แปลและเรียบเรียง โดย มาริสา คุณธนวงศ์

หากท่านคิดว่าเนื้อหานี้มีประโยชน์มากน้อยแค่ไหน รบกวนโหวตให้คะแนนด้านบนด้วยนะคะ

ถาม : กลไกของตัวทำละลายพิเศษ (extra solvent) ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้กับโซลาร์เซลล์แบบพลาสติกได้อย่างไร

ตอบ :

ตัวทำละลายพิเศษ (extra solvent) หรือเรียกว่าตัวทำละลายร่วม (co-solvent) ที่ถูกเติมระหว่างกระบวนการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์แบบพลาสติกนั้น ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้กับเซลล์แสงอาทิตย์ได้ 2 – 3เท่าตัว เปรียบได้กับการทำงานของผงฟูกำลังหนึ่ง () หรือกำลังสอง () ที่ช่วยเรื่องการขึ้นฟูในแป้งโดว์

อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีใครทราบถึงกลไกที่เกิดขึ้นจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้เองที่ทีมวิจัยจาก Eindhoven University of Technology ได้นำเทคโนโลยีเชิงแสงมาช่วยวิเคราะห์จนได้คำตอบว่า ตัวทำละลายพิเศษนั้นช่วยเพิ่มประสิทธิภาพให้กับเซลล์แสงอาทิตย์แบบพลาสติกได้ด้วยการทำให้เกิดการรวมกลุ่มของพอลิเมอร์ตั้งแต่ระยะแรก ฟูลเลอรีนจึงไม่รวมตัวกลายเป็นฟองก่อนที่จะเข้ากระบวนการแข็งตัว เนื่องจากการเกิดฟองในเซลล์นั้นส่งผลลบต่อการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ ดังนั้น เมื่อเซลล์ที่ได้ไม่มีฟอง มันจึงมีประสิทธิภาพเพิ่มสูงขึ้น

ความเป็นมา
เซลล์แสงอาทิตย์แบบพลาสติกหมายถึงเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ที่ใช้พอลิเมอร์แทนการใช้ซิลิคอนเพื่อเปลี่ยนพลังงานจากแสงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า การใช้พลาสติกเป็นวัสดุหลักนั้นจะช่วยลดต้นทุนการผลิตลง ช่วยทำให้เซลล์มีน้ำหนักเบา และมีความยืดหยุ่นโค้งงอได้มากกว่าการใช้ซิลิคอนเป็นวัสดุหลัก แต่อย่างไรก็ตามเมื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพการใช้งานแล้ว พบว่าเซลล์แสงอาทิตย์แบบพลาสติกนั้นยังมีประสิทธิภาพการใช้งานที่ต่ำกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันถึง 10 เปอร์เซ็นต์ ดังนั้นเราจึงต้องหาวิธีเพิ่มประสิทธิภาพให้กับเซลล์แสงอาทิตย์แบบพลาสติกเพื่อให้สามารถใช้งานได้จริงและมีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอน

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไมโครสโคปแสดงให้เห็นความแตกต่างระหว่างการที่ไม่มีและมีการสร้างหยดหรือฟองของฟลูเลอรีนในสารละลาย

เป็นที่ทราบกันดีว่าสัณฐานวิทยาของเซลล์แสงอาทิตย์นั้นมีรอยต่อของพลาสติกสองชนิดที่เป็นองค์ประกอบของเซลล์ซึ่งเป็นตำแหน่งที่พบกระบวนการถ่ายเทของอิเล็กตรอนเมื่อเซลล์ไดัรับการกระตุ้นจากแสงอาทิตย์ โดยทั่วไปในกระบวนการผลิต พลาสติกทั้งสองชนิดจะละลายและระเหยจนเข้าสู่กระบวนการแข็งตัว ซึ่งถ้าหากไม่มีการเติมตัวทำละลายพิเศษก่อนที่สารละลายพลาสติกนั้นจะแข็งตัวก็มักพบว่าฟลูเลอรีนจะรวมตัวกันเป็นหยด (droplet) หรือฟอง (bubble) (ดังภาพ) ฟองหรือหยดที่เกิดขึ้นมีผลกระทบด้านลบต่อการถ่ายเทอิเล็กตรอน แต่ในทางตรงกันข้าม ฟองจะมีขนาดเล็กลงและสลายไปในที่สุดหากมีการเติมตัวทำละลายพิเศษก่อนที่สารละลายจะแข็งตัว

จากภาพเปรียบเทียบถึงกระบวนการแข็งตัวของสารผสมพลาสติกในกรณีที่มีการเติมตัวทำละลายร่วม (ภาพขวาล่าง) แสดงให้เห็นการรวมกันของสายโซ่พอลิเมอร์ เมื่อเทียบกับกรณีที่ไม่เติมตัวทำละลายร่วม (ภาพซ้ายล่าง) แสดงให้เห็นการรวมตัวกลายเป็นหยดของฟลูเลอรีน

ความลับที่ถูกเปิดเผย
กลไกที่ตัวทำละลายพิเศษนี้สามารถลดขนาดหยดของฟลูเลอรีนลงจนหายไปได้นั้นเกิดจากการที่สารละลายพอลิเมอร์ระเหย ทำให้สายโซ่พอลิเมอร์เปลี่ยนโครงสร้างกลายเป็นโครงสร้างที่มีการพับทบโค้งไปมา (‘folded’ structure) ซึ่งนักวิจัยสังเกตเห็นว่าตัวทำละลายพิเศษนี้ทำให้กระบวนการพับเกิดขึ้นตั้งแต่ระยะเริ่มต้นของกระบวนการแข็งตัวนั่นหมายความว่าท้ายที่สุด หยดของเหลวหรือฟองทั้งหมดจะไม่สามารถเกิดขึ้นได้อีกต่อไปนั่นเอง

ทิ้งท้าย
อย่างไรก็ตาม กลไกที่ถูกเปิดเผยนี้ เป็นผลงานวิจัยที่เพิ่งถูกค้นพบอาจต้องติดตามกันต่อไปว่าสิ่งที่นักวิจัยอธิบายนั้น มีข้อมูลสนับสนุนเพิ่มเติมอีกมากน้อยเพียงใด

ข้อมูลอ้างอิงและเพิ่มเติม
https://www.tue.nl/en/university/news-and-press/news/06-02-2015-why-baking-powder-increases-efficiency-of-plastic-solar-cells/

งานวิจัยฉบับเต็ม :
Hans van Franeker et al., A real-time study of the benefits of co-solvents in polymer solar cell processing, Nature Communications (6 February 2015, online). DOI:10.1038/ncomms7229

Scroll Up