ปฏิวัติวงการโซลาร์เซลล์ ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์ “Halide Perovskite”

เทคโนโลยีแผงโซลาร์เซลล์

เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ชนิดใหม่ Halide Perovskite ดูเริ่มจะมีความคืบหน้าในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีนี้มีการผลิตไฟฟ้าที่มีทั้งประสิทธิภาพสูงและต้นทุนต่ำ ซึ่งเป็นสององค์ประกอบที่จำเป็นสำหรับเทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ในอนาคต แต่วัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดนี้ควรมีความเสถียรให้ได้เหมือนกับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดซิลิกอน ที่มีความน่าเชื่อถือมามากกว่า 25 ปี

ในงานวิจัยที่ตีพิมพ์ใหม่ ทีมงานนำโดย Juan Pablo Correa-Baena ผู้ช่วยศาสตราจารย์จาก School of Materials Sciences and Engineering ที่ Georgia Tech

แสดงให้เห็นว่าเซลล์แสงอาทิตย์ ชนิด Halide Perovskite มีความเสถียรน้อยกว่าที่เคยคิดไว้ ผลงานของพวกเขาเผยให้เห็นความไม่เสถียรทางความร้อนที่เกิดขึ้นภายในชั้นอินเทอร์เฟซของเซลล์ แต่ถึงอย่างนั้นงานวิจัยของพวกเขาก็ตีพิมพ์ในวารสาร Advance Materials เดือนธันวาคม 2022 สร้างความฮือฮาต่อนักวิชาการและผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์

การทำให้เซลล์แสงอาทิตย์ชนิด Halide Peroskite  เปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างเหนือชั้น ในปัจจุบันกลยุทธ์อย่างมีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานไฟฟ้าออกจากเซลล์เหล่านี้ คือการรักษาพื้นผิวด้วยไอออนที่มีประจุบวกขนาดใหญ่ ที่เรียกว่าไอออนบวก

แคตไอออนเหล่านี้ใหญ่เกินไปที่จะใส่เข้าไปในโครงตาข่ายระดับอะตอมของเพอร์รอฟสไกต์ และเมื่อตกลงบนคริสตัลเพอร์รอฟสไกต์ จะเปลี่ยนโครงสร้างของวัสดุในส่วนต่อประสานที่พวกมันถูกสะสมไว้ ข้อบกพร่องในระดับอะตอมนี้จึงจำกัดประสิทธิภาพของการสะกัดกระแสไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์ แม้จะมีการรับรู้ถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเหล่านี้ แต่การวิจัยว่าแคตไอออนมีความเสถียรแม้มีข้อจำกัดนี้  ยังทำให้เกิดช่องว่างของการทำความเข้าใจกระบวนการที่อาจส่งผลต่อความเชื่อมั่นในการใช้งานเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดเพอร์รอฟสไกต์

ขั้นแรกนักวิจัยนำตัวอย่างที่ผ่านอุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 40 นาที จากนั้นวัดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีโดยใช้เอ็กซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี พวกเขายังใช้เอ็กซ์เรย์อีกประเภทนึงในการตรวจสอบอย่างแม่นยำว่าโครงสร้างผลึกประเภทใดก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของฟิล์ม เมื่อรวบรวมข้อมูลจากทั้งสองเครื่องมือก็ทำนักวิจัยสามารถเห็นภาพว่าไอออนบวกกระจายตัวเข้าไปในตาข่ายได้อย่างไร และโครงสร้างส่วนต่อประสานเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อสัมผัสกับความร้อน


ต่อมา เพื่อทำความเข้าใจว่าการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เกิดจากไออนบวกส่งผลต่อประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์อย่างไร นักวิจัยได้ใช้สเปกโทรสโกปีร่วมกับคาร์ลอส ซิลวา ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และเคมีที่จอร์เจียเทค เทคนิคนี้ทำให้เซลล์แสงอาทิตย์ได้รับแสงเร็วมาก และสามารถตรวจจับความเข้มแสงที่ปล่อยออกมาจากฟิล์มหลังจากได้รับแสง เพื่อทำความเข้าใจว่าพลังงานจากแสงสูญเสียไปอย่างไร การวัดยังช่วยให้นักวิจัยเข้าใจว่าข้อบกพร่องของพื้นผิวใดที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน


ในที่สุดทีมงานได้เชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและคุณสมบัติของออปโตอิเล็กทรอนิกส์กับความแตกต่างของประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ พวกเขายังศึกษาการเปลี่ยนแปลงของไออนบวกเมื่อเจออุณหภูมิสูง ในไออนบวกที่ใช้กันแพร่หลายมากที่สุดสองชนิด และสังเกตความแตกต่างของไดนามิที่ส่วนต่อประสาน

“งานของเราค้นพบว่ามีส่วนที่ยังไม่เสถียรจากไออนบวกบางชนิด” คำกล่าวของ Carlo Perini นักวิทยาศาสตร์การวิจัยในห้องทดลองของ Correa-Baena และผู้เขียนรายงานคนแรก “แต่ข่าวดีก็คือ ด้วยการใช้หลักวิศวกรรมที่เหมาะสมของเลเยอร์อินเตอร์เฟซ เราจะเห็นความเสถียรที่เพิ่มขึ้นของเทคโนโลยีนี้ในอนาคต”