นวัตกรรม "เพอร์โรฟสไกป์โซลาร์เซลล์" ฝีมือคนไทย การันตีมาตรฐานสากล

นักวิจัย จุฬาฯ คว้ารางวัลระดับโลก โชว์ผลงานโซลาร์เซลล์รุ่นใหม่ เพิ่มประสิทธิภาพกำลังการผลิตกระแสไฟฟ้า ประยุกต์เป็นหลากหลายผลิตภัณฑ์ การันตีมาตรฐานสากลและการพัฒนาพลังงานสะอาดที่ยั่งยืนเพื่อสังคม

สิ่งที่เราเคย “ว้าว!” ในภาพยนตร์ไซไฟ อาจกำลังกลายเป็นจริง วันที่เราๆ ท่านๆ จะกลายเป็นมนุษย์ไฟฟ้า ผลิตกระแสไฟฟ้าใช้เองได้จากเสื้อผ้าที่มีโซลาร์เซลล์ถักทอผสมอยู่ในเส้นใยผ้า หรือจากนาฬิกาข้อมือ โทรศัพท์มือถือ หรือแม้กระทั่งหมวกใบเก่ง

นี่คือโอกาสและศักยภาพของงานวิจัย “การพัฒนาเสถียรภาพให้กับโซลาร์เซลล์ชนิด “เพอรอฟสไกต์” (Perovskite Solar Cell)” โดย ดร.รงรอง เจียเจริญ จากสถาบันวิจัยโลหะและวัสดุ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย หนึ่งในสามนักวิจัยจากภูมิภาคอาเซียนที่เพิ่งคว้ารางวัล Green Talents Competition 2021 จากประเทศเยอรมนี เมื่อเร็วๆ นี้ โดยผลงานวิจัยดังกล่าวช่วยลบข้อจำกัดของโซลาร์เซลล์ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน และเพิ่มความสามารถให้โซลาร์เซลล์แปลงเป็นผลิตภัณฑ์รูปแบบต่างๆ ได้หลากหลาย

ข้อจำกัดโซลาร์เซลล์วันนี้

แผงโซลาร์เซลล์ในปัจจุบันมีข้อจำกัดหลายประการ อาทิ ปัญหาการผลิต แผงอุปกรณ์ขนาดใหญ่เทอะทะ และประสิทธิภาพการทำงานที่ลดลงเมื่ออยู่ในสภาพอากาศร้อนชื้น

“ส่วนมากแผงโซลาร์เซลล์บนหลังคาบ้านหรือที่ปรากฏในโซลาร์ฟาร์มเป็นโซลาร์เซลล์ประเภทซิลิกอน ซึ่งประสิทธิภาพจะลดลง 15% เมื่ออุณหภูมิบนแผงพุ่งสูงขึ้นราว 60-70 องศาเซลเซียส” ดร.รงรอง อธิบาย

นอกจากนี้ กระบวนการผลิตวัสดุในการทำแผงโซลาร์เซลล์ก็ยังมีความซับซ้อนและใช้อุณหภูมิสูง ซึ่งจะเป็นปัญหาอย่างมากหากโลกต้องใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์มากขึ้น

“โจทย์วิจัยครั้งนี้จึงต้องการแก้ปัญหาเรื่องวัสดุ กระบวนการผลิต และประสิทธิภาพของโซลาร์เซลล์ที่ต้องทำให้ผลิตกระแสไฟฟ้าได้เต็มที่แม้ในสภาพอากาศร้อนชื้นอย่างประเทศไทย”

โซลาร์เซลล์พันธุ์ใหม่ ทนร้อน กำลังผลิตเต็มร้อย

นอกจากแผงโซลาร์เซลล์ประเภทซิลิกอนแล้ว โซลาร์เซลล์อีกชนิดที่เริ่มเป็นที่นิยมและน่าศึกษาเพิ่มเติม คือ “เพอรอฟสไกต์โซลาร์เซลล์” (Perovskite Solar Cell) เนื่องจากมีประสิทธิภาพกำลังการผลิตกระแสไฟฟ้าเทียบเท่าซิลิกอน แต่ใช้วัสดุน้อยกว่า และทำงานได้ดีในช่วงอุณหภูมิที่กว้างกว่าซิลิกอน หรือสูงถึง 65 องศาเซลเซียส

“ความพิเศษของโซลาร์เซลล์ชนิดเพอรอฟสไกต์ นอกจากวัสดุจะบางและยืดหยุ่นแล้ว (บางเพียง 500 นาโนเมตร) ยังผลิตได้ง่ายและรวดเร็วด้วย เนื่องจากการขึ้นรูปเพอร์โรฟสไกป์โซลาร์เซลล์ใช้กระบวนการสารละลาย (solution process) คล้ายการพิมพ์หนังสือ ซึ่งมีข้อดีที่ทำบนพื้นผิวใดก็ได้ ไม่ว่าจะเป็นผืนผ้า บนลักษณะพื้นผิวโค้งงอ แม้แต่อุปกรณ์ชิ้นเล็กๆ ตรงนี้เองทำให้เราสามารถประยุกต์ใช้งานโซลาร์เซลล์ชนิดนี้ได้หลากหลายรูปแบบ เช่น นาฬิกาข้อมือ เส้นใยผ้า หมวก”

โซลาร์เซลล์คุณภาพมาตรฐานโลก

แม้จะมีข้อดีอยู่มาก แต่โซลาร์เซลล์พันธุ์ใหม่ก็ยังข้อจำกัด เช่น “ความเสถียร” สภาพอากาศที่ชื้น และแสงอัลตราไวโอเลต (UV) ที่อาจทำให้วัสดุหรือรอยต่อระหว่างชั้นโซลาร์เซลล์เปลี่ยนสภาพหากใช้งานเป็นเวลานาน ซึ่ง ดร.รงรองได้พยายามแก้โจทย์ดังกล่าว โดยตั้งแต่ปี 2558 ได้ทำงานร่วมกับสถาบันการศึกษาชั้นนำทั้งในและต่างประเทศ ศึกษาตั้งแต่การออกแบบการจัดเรียงชั้นวัสดุ พัฒนาชั้นวัสดุ ศึกษาเสถียรภาพของเพอร์โรฟสไกป์โซลาร์เซลล์ โดยนำไปใช้งานจริงในสภาพที่มีแสงอัลตราไวโอเลต ความชื้น และความต่างศักย์ เพื่อพิจารณาการคงประสิทธิภาพเทียบเท่าสภาวะปกติหรือไม่ ซึ่งผลจากงานวิจัยชิ้นนี้นำไปสู่การออกแบบตัวอุปกรณ์ การเลือกใช้วัสดุที่ได้รับการพัฒนาในลักษณะการห่อหุ้ม (encapsulation) ที่จะทำให้เสถียรภาพของเพอร์โรฟสไกป์โซลาร์เซลล์ผ่านมาตรฐานอุตสาหกรรม IEC 61215 (มาตรฐานที่ใช้อ้างอิงคุณภาพของแผงโซลาร์เซลล์ครั้งแรกในโลก)

“ในการทดสอบมาตรฐาน เราทดสอบด้วยการเร่งเวลา (accelerate test) คือการจำลองสภาพต่างๆ ที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในช่วง 25 ปี แต่ใช้เวลาไม่ถึง ก็สังเกตเห็นปัญหา ขณะที่ตัวห่อหุ้มอุปกรณ์และวัสดุในงานวิจัยครั้งนี้ ทำให้ผ่านมาตรฐานมาได้”

ดร.รงรอง กล่าวด้วยความภูมิใจว่าการได้รับรางวัล Green Talents Competition 2021 จากประเทศเยอรมนี เป็นเครื่องยืนยันมาตรฐานและประสิทธิภาพของผลงานที่บรรลุเป้าหมายความยั่งยืนของการพัฒนา (Sustainability Development Goals)

ปัจจุบัน ประเทศเนเธอร์แลนด์และอีกหลายประเทศได้มีการนำเอาโซลาร์เซลล์พันธุ์ใหม่ไปประยุกต์ใช้จริงกับโครงสร้างโซลาร์เซลล์หลากหลายรูปแบบแล้ว สำหรับอนาคตพลังงานสะอาดในประเทศไทย ดร.รงรอง กล่าวว่ายังต้องเดินหน้าวิจัยเพิ่มเติมเรื่องเสถียรภาพของโซลาร์เซลล์พันธุ์ใหม่เพื่อให้เหมาะกับสภาพอากาศที่ร้อนชื้น แต่มั่นใจว่าในอนาคตจะได้เห็นผลิตภัณฑ์โซลาร์เซลล์รูปแบบต่างๆ ที่ผลิตในประเทศแน่นอน