ. 2562)
• [5] S. Niu, and Z. L. Wang, Theoretical systems of triboelectric nanogenerators, Nano Energy 14 (2015), 161 – 192.